[發明專利]柔性柱面共形超散射器及其結構設計方法

有效

• 申請號: 201711463477.3
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108183333B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 許河秀;彭清;張小寬;王光明;袁方
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: H01Q15/02
• 分類號: H01Q15/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種柔性柱面共形超散射器，其特征在于，由超散射器元胞在z方向進行有限周期延拓而形成；所述超散射器元胞由加載于任意曲面平臺的高效、寬帶、極化不敏感柔性超表面，用于充當柔性超表面地板和起支撐作用的半徑為R_o和高度為h的金屬圓柱，以及用于拓展超表面工作帶寬的泡沫圓環柱組成；其中，金屬圓柱與泡沫圓環柱等高且泡沫圓環柱緊緊包裹在金屬圓柱之上，泡沫圓環柱的厚度為h₂，柔性超表面厚度為h₁；柔性超表面自然伸展，緊緊包裹在泡沫圓環柱面上；所述柔性超表面由一系列結構相同的超表面單元沿圓柱面圓周方向排列組成，且在圓周方向上超表面單元依次旋轉一定角度Φ，單元反射相位為幾何貝爾相位，且滿足所述超表面單元在圓周方向上呈現非周期分布；所述超表面單元在金屬圓柱軸向上周期為p，由底層金屬地板、柔性介質板、空氣層以及上層的耶路撒冷金屬結構組成；將超散射器元胞在z方向即圓柱形的軸向有限周期延拓K個，即得到整個柱面共形超散射器，K≤10λ/p，p為單元周期，λ為工作波長；

所述柔性超表面的相位關于超表面中心呈現軸對稱分布，相位由基于廣義Snell折射定律的線性梯度相位以及用于修正圓柱曲面曲率的補償相位兩部分組成，即這里i表示超表面單元序號，超表面中心i＝1，往兩邊逐漸增大；所述線性相位由M個相位梯度沿圓周周期重復且首尾順序連接，呈折線分布，每個相位梯度由N個間隔為的離散相位組成，并滿足和2*M*N*p≤πR_o；同時為保證雙向奇異波束偏折，依次滯后，且滿足：

這里，M和N由柱面超散射器的半徑R₀決定；柱面上超表面單元位置P(i)和補償相位為：

P(i)＝R_oarcsin((i-1)p/R_o)

這里，λ₀為設計工作頻率f₀處的工作波長，同時為減小截斷效應的影響，R₀和h應滿足πR₀≥10λ，h≥8λ。

2.根據權利要求1所述的柔性柱面共形超散射器，其特征在于，所述耶路撒冷金屬結構的超表面單元，其結構參數如下：l_x＝6，l_y＝7.5，l_x1＝3.8，l_y1＝2，w₁＝1，w₂＝0.5，h₁＝0.06和h₂＝4mm，這里，l_x和l_x1為耶路撒冷結構沿x方向上兩個金屬條的長度，l_y和l_y1為耶路撒冷結構沿y方向上兩根金屬條的長度，w₁為耶路撒冷結構中間兩根金屬條的寬度，w₂為耶路撒冷結構邊緣四根金屬條的寬度，h₁為介質板的厚度，h₂為空氣泡沫板的厚度。

3.根據權利要求2所述的柔性柱面共形超散射器，其特征在于，所述超表面單元中的所有金屬均為銅；所述柔性介質板的介電常數為ε_r＝3.4，厚度為0.06mm，電正切損耗tanσ＝0.001。

4.如權利要求1-3之一所述柔性柱面共形超散射器的曲面結構設計方法，其特征在于，具體步驟如下：

第一步：根據功能設計平面超散射器的基本結構

首先，根據實現功能設計長度為L＝π*R_o和高度為h的平面超散射器，其工作原理是基于廣義Snell折射/反射定律的波束偏折，因此超散射器的表面相位服從線性分布；為在水平面內產生兩個對稱高定向波束，關于超散射器中心呈軸對稱分布，這里用i表示超表面單元序號，超表面中心i＝1，往兩邊逐漸增大，所述線性相位在水平面內由M個超表面單元周期重復且首尾順序連接，呈折線分布，每個相位梯度由N個間隔為的離散相位組成并滿足和2*M*N*p≤πR_o；同時為保證奇異波束對稱偏折在兩個相反方向上，依次滯后且滿足M和N由柱面超散射器的半徑R₀決定；

第二步：建立平面到曲面的一一映射，實現曲率補償與相位修正

以第一步所述平面超散射器所在面為參考面，柱面與圓柱面等高且平行放置，將柱面投影到參考面，為保證柱面超表面單元在參考面上投影后滿足能等間距p排列，柱面上超表面各單元的位置滿足P(i)＝R_oarcsin((i-1)p/R_o)，為非周期排列；根據射線追蹤法確定柱面各點與參考面之間的距離，計算光程差，并根據光程差確定補償相位：

第三步：高效、寬帶、極化不敏感柔性超表面散射器設計

根據第一步和第二步確定的和確定所述柔性超表面的相位分布其相位即廣義Snell折射定律要求的線性相位以及用于修正柱面曲率的補償相位

確定相位分布后，要考慮如何提高柱面超散射器的工作帶寬、工作效率以及極化不敏感性；首要問題是設計具有寬頻工作以及極化不敏感特性的超表面單元，其基本理論依據是超表面的群集響應由單元的寬帶、極化不敏感特性決定；為使超散射器在任意極化下均能工作，從而提高功能的極化穩定性，采用幾何貝爾相位來實現柔性超表面的相位分布；同時為獲得高效工作，單元在x、y正交極化下的相位響應和滿足相位差且單元反射幅度r_xx和r_yy均接近1，該情形下攜帶幾何貝爾相位信息的圓極化分量達到最大，而其它反射分量被壓制到最小，接近于零；為實現寬頻工作，采用色散工程方法使和的斜率在很寬的帶寬范圍內保持平行，數學上通過在幾個關鍵特殊頻率處滿足來保證，具體通過調節耶路撒冷結構的6根金屬條長度來調諧；

根據上述分析，選擇單層耶路撒冷反射結構作為實現柔性超表面散射器的基本單元，整個單元由上層耶路撒冷金屬結構、空氣層、柔性介質板和底層金屬地板組成；通過上層金屬結構和地板的耦合提供諧振于不同頻率的多個磁諧振模式，打開單元在邊緣頻率處的相位，提高單元相位響應的線性度，同時增加一層接近于空氣介電常數的泡沫板來降低單元的品質因數，提高反射幅度和均一性，利用多模級聯思想和增加空氣層厚度最終拓展的帶寬；最后根據相位分布和單元結構參數，通過旋轉耶路撒冷結構并通過尋根算法，在CST中利用VBA宏建立柔性超散射器拓撲結構。