本發(fā)明屬于雷達(dá)散射橫截面（RCS）減縮隱身技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的全極化、全角度超寬帶電磁隱身器件及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隱身是一個(gè)亙古不變的話題，在過(guò)去的幾百年時(shí)間里一直存在于神話傳說(shuō)和小說(shuō)中，如哈利波特的隱身斗篷等。所謂電磁隱身，是指目標(biāo)的信號(hào)特征在一定電磁頻段范圍內(nèi)無(wú)法被雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)和識(shí)別，從而迫使敵方電子探測(cè)系統(tǒng)和武器平臺(tái)降低戰(zhàn)斗效力，提高我方武器的突防能力和生存能力。目前世界各國(guó)科學(xué)家都在致力于新機(jī)理隱身研究，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法和工作機(jī)制，新機(jī)理隱身技術(shù)可以分為以下四類(lèi)：（1）基于光學(xué)變換的超材料隱身衣，以地毯隱身衣為代表，基本原理是基于麥克斯韋方程組的形式不變性，實(shí)質(zhì)是讓電磁波既不反射、散射也不吸收，而是讓電磁波沿著物體表面?zhèn)鞑ィ?lèi)似于小溪里的流水，經(jīng)過(guò)石頭時(shí)溪流會(huì)繞過(guò)石頭后再合攏并繼續(xù)向前，就像未遇到過(guò)石頭等任何障礙物一樣；（2）基于散射對(duì)消技術(shù)的等離子體激元（SPP）隱身衣，主要通過(guò)很小或者負(fù)的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率超材料產(chǎn)生一個(gè)本地極化矢量，由于該極化矢量與目標(biāo)產(chǎn)生的極化矢量反相且互相抵消，從而降低了目標(biāo)的散射強(qiáng)度，基于該原理該技術(shù)后來(lái)發(fā)展成較為實(shí)用的超薄披衣技術(shù)，主要通過(guò)精心設(shè)計(jì)披衣的等效表面阻抗，利用其響應(yīng)入射電磁波時(shí)產(chǎn)生的反相散射場(chǎng)來(lái)破壞性地干擾目標(biāo)的散射場(chǎng)；（3）傳輸線隱身衣，通過(guò)一個(gè)精心設(shè)計(jì)的傳輸線匹配網(wǎng)絡(luò)將入射電磁波耦合到每個(gè)傳輸線網(wǎng)格中，然后通過(guò)傳輸線網(wǎng)格引導(dǎo)耦合電磁波繞著網(wǎng)格周?chē)鷤鬏敹慌c目標(biāo)發(fā)生交互作用；（4）基于隨機(jī)超表面的漫反射RCS減縮技術(shù)，主要通過(guò)隨機(jī)排列和優(yōu)化相位為0°和180°的兩種單元，產(chǎn)生相消干涉，打散一致相位分布，能量在不同單元交界面處發(fā)生無(wú)規(guī)則散射并最終被有效散射到空間各個(gè)方向。（5）利用超薄超材料的電磁諧振損耗吸收電磁波能量，使得入射電磁波打到目標(biāo)后反射RCS顯著減小。

以上隱身方法各具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，基于光學(xué)變換的超材料隱身衣雖然能獲得理想的隱身效果且隱身區(qū)域不受限制，但依賴(lài)要求苛刻的非均勻各向異性材料參數(shù)，難于實(shí)現(xiàn)，且塊狀材料笨重，加工復(fù)雜，限制了其應(yīng)用和推廣。SPP散射對(duì)消技術(shù)屬于光頻隱身，微波段SPP僅僅是人工電磁結(jié)構(gòu)對(duì)光波段電磁特性的一種模擬，難以對(duì)消高階散射項(xiàng)。傳輸線網(wǎng)格隱身僅限于小網(wǎng)格目標(biāo)，隱身區(qū)域非常受限。漫反射隱身技術(shù)由于不受隱身區(qū)域與材料限制，重量輕，且超薄披衣通過(guò)賦形技術(shù)能與任意武器平臺(tái)表面共形，在新機(jī)理隱身技術(shù)中最具潛力，但以往數(shù)字超表面模塊均由相同基本單元（均勻模塊）構(gòu)成，只能在某個(gè)極化電磁波探測(cè)下和某些方向上（后向散射）能保持低RCS水平，而當(dāng)探測(cè)信號(hào)極化一旦發(fā)生改變，不再具有RCS減縮特性，且由于能量只能打散在個(gè)別有限方向，根據(jù)能量守恒定理有限散射方向上的能量必定較大，仍然存在很大的截獲發(fā)現(xiàn)幾率，這對(duì)于雙站或多站檢測(cè)技術(shù)該方案完全失效，同時(shí)為盡可能使電磁散射變得更加均勻分布往往將希望寄托于復(fù)雜的相位優(yōu)化技術(shù)，復(fù)雜耗時(shí)的全局優(yōu)化算法使得設(shè)計(jì)非常復(fù)雜、效率低，不具有魯棒性。如何解決全極化、全角度RCS減縮瓶頸問(wèn)題成為電磁隱身領(lǐng)域亟需解決一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題。

梯度超表面技術(shù)作為一種新興技術(shù)，可望能解決上述隱身方案存在的缺陷，同時(shí)可望與飛機(jī)、導(dǎo)彈等一些高速飛行目標(biāo)共形，在軍事、航天、通信系統(tǒng)中具有廣闊應(yīng)用前景。鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面來(lái)降低目標(biāo)RCS的學(xué)術(shù)思想和設(shè)計(jì)方法，梯度模塊由旋轉(zhuǎn)角度不同的單元按拋物線相位分布排列組成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種全極化、全角度超寬帶電磁隱身器件及其設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明提出的全極化、全角度超寬帶電磁隱身器件，是集旋轉(zhuǎn)