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电磁超表面在隐身技术中的应用研究进展

信息对抗技术 2024年第3期3卷 1-23页

作者：孟跃宇李勇峰王甲富郑麟闫明宝蒋进明屈绍波空军工程大学基础部陕西西安710051 陕西省人工结构功能材料与器件重点实验室陕西西安710051 苏州国家实验室空天超材料实验室陕西西安710051

电磁超表面能够利用散射调控和电磁波吸收2种主要机理进行隐身是隐身技术中一种极具潜力的新型技术途径。对电磁超表面在隐身技术中的应用与研究进展进行综述,首先介绍了超表面散射调控机理进行隐身设计的基本原理与实现方法,介绍了相... 详细信息

电磁超表面能够利用散射调控和电磁波吸收2种主要机理进行隐身是隐身技术中一种极具潜力的新型技术途径。对电磁超表面在隐身技术中的应用与研究进展进行综述,首先介绍了超表面散射调控机理进行隐身设计的基本原理与实现方法,介绍了相位梯度超表面、编码超表面和超表面隐身套的发展历程和研究成果;其次介绍了基于吸波机理的超表面隐身技术研究进展,包括完美吸波结构、多频带吸波结构、宽频带吸波结构、宽角域吸波结构;再次介绍了超表面雷达隐身与其他功能的复合设计研究,包括超表面隐身强度复合设计、超表面吸波透波散射一体化、雷达红外兼容隐身等内容;最后总结了一些超表面在隐身技术应用中存在的问题和未来的研究方向。

关键词：电磁超表面隐身技术散射调控吸波材料隐身强度复合设计吸波透波散射一体化雷达红外兼容隐身

用于微波无线能量传输的无衍射电磁超表面设计

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空间电子技术 2024年第2期21卷 101-106页

作者：肖辉苏东平宋伟张淮清重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044

微波无线能量传输作为一种远距离能量传输技术受到广泛关注,但是电场随着距离增加会快速衰减。为了减缓电场衰减趋势,提高接收端功率,文章推导出了用于产生无衍射波束的相位计算表达式。另外,设计了一款相位覆盖360°,传输系数优于-3dB... 详细信息

微波无线能量传输作为一种远距离能量传输技术受到广泛关注,但是电场随着距离增加会快速衰减。为了减缓电场衰减趋势,提高接收端功率,文章推导出了用于产生无衍射波束的相位计算表达式。另外,设计了一款相位覆盖360°,传输系数优于-3dB的相位控制单元,并利用该单元设计了一个口径为500mm的超表面。仿真和实测数据显示,在加载电磁超表面后,电场明显增强,能量更加集中。微波无线传输实验结果表明,在发射总功率为36dBm时,相较于无电磁超表面情况下,接收端接收的能量最大可以提升9倍之多,证明了设计出的电磁超表面助于提高微波传能系统的传输效率。

关键词：微波无线能量传输电磁超表面无衍射波束

一种基于相位梯度原理的反射型电磁超表面及RCS缩减应用

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航空科学技术 2024年第4期35卷 60-66页

作者：赵浥彤张文琦周健相倩中国航空研究院北京100029

针对电磁波束调控和电磁隐身问题,本文设计了一种在圆形贴片上开口十字缝隙形式的反射型相位梯度超表面,通过对单元尺寸的调节实现了差异的反射相位覆盖,该系列超表面作用于X波段,按照线性、等相位差形式排布超表面单元能够将反射波最... 详细信息

