【摘 要】
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近几十年,随着科学技术的发展,各国在军事上较量的重点逐渐变成各种战斗机和舰船等新式武器的较量,这些新式武器通常具有较强的辐射能量,容易被敌方雷达探测并作为打击的目标。因此,提高目标隐身技术的重要性不言而喻,电磁编码超材料在隐身方面表现出了巨大的潜力。超材料是一种人工材料构成的特殊电磁材料,由周期或者非周期的单元排列组合而成,具有非凡的电磁特性,可以实现对电磁波的任意调控。超材料的特殊性并不是单元的
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近几十年,随着科学技术的发展,各国在军事上较量的重点逐渐变成各种战斗机和舰船等新式武器的较量,这些新式武器通常具有较强的辐射能量,容易被敌方雷达探测并作为打击的目标。因此,提高目标隐身技术的重要性不言而喻,电磁编码超材料在隐身方面表现出了巨大的潜力。超材料是一种人工材料构成的特殊电磁材料,由周期或者非周期的单元排列组合而成,具有非凡的电磁特性,可以实现对电磁波的任意调控。超材料的特殊性并不是单元的材料性质特殊,而是取决于单元的几何结构及大小尺寸。超表面由超材料排列组合而成,比传统体超材料体积更小,剖面低,设计上也简单一些。近年来,人们对超材料的研究不断创新和提高,编码超材料就是其中的杰出代表。编码超材料从数字编码的角度思考问题,通过将编码单元进行数字化,大大简化了超材料的设计过程。编码超表面的最主要应用之一是用于缩减物体的雷达散射截面,即军事中常应用的“隐身技术”。不同大小尺寸、形状的编码单元有不同的反射系数相位,在编码超材料中,设定0度和180度相位的反射单元模拟1-bit数字“0”与“1”,还可以设计更高位数的编码单元,编码位数越高,调控电磁波的自由度就会变高。因此,对编码超表面的空间排列进行优化可以达到调控电磁波的目的。本文以编码超材料作为研究内容,从多个角度对编码超材料进行了深入的研究,主要内容和成果如下:第一,基于编码超材料的概念,利用极化转化单元设计出了具有180度相位差的1-bit单元,并用遗传算法基于远场函数公式对超表面阵列进行了优化。仿真与实验结果表明,与相同边长大小的金属板比较,由这两种单元所组成的编码超表面在12.5-17GHz,20.5-36GHz的两个宽频带范围可以达到10dB以上的RCS缩减,17-20.5GHz的范围内也能够达到8dB以上的RCS缩减。同时,超表面在30°、45°、60°三个不同入射角度下仍然能够保持良好的RCS缩减效果。第二,将编码超表面和微带贴片天线二者结合达到缩减天线RCS的目的。将1-bit的编码超表面分别加载在矩形微带天线和圆形微带天线四周,可以使得两种微带天线在保持增益、回波损耗等特性不变的情况下均能够实现RCS缩减。仿真结果表明,与没有加载超表面的微带天线相比,加载后的天线在14-16GHz,22-34GHz范围内缩减了10dB以上的RCS,16-22GHz范围实现了7dB以上的缩减。第三,设计了四个不同的2-bit单元,单元间的相位差约为90度,利用这四种单元组阵成的2-bit编码超表面能够在较宽的频带范围内实现RCS缩减。在频率15.36GHz-31GHz频段内,编码超表面的RCS值比普通金属板至少缩减了10dB及以上。另外,利用2-bit编码单元的种类和相位梯度的多样性,仿真实现了电磁波反射的一些异常现象,从而验证了广义斯涅耳现象。
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