一种基于自旋解耦的宽带低RCS隐身超表面

本发明涉及人工电磁超表面，具体涉及一种基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面。

背景技术：

1、雷达散射截面（rcs）是衡量目标隐身性能的关键指标。近年来，基于超表面的极化调控与波前操控技术为电磁隐身提供了新思路。其中，自旋解耦超表面通过打破传统几何相位的自旋锁定限制，能够对入射电磁波的正交圆极化分量进行独立调控，从而实现高效的极化转换与灵活的波束控制。这些物理特性使其对反射波的相位、幅度及传播方向具有极强的调控能力，为目标隐身提供了全新的技术路径。

2、现有低rcs超表面技术主要包括棋盘型超表面、相位梯度超表面及人工磁导体等。棋盘型超表面通过将具有180°反射相位差的两种单元交替排列，利用相位相消干涉将入射能量散射至非镜面方向，从而缩减后向rcs。例如，有研究采用4×4的棋盘排布，在窄带内实现了约10db的rcs缩减。相位梯度超表面则通过引入线性相位梯度，产生异常反射将波束偏折至预定方向，同样可降低后向散射。然而，这些传统方案普遍存在工作频带窄、角稳定性差的问题。当入射波频率偏离设计中心或以大角度斜入射时，其相位相消效果显著下降，导致rcs缩减性能急剧恶化。此外，这类超表面通常仅针对单一极化状态设计，难以同时兼顾线极化与圆极化的隐身需求，且设计过程中往往需要复杂的多参数优化，限制了其在实际工程中的推广应用。

3、研究表明，通过合理设计自旋解耦超表面，可将入射的线极化波高效分解为等幅、同相的正交圆极化分量，并对这两个分量进行独立的传输相位与几何相位调控。基于琼斯矩阵分析，自旋解耦超表面能够为左旋圆极化波和右旋圆极化波分别提供任意设定的补偿相位，从而实现反射波前的自由操控。相比于传统棋盘型或相位梯度超表面，基于自旋解耦的隐身方案无需依赖复杂的周期结构优化，即可在宽频带内实现稳定的单站rcs缩减，且具备更低的剖面和更高的设计灵活性。

4、然而，目前能够同时实现高效极化转换、宽带单站rcs缩减性能的一体化自旋解耦超表面设计仍极为稀缺。现有少数集成方案要么极化转换效率低，导致隐身效果不稳定；要么rcs缩减带宽受限，无法覆盖多个常用频段；或是未能充分发挥自旋解耦对正交极化分量独立调控的优势，无法实现高效影身。这些问题严重制约了自旋解耦超表面在雷达隐身与电磁兼容领域的一体化应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，解决现有技术中雷达散射截面缩减带宽窄、极化转换效率低的问题，提供了一种超宽带的低rcs自旋解耦隐身超表面。

2、本发明解决其技术的问题的方案为一种基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，包括的超表面阵列；所述超表面阵列的第一行包括n个超表面结构；所述第一行第i个超表面结构自上而下依次包括金属贴片层、介质基板层和金属地板层；介质基板层和金属地板层均为矩形；所述金属贴片层为基准贴片沿逆时针旋转i*22.5度后的贴片；其中i的范围为0到7；所述超表面阵列其他行的排列顺序与第一行的排列顺序相同，n的取值为7。

3、更进一步的，所述基准贴片包括共面的矩形贴片、第一大弧形贴片、第二大弧形贴片、第三小弧形贴片和第四小弧形贴片；所述矩形贴片长边的两端分别指向介质基板层顶面的两个对角；所述矩形贴片长边的两端分别设置第一大弧形贴片和第二大弧形贴片；所述第一大弧形贴片的圆心角和第二大弧形贴片的圆心角相同；所述第一大弧形贴片和第二大弧形贴片关于矩形贴片的几何中心镜像对称；所述矩形贴片的两个短边之间设置相同的第三小弧形贴片和第四小弧形贴片；所述第三小弧形贴片和第四小弧形贴片的圆心为矩形贴片的几何中心；所述第三小弧形贴片和第四小弧形贴片关于矩形贴片的几何中心镜像对称；所述第一大弧形贴片内环弧线的中点、第二大弧形贴片内环弧线的中点、第三小弧形贴片内环弧线的中点、第四小弧形贴片内环弧线的中点和矩形贴片的几何中心点共线。

