[發明專利]全極化超表面地毯隱身衣及其設計方法

有效

• 申請號: 202010785210.1
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111834753B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 許河秀;王彥朝;王朝輝;彭清;王明照;王少杰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;F41H3/00;G06F30/10;G06F30/20;G06F113/12
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種全極化超表面地毯隱身衣的設計方法，其特征在于，該隱身衣的形狀為任意三維結構，由多塊平面超表面拼接組成；每塊平面超表面由M*N個超表面單元周期延拓組成；每個超表面單元包括上層柔性介質板、中層3D打印材料和下層柔性介質板；其中，所述上層柔性介質板一面包含金屬圓弧電諧振器，另一面全腐蝕；所述上層柔性介質板一面全金屬，另一面全腐蝕；所述平面超表面上的金屬圓弧電諧振器與x軸的夾角α，亦稱方位角，取α＝45°；該金屬圓弧電諧振器的形狀為中心對稱的類工字形，中間是金屬直條，兩端分別是半徑為R的金屬圓弧；兩金屬圓弧端部對應張角相等，記為β，兩金屬圓弧端部連線與中間金屬條垂直；所述中間金屬條和金屬圓弧的寬度相等，記為d；金屬圓弧電諧振器結構參數、方位角隨單元空間位置不同而改變，具體通過全極化超表面地毯隱身衣方法設計確定；

具體步驟如下：

第一步：確定三維隱身衣的幾何形狀，并將三維隱身衣按照超表面單元周期離散化，然后基于射線追蹤理論計算隱身衣的空間相位分布

隱身衣設計的基本依據是相位補償法，首先需要確定參考面，并以參考面的相位為零相位，然后計算三維隱身衣各超表面單元離參考面的距離，最終根據公式(1)計算各超表面單元在特定極化下需要補償的隱身相位，即空間相位分布δ：

δ＝π-2k₀[f(x)-g(x)]cos(θ) (1)

這里，f(x)表示隱身目標的幾何形狀，g(x)為希望達到的虛擬隱身目標，對于地毯隱身衣，g(x)為恒定水平面，k₀＝2π/λ₀為自由空間波矢，λ₀為工作波長，θ為電磁波的入射角；上式中需要補償的相位分布δ與設計頻率f₀、入射電磁波的極化密切相關；

第二步：提出基于旋向解耦方法的全極化隱身解決方案，并建立交叉極化轉化下基于幾何相位和傳輸相位的混合相位旋向解耦方法，基于第一步計算的隱身衣空間相位分布反演出傳輸相位和幾何相位

左旋圓極化電磁波激發下，根據第一步，可以計算地毯隱身衣所需要的相位分布δ_+-；右旋圓極化電磁波激發下，根據第一步，可以計算地毯隱身衣所需要的相位分布δ_-+；下面建立一種方法來設計超表面，使得超表面在左旋和右旋圓極化電磁波激發下的相位和功能實現解耦，并結合幾何相位和傳輸相位使得超表面能在左旋和右旋圓極化電磁波下同時實現公式(1)所計算的隱身相位，從而最終實現全極化電磁隱身；

根據線主極化和交叉線極化系統下，左旋和右旋圓極化電磁波狀態下相位解耦理論，為反射體系下全極化隱身提供基本設計準則；反射體系下，超表面單元的特異電磁特性用瓊斯矩陣來表征：

這里，和r_xx分別表示在x線極化波激勵下的x極化反射相位和幅度頻譜，和r_yx分別表示在x線極化波激勵下的y極化反射相位和幅度頻譜，和r_xy分別表示在y線極化波激勵下的x極化反射相位和幅度頻譜，和r_yy分別表示在y線極化波激勵下的y極化反射相位和幅度頻譜，這些相位與單元結構參數相關，稱為傳輸相位；笛卡爾坐標系下，假設超表面單元相對其中心坐標旋轉角α，那么線極化基下反射瓊斯矩陣R(α)表示為：

R(α)＝S^-1(α)×R×S(α)，

其中，

同時，圓極化基下反射瓊斯矩陣R^c(α)與線極化基下反射瓊斯矩陣R(α)之間的關系滿足：

R^c(α)＝Λ^-1·R(α)·Λ，

其中，

對于互易系統，旋轉和鏡像對稱沒有被打破，有r_yx＝r_xy和進一步得圓極化基下反射瓊斯矩陣：

式(2)說明通過同時引入幾何相位(e^-2αj)和傳輸相位可使δ_+-和δ_-+得以完全解耦；

對于線同極化系統，超表面單元沿x、y軸鏡像對稱，沒有交叉極化，r_yx≈r_xy≈0，得到r_xx≈r_yy≈1；此外，為得到由線同極化系數決定的高交叉旋向轉化效率，攜帶幾何相位的旋向分量應為1，而其余旋向分量r₊₊和r_--為0；考慮到這些因素，令式(2)進一步將簡化為：

這樣，就可以反演出雙旋向狀態下均能隱身所需要的傳輸相位和幾何相位：

對于交叉極化系統，沒有鏡像對稱，r_xx≈r_yy≈0，立即得：

且旋向解耦效率由線交叉線極化轉換效率決定；同時在左旋和右旋圓極化電磁波狀態下實現隱身所需要的線交叉極化反射相位和幾何相位計算如下：

第三步：在線交叉極化情形下合成滿足旋向解耦的反射超表面單元，選定特定結構參數使得x/y極化下的線交叉極化反射相位均達到180°覆蓋，獲得線交叉極化反射相位隨結構參數β變化的關系

在線交叉極化情形下，合成得到滿足旋向解耦的反射超表面單元，作為全極化地毯隱身衣設計的基本結構單元；該基本結構是金屬-絕緣體-金屬型反射單元，由上、下層柔性薄PCB介質板以及夾在中間的3D打印聚合物構成；其中，上層柔性介質板一面包含一個金屬圓弧電諧振器，另一面全腐蝕；下層柔性介質板一面全金屬，另一面全腐蝕；

這里，根據工作頻率確定單元的基本結構參數，然后選取參數β來獲得180°相位覆蓋，剩余180°相位覆蓋通過旋轉方位角α來接力，通過掃描β得到交叉極化相位隨β變化的對應關系；

第四步：根據第二步得到的傳輸相位、幾何相位和第三步得到的線交叉極化轉換系數相位隨結構參數β變化的關系，確定隱身衣上各超表面單元的結構布局，實現整個全極化隱身衣的建模

首先，為集成左旋和右旋圓極化波下的隱身相位δ_+-和δ_-+，根據公式(1)、(4a，4b)的計算結果合成所需要的和α；然后，根據對應關系得到隱身衣中每個單元的β分布；最后，根據α確定單元的方位角。