针对电磁波束调控和电磁隐身问题,本文设计了一种在圆形贴片上开口十字缝隙形式的反射型相位梯度超表面,通过对单元尺寸的调节实现了差异的反射相位覆盖,该系列超表面作用于X波段,按照线性、等相位差形式排布超表面单元能够将反射波最大散射方向偏转至关注角域以外,且通过对相位梯度数值的人为设计,能够精确控制最大散射方向,降低单站后向散射的同时兼顾了降低关注角域内的双站散射,具备针对单站雷达截面积(RCS)减缩、双站RCS散射方向调控的能力,且单元结构采用对称设计方式,具有极化不敏感的特性,基于此相位梯度超表面设计了一维、二维相位梯度超表面阵列结构,一维阵列结构的频带内单站RCS峰值减缩了41.13dB,均值缩减了8.7dB,面内最大散射方向偏转了16.5°;二维阵列结构的频带内单站RCS峰值减缩了16.29dB,均值减缩了9.04dB,最大散射方向发生了俯仰23°、方位135°偏转,均具备较好的单站和双站雷达隐身效果。

关键词：左手材料电磁超表面相位梯度超表面雷达截面积斯涅尔定理

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电磁超表面对辐射波的调控与应用

光电工程 2023年第9期50卷 15-29页

作者：朱潜田翰闱蒋卫祥东南大学信息科学与工程学院毫米波全国重点实验室江苏南京210096 紫金山实验室江苏南京211111

电磁超材料由亚波长尺寸的人工单元结构周期或非周期排列组成,可以实现天然材料不具备的奇特性质。超表面作为二维特殊形式超材料,具有剖面低、易集成、低成本等优点。随着有源器件、传感元件与智能算法的引入,超表面进一步实现了对电... 详细信息

电磁超材料由亚波长尺寸的人工单元结构周期或非周期排列组成,可以实现天然材料不具备的奇特性质。超表面作为二维特殊形式超材料,具有剖面低、易集成、低成本等优点。随着有源器件、传感元件与智能算法的引入,超表面进一步实现了对电磁波的实时可编程与智能调控。目前多数电磁超表面研究致力于反射波或透射波调控,事实上,电磁超表面对辐射波同样具有强大的调控能力。本文系统介绍电磁超表面调控辐射波幅度、相位、极化等维度的相关研究进展,以超表面与馈源的集成方式和超表面对辐射波的调控原理为分类依据,重点介绍折叠阵超表面、法布里-珀罗超表面、漏波超表面和辐射式超表面,对应空间馈电、表面波馈电、缝隙耦合馈电、同轴馈电等方式,从无源与有源两个角度介绍这四类超表面对辐射波的调控机理与应用,最后对电磁超表面调控辐射波的未来研究方向进行展望。

关键词：电磁超表面辐射波电磁波调控

电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展

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光谱学与光谱分析 2016年第6期36卷 1639-1644页

作者：闫昕梁兰菊张雅婷丁欣姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 枣庄学院光电工程学院山东枣庄277160

电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具,合适地设计成编码、随机、相位不连续、完美吸收器等超表面,就能够控制电磁波的散射以及反射特性,实现雷达散射截面的缩减。本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收... 详细信息

电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具,合适地设计成编码、随机、相位不连续、完美吸收器等超表面,就能够控制电磁波的散射以及反射特性,实现雷达散射截面的缩减。本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收等特性实现在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用。分析表明,编码超表面由不同的数字单元组成,其反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系,设计特殊的单元序列使入射的电磁波产生非定向散射,更高bit编码超表面更容易灵活调控电磁波;随机超表面通过调节阵元的尺寸实现宽带移相从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波,产生漫反射;不连续超表面由于相位不连续可使电磁波发生漫反射或者异常反射;吸收器通过合理设计结构尺寸实现吸收电磁波能量来减小反射。因此电磁超表面在雷达隐身、宽带通讯、成像等方面具有重要的应用前景。最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用的发展趋势进行了初步探讨,未来将向着宽带、柔性、大角度等方面发展。

关键词：电磁超表面雷达散射截面编码随机相位不连续吸收器

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电磁超表面智能优化设计方法研究

电磁超表面智能优化设计方法研究

作者：侯俊杰华中师范大学

学位级别：硕士

电磁超表面是一种由亚波长单元结构以特定方式排列组合而成的二维人工合成材料,其拥有自然界材料所无法具有的物理性质,如对吸波、频选和波束调控。因此,电磁超表面被广泛的运用于战机隐身、无线通信等不同的领域。目前,电磁超表面的设... 详细信息