4、更进一步的，所述介质基板为rogers 5880；所述介质基板的相对介电常数

ε 为2.2；所述介质基板的损耗角正切为0.0009；所述介质基板的厚度

h为1.9mm；

5、更进一步的，所述介质基板和金属地板层的边长均为5.5mm。

6、更进一步的，所述第一大弧形贴片的内环半径

r1为2mm；所述第三小弧形贴片的内环半径为

r2=0.68mm；

7、更进一步的，所述第一大弧形贴片的内环与外环之间的宽度

w1和第三小弧形贴片的内环与外环之间的宽度

w2相等，且均为0.35mm。

8、更进一步的，所矩形贴片的宽

w为0.73mm。

9、更进一步的，所述第一大弧形贴片的圆心角

α1与第三小弧形贴片的圆心角

α2相等，且均为107°。

10、更进一步的，所述第i个超表面结构的单元周期

p为5.5mm。

11、本发明的有益效果是：由于采用自旋解耦与pb相位协同调控设计，依托顶层弧线-直线复合非对称金属贴片激发正交电磁响应，利用lcp、rcp反射相位相反的线性pb相位响应，实现两类正交圆极化分量独立相位调控，解决了传统棋盘型、相位梯度超表面雷达散射截面缩减带宽窄的问题，实测实现10.57ghz-34.54ghz跨四波段超宽带单站rcs缩减，覆盖x、ku、k、ka四大高频雷达主流工作频段；由于采用三层极简单元拓扑设计（单层rogers5880介质基板+上下金属结构），摒弃多层复合介质谐振结构，弱化单元频散带来的极化损耗，提升了宽频范围内极化转换效率低的问题，单元极化转化率稳定大于0.8，极化转换相对带宽达110.9%；与现有技术比较，本发明基于3bit离散相位编码阵列排布，在11-29.5ghz全测试频带内波束偏折角度稳定无偏移；同时无需开展多变量耦合迭代参数优化，仅通过顶层金属贴片旋转即可完成相位编码，单元剖面仅1.9mm；另外依托自旋解耦独立调控能力，可同步适配线极化、左旋/右旋圆极化三类电磁波隐身需求，解决了传统超表面极化适配单一、极化转换与rcs缩减无法带宽匹配的缺陷，且单元结构加工工艺简单，贴合pcb量产标准，能够直接应用于高速飞行器高频段雷达隐身、机载电磁屏蔽面板等工程。

1.一种基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，包括的超表面阵列；所述超表面阵列的第一行包括n个超表面结构；所述第一行第i个超表面结构自上而下依次包括金属贴片层、介质基板层和金属地板层；介质基板层和金属地板层均为矩形；所述金属贴片层为基准贴片沿逆时针旋转i*22.5度后的贴片；其中i的范围为0到7；所述超表面阵列其他行的排列顺序与第一行的排列顺序相同，n的取值为7。

2.根据权利要求1所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述基准贴片包括共面的矩形贴片、第一大弧形贴片、第二大弧形贴片、第三小弧形贴片和第四小弧形贴片；所述矩形贴片长边的两端分别指向介质基板层顶面的两个对角；所述矩形贴片长边的两端分别设置第一大弧形贴片和第二大弧形贴片；所述第一大弧形贴片的圆心角和第二大弧形贴片的圆心角相同；所述第一大弧形贴片和第二大弧形贴片关于矩形贴片的几何中心镜像对称；所述矩形贴片的两个短边之间设置相同的第三小弧形贴片和第四小弧形贴片；所述第三小弧形贴片和第四小弧形贴片的圆心为矩形贴片的几何中心；所述第三小弧形贴片和第四小弧形贴片关于矩形贴片的几何中心镜像对称；所述第一大弧形贴片内环弧线的中点、第二大弧形贴片内环弧线的中点、第三小弧形贴片内环弧线的中点、第四小弧形贴片内环弧线的中点和矩形贴片的几何中心点共线。

3.根据权利要求1所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述第i个超表面结构的单元周期p为5.5mm。

4.根据权利要求1所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述介质基板和金属地板层的边长均为5.5mm。

5.根据权利要求2所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述第一大弧形贴片的内环半径r1为2mm；所述第三小弧形贴片的内环半径为r2=0.68mm。

6.根据权利要求2所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述第一大弧形贴片的内环与外环之间的宽度w1和第三小弧形贴片的内环与外环之间的宽度w2相等，且均为0.35mm。

7.根据权利要求2所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所矩形贴片的宽w为0.73mm。

8.根据权利要求2所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述第一大弧形贴片的圆心角α1与第三小弧形贴片的圆心角α2相等，且均为107°。

9.根据权利要求1所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述介质基板为rogers 5880；所述介质基板的相对介电常数ε 为2.2；所述介质基板的损耗角正切为0.0009。

10.根据权利要求1所述基于自旋解耦的宽带低rcs隐身超表面，其特征在于，所述介质基板的厚度h为1.9mm。