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摘要
新型人工电磁表面是三维超材料的二维平面形式，它是由具有特定几何形状的亚波长单元结构，周期或非周期地排布在二维平面上而构成的人工复合结构，简称“超表面”。超表面由于能够在不同介质分界面引入相位突变，从而实现对电磁波调控，相比于三维的人工电磁材料，在实现对电磁波的控制方面具有灵活方便的优点。并且利用超表面设计的各种新型器件具有更薄的厚度、更低的损耗、更易于加工等优点。因此，基于新型人工电磁表面隐身技术的研究也具有更加广泛的应用前景。本文以实现高效、超宽带的雷达散射截面缩减为目标，对新型人工电磁表面应用于雷达隐身的设计进行了研究。本文的主要工作如下： （1）基于极化转换超表面的同极化雷达隐身技术。设计了一种多V形多模反射型极化转换超表面。该极化转换超表面可以将线极化入射电磁波转换成与其正交的线极化反射波。这种多V形谐振器结构通过产生四个相邻的反射系数的谐振峰，可以显著地扩展其实现交叉极化反射的带宽，即能够在超宽带内，高效地将线极化波转换为与其极化方向正交的反射波。并采用一款极化转换单元--双开口谐振方环设计了一款透射型高效极化转换器，能够在超宽带内实现高效率的线性极化转换，从而实现超宽带同极化雷达隐身。 （2）基于极化转换超表面的棋盘及类棋盘排布产生多波束散射，来实现超宽带RCS缩减。用（1）中所提出的多V形超宽带极化转换单元来设计了一种棋盘型超表面结构，并分别将单元排布成方形和三角形棋盘结构，对比它们所实现雷达散射截面缩减的效果。最后择优采用三角形棋盘结构进行了加工测试，实验与仿真结果相吻合。设计了一款不对称双箭头形极化转换超表面单元，分别将其构成方形、三角形棋盘结构以及风车形类棋盘结构，均实现了超宽带范围内的雷达散射截面缩减，并分析了他们的远场散射图。因此，将极化转换超表面单元与它们的镜像单元按照棋盘结构或者类棋盘结构的排布方式，能够实现可调控的多波束散射，从而有效减小后向散射，实现电磁隐身。 （3）基于相位梯度超表面产生异常反射和漫反射来实现RCS缩减。首先提出了一款对称双箭头形极化转换超表面来构成相位梯度型超表面，使其中各单元在x方向和y方向上保持恒定相位差，根据广义斯涅尔定律，入射电磁波发生异常反射，从而在超宽带内有效降低了后向散射，所设计的相位梯度超表面具有厚度薄、结构简便、易调节等特性。然后设计了一款方形双开口谐振环形相位梯度超表面，其能够在K和Ku波段内可以实现一定的雷达散射截面缩减效果。最后采用变形耶路沙冷十字形超表面结构设计了一款组合梯度型超表面，人为地增加相位排列模式，设计了8个一维和二维的“超单元”并按照特定的方式排列这些“超单元”，实现了漫反射，在X波段内RCS缩减显著。 （4）基于超表面的吸波结构通过吸收损耗入射电磁波的能量来实现RCS缩减。首先介绍了新型人工电磁吸波器的基本原理和实现方法。然后基于超表面分别设计了三频点吸波器、五频点吸波器和可透光宽带吸波器。这三款吸波器均为经典反射型三层结构，且均有良好的吸波效果。此外，由于三种单元结构对称性，这三款吸波器均具有极化不敏感的特性。前面两款多频点吸波器介质层都采用常见的F4B介质基板；而可透光宽带吸波器的介质层是将ITO薄膜镀到玻璃基板上下表面，从而实现光学透明，该可透光超表面吸波器结构具有宽带的吸波特性，90%以上吸收率的吸波带宽完全覆盖了X波段。并且入射角在40°以内对其吸收率的影响都很小，因此这款吸波器具有可透光、宽带RCS缩减、大角度入射以及极化不敏感等优势，有利于实现电磁隐身。 （5）基于随机编码超表面产生漫反射来实现超宽带RCS缩减。提出了一种新型具有极化不敏感特性的3bit随机编码超表面，实现了超宽带的RCS缩减。超表面结构由8个相位差为45°基本单元组成，基本单元为对称双箭头形超表面单元结构，能够在超宽带内将线性极化波转换到其正交方向上。且该超表面结构具有极化不敏感的特性，主要归因于各个单元的旋转角度也随机。由于3bit编码的基本单元排布的随机性和各单元的旋转角度的随机性，使得反射光束的发散度大大提高。仿真和实验结果表明，该方法能显著减小目标的雷达散射截面，具有良好的宽带隐身效果。 （6）基于多元随机编码超表面来实现超宽带RCS缩减。设计了一种新颖的多元棋盘随机编码超表面结构，用于实现超宽带RCS缩减。采用四种不同极化转换超表面单元组成，它们均具有超宽带线极化转换功能。该设计巧妙地将极化转换、棋盘结构以及随机编码的思想相结合，使其反射相位排布离散化，形成漫反射，实现了超宽带频带内雷达散射截面的缩减。并且通过优化各单元的尺寸参数、介质层的厚度和类型，分别实现了在低频段和高频段的超宽带RCS缩减。
关键词
隐身技术/新型人工电磁表面/RCS缩减/极化转换超表面/相位梯度超表面/吸波超表面/随机编码超表面/结构设计引用本文复制引用
授予学位
博士学科专业
通信与信息系统导师
赵永久学位年度
2020学位授予单位
南京航空航天大学语种
中文中图分类号
V2