电磁超表面是一种由亚波长单元结构以特定方式排列组合而成的二维人工合成材料,其拥有自然界材料所无法具有的物理性质,如对吸波、频选和波束调控。因此,电磁超表面被广泛的运用于战机隐身、无线通信等不同的领域。目前,电磁超表面的设计方法主要是基于不断仿真和优化得到预设的目标电磁响应特性。然而随着设计复杂度不断提升,超表面模型的仿真时间急剧上升,这导致基于试错法的电磁超表面设计过程过于繁琐。因此,如何有效的提高电磁超表面的设计和优化效率是未来电磁超表面领域面临的重大挑战之一。近年来,深度学习的广泛应用同样引起了超表面相关领域学者的注意力。目前,已有学者将深度学习通过各种方法融入电磁超表面的设计过程当中。通过对电磁超表面仿真数据进行深度挖掘,寻找潜在物理机制和数据之间的映射关系,可有效的提升设计效率。同时,启发式优化算法也被学者们用来进行电磁超表面的几何结构和材料参数的优化,期望能获得电磁超表面的最优性能。本文以深度学习理论为基础,结合启发式优化算法和基本的电磁超表面理论知识,以吸波超表面和后向散射增强超表面为对象研究了周期超表面和数字编码超表面的逆向设计和优化问题:1.针对周期超表面的设计问题,本文提出了使用级联深度神经网络实现吸波超表面单元的定制化逆向设计。我们构建三个神经网络模型,预测神经网络实现了对超表面单元电磁响应特性的正向预测,特征转换神经网络实现了对定制化性能指标的特征转换以及生成神经网络实现对超表面单元设计参数的逆向生成。通过将特征神经网络与生成神经网络级联,实现快速而有效的定制化逆向设计。2.针对数字编码超表面的优化设计问题,本文提出了基于条件变分自编码神经网络的后向散射增强超表面编码矩阵按需逆向设计,引入了正向预测神经网络实现对超表面RCS准确的正向预测,并通过条件变分自编码神经网络学习了后向散射增强超表面在隐空间的分布特性从而实现对目标超表面编码矩阵的逆向生成任务。为了追求更高的后向散射增强性能,我们将两个神经网络模型与遗传算法相结合,实现了对超表面优化空间的压缩和加速遗传算法对超表面优化过程中的适应度评估速度。在这种情况下,后向散射增强超表面编码矩阵的优化速度和优化性能均得到了有效的提升。本文创新性的提出了基于深度学习和启发式优化算法的电磁超表面单元和数字编码超表面的智能优化设计方法。针对不同的优化问题,将深度学习与启发式优化算法引入电磁超表面的设计和优化过程当中,有效的减少了电磁超表面设计过程中的迭代次数,提高了设计效率的同时还压缩了电磁超表面的优化空间提高了优化效率和优化性能。

关键词：电磁超表面深度学习启发式优化算法智能优化设计逆向设计

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电磁超表面雷达散射截面缩减研究

电磁超表面雷达散射截面缩减研究

作者：商婷婷曲阜师范大学

学位级别：硕士

隐身技术有助于提高军事装备的突防和战场生存能力,对军事发展具有重要意义,雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)是衡量隐身性能好坏的重要指标。在微波频段内,通常使用超表面反探测技术来实现雷达探测区域信号强度的降低,其原理是... 详细信息

