相位梯度超表面设计与RCS缩减研究

发布时间：2020-05-27 19:02

【摘要】：相位梯度超表面,作为一种新型超材料,区别于其他传统超材料谐振吸收的机理,它主要通过在表面引入波长尺度的相位突变,来控制反射波的波前,从而产生异常反射及折射、表面波耦合和类表面等离子激元激发等现象来实现隐身。本文基于前人研究,利用相位梯度超表面独特的调控方式,针对传统超材料尺寸大、频带窄的缺点,设计了一种“薄、宽”相位梯度超表面,通过仿真、实验等方法研究相位梯度超表面性能,探索相位梯度超表面的雷达散射截面积(radar cross section RCS)缩减特性。主要工作如下:(1)从光学基本原理的费马原理出发和电磁学基本的边界条件限制出发,推导界面上的广义斯涅耳定律,探讨相位梯度超表面与电磁波的相互作用机制以及产生的奇异效应。将二维广义斯涅耳定律推广到三维,通过后续的仿真证实二维相位梯度超表面由于多了一个相位维度,对电磁波的散射能力更强。(2)基于广义斯涅耳定律,设计了一种相位梯度差为dΦ(x)=2π/3的双频带相位梯度超表面。两种开口圆环结构组合起来的相位梯度超表面在设计频点处满足dΦ(x)=2π/3的相位梯度并且具有低反射率特性,同时在反射率谷值7.8GHz和9.4GHz处,平均RCS缩减量分别达到10.3dB和10.4dB,材料厚度也仅为0.578mm,约为工作波长的1/60。(3)基于双频带相位梯度超表面的设计思路,明确宽频带相位梯度超表面设计思想,并设计了一种在12～16GHz范围内具有较稳定相位差的螺旋结构。反射率特性曲线显示在设计频率范围内其有低反射特性。随后,将相位梯度分为一维和二维,探讨不同的排列方式对RCS缩减特性的影响,分析四种模型的散射特性。它们都能有效地散射电磁波,减小主瓣方向上的反射波,从而降低超表面的RCS。在10-16GHz频段内,RCS缩减平均大于10dB。
【图文】：

效果图,效果图,材料,电磁波

方面：在现代战争中，为了控制战场上信息的传输和获取，更精准有效的实施打击先要获得的就是对空间中作为信息载体的电磁波的掌控权。而这个控制权最明显现就是隐身技术与反隐身技术，隐身技术提升我方人员以及武器装备在战场上的能力，反隐身技术则提升我方的侦查与探测能力[1]。而对于雷达隐身技术，主要过降低目标的雷达回波信号来实现隐身，其中雷达散射截面积（Radar Coss SectioCS）就是衡量目标雷达回波能力的一个重要物理量。所以，在军事领域中，我们有效地缩减目标的 RCS，从而达到隐身的目的。民用领域：通讯系统、临床医疗索检测等生活中多个方面越来越依赖电磁波的相关应用，因此，如何将电磁波高用来满足生产、生活所需，，成为各个相关领域研究工作者研究的热点。对于传统，它们主要依赖原子与分子的结构来调控电磁波特性，这样容易受到材料本征属限制，使得电磁波的调控变得复杂，同时材料的制备也相对困难，因而材料的应到极大局限。超材料(Metamaterials)设计思想的出现，为新型隐身材料的设计与注入了新的活力，并体现出独特的调控优势，极大拓展了隐身材料的设计研究[2-5

地毯,示例,材料

图 1-2 (a) (b)超材料示例 (c)隐身衣设计 (d)隐身地毯设计统隐身材料设计遭遇瓶颈：在不影响武器装备气动性能的前提下，高性能隐身特性。在原有的设计思想指导下，由于频率的降低，相必须牺牲材料的厚度指标以实现高性能隐身特性。而超材料不同于过人工设计超材料基本单元，可以使其工作在低频频段并且实现轻特点，在隐身领域具有广泛潜在的应用价值[2-8]。但传统超材料谐振使得其工作频带相对较窄。因此，目前所需攻克的主要问题是如何指导下，通过对单元结构的设计来增强工作带宽。料概述（Metamaterial）是一种亚波长结构人工材料，拥有自然材料所不性[2-10]。1968 年，物理学家 V. G. Veselago 通过理论推导发现，电间不仅可以形成自然界中存在的右手螺旋关系，它们也可以形成左
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN95;TB34

【参考文献】