隐身技术有助于提高军事装备的突防和战场生存能力,对军事发展具有重要意义,雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)是衡量隐身性能好坏的重要指标。在微波频段内,通常使用超表面反探测技术来实现雷达探测区域信号强度的降低,其原理是将入射到目标上的电磁波散射到各个方向。本文在众多专家学者的工作基础上,结合电磁波的极化特性和卷积运算实现电磁超表面的单站RCS缩减,主要内容如下:1.采用卷积运算将散射方向图进行偏移,通过增加偏移方向个数,实现超表面的RCS缩减。首先,运用电磁波的线极化转化特性,设计了一款“F”形的极化转化单元,并将其关于x轴镜像操作得到镜像单元,两者构成1-bit编码单元;两单元的交叉极化相位差为180°,实现电磁波反相相消。然后,将单元组阵形成十字形排列的编码超表面,利用卷积运算将十字形排列的散射方向图偏移至多个方向。随着偏移方向个数的增加,超表面产生的散射波束越来越多,入射波的能量被散射到各个方向。根据能量守恒定律,波束越多,每个波束的能量越低,进而实现RCS的缩减。2.采用卷积运算改变散射能量的分布,通过叠加不同编码模式,实现超表面的RCS缩减。超表面由“I”形的极化转化单元构成,通过调整单元的夹角和关于x轴的镜像操作,实现相邻单元的相位差为90°。在此基础上设计了4×4的具有一维或二维相位梯度的编码单元,实现编码单元散射波束的控制;将编码单元组阵成不同编码模式的超表面,利用卷积运算改变超表面散射能量的分布方向生成缩减RCS的新超表面。为了验证上述理论的正确性,分别对十字形排列的散射方向图偏移六个方向的超表面和改变散射能量分布方向的超表面进行加工、测试。测试结果与仿真结果吻合良好,证实了所设计的超表面具有良好的单站RCS减缩效果。

关键词：电磁超表面雷达散射截面卷积运算相位梯度

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基于多模谐振的电磁调控超表面研究

基于多模谐振的电磁调控超表面研究

作者：房曙光中南大学

学位级别：硕士

在电磁防护与雷达隐身领域,各类功能型电磁材料具有潜在应用价值。电磁超表面是一类具有亚波长周期特性的新型人工材料,对其进行合理的结构设计,能够实现对入射电磁波极化和损耗特性的有效调控,从而为控制目标的电磁特征提供新思路。能... 详细信息

在电磁防护与雷达隐身领域,各类功能型电磁材料具有潜在应用价值。电磁超表面是一类具有亚波长周期特性的新型人工材料,对其进行合理的结构设计,能够实现对入射电磁波极化和损耗特性的有效调控,从而为控制目标的电磁特征提供新思路。能将极化转换与吸波双功能兼容集成的电磁超表面是雷达伪装隐身材料发展的重要方向,但其在简化结构设计、提高边带或带外滤波特性方面有待开展深入研究。为此,本文主要开展极化转换、吸波和双功能滤波型电磁超表面的综合设计与实验验证。主要包括:(1)为优化极化转换超表面的设计过程并解决其带外电磁干扰问题,提出了一种基于多模滤波型谐振器的设计方法。所设计的超表面通过应用枝节/槽线加载和混合电磁耦合技术引入多个独立可控的谐振模式和转换零点。通过合理的模式/零点配置及电磁谐振的联合作用,该超表面能实现二阶单/双频段滤波型极化转换响应。(2)设计了一种具有极化转换和吸波特性的双功能超表面。基于极化转换和吸波谐振器的水平复合及电磁谐振与欧姆损耗的联合作用,所设计的超表面无需使用有源器件则可在相邻频段实现双功能集成。通过将该超表面单元与其镜像单元进行棋盘格排布还可在覆盖两功能段的频率范围实现宽带雷达散射截面缩减。(3)为改善双功能超表面带外电磁干扰问题,提出了一种基于多模滤波型极化转换谐振器的设计方法。所设计的谐振器通过应用槽线加载技术引入多个独立可控的谐振模式和转换零点。通过合理的模式/零点配置及磁谐振的多机制联合作用,该谐振器能实现四阶宽带滤波型极化转换响应。通过将该谐振器与工作在相邻频段的吸波谐振器水平复合,还可获得具有超窄隔离带的双功能超表面。图67幅,表8个,参考文献130篇

关键词：电磁超表面极化转换吸波双功能集成

基于电磁超表面的双极化天线增益性能优化设计研究

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基于电磁超表面的双极化天线增益性能优化设计研究

作者：李晨琦青岛大学

学位级别：硕士

双极化天线通常应用于极化分集系统,用来应对复杂电磁环境下的信号多径问题。为了提高接收信号的质量和系统可覆盖的范围,需要天线具有高增益、宽频带、高交叉极化比等特性,目前高性能天线结构的设计趋于复杂,而电磁超表面的发展给天线... 详细信息

双极化天线通常应用于极化分集系统,用来应对复杂电磁环境下的信号多径问题。为了提高接收信号的质量和系统可覆盖的范围,需要天线具有高增益、宽频带、高交叉极化比等特性,目前高性能天线结构的设计趋于复杂,而电磁超表面的发展给天线优化提供了简易可行的思路。本文基于电磁超表面特性及谐振腔高增益天线工作原理,对双极化天线进行了优化设计与研究。具体工作如下:1.设计了一种方型各向同性超表面用于优化测向系统中的交叉偶极子天线。偶极子天线采用巴伦馈电,通过设计四边弯折反射器实现了天线的单向辐射和较高的增益,工作频段为1.7-2.8GHz。仿真分析了超表面的电磁特性,它的±90°反射相位带宽为1.5-3.5GHz,与天线的工作频段匹配度高。基于法布里-珀罗谐振腔高增益天线的设计原理,将超表面结构加载到天线上方,通过优化超表面大小及高度,天线的工作带宽相较于原始天线拓展了0.3GHz,增益平均提升了2d Bi左右。仿真及测试结果表明,利用超表面优化的天线具有较高的增益且原天线的辐射模式基本不发生改变,在工作频段内,-3d B波束宽度稳定在60°±9.5°。另外,分析了理想线阵中阵元的耦合情况,加载超表面覆层也在一定程度上提高了天线的端口隔离度。2.从十字交叉型超表面入手,定向设计了一种末端为镂空双环的十字交叉型超表面,通过增加超表面金属贴片单元的有效电长度,降低了超表面的工作频段,其在天线工作频段内具有有效的反射和透射特性。利用特征模理论从物理角度分析了所设计超表面的特性,在1.6-4GHz频段,超表面自身极化模式不会被激发,性能稳定。将其用在偶极子天线上,增益提升效果与方型超表面基本一致,但谐振腔高度相比降低了10mm,实现了低剖面的天线设计。3.设计了一种耦合间隙开口的双极化偶极子天线,馈电方式采用容易调节天线阻抗匹配的耦合探针,底部为100×100mm的平面反射板。该天线优化前的工作频段为1.7-3GHz,增益为6.7-7.8d Bi。由于反射板尺寸较小,天线的半功率波束宽度在工作频段内波动很大。将本文设计的超表面结构作为天线覆层,构成法布里-珀罗腔,通过优化超表面覆层高度使天线实现了1.7-3.8GHz的工作带宽,增益提升3d Bi左右。经过超表面优化的天线增益为在1.7-3.1GHz频段可保持在8.6-9.9d Bi,-3d B波束宽度稳定在63.5°±6.6°,相较于原天线,波束宽度变窄,天线的方向性增强。超表面的加载使天线获得了良好的工作性能,与其他双极化天线相比尺寸更小。使用超表面优化的两种偶极子天线满足测向系统、基站通信系统的需求,具有宽频带、高增益、高交叉极化比的性能优势,因此,超表面覆层构造谐振腔天线的优化方法在高增益天线设计中具有重要的参考意义。

关键词：双极化天线高增益天线电磁超表面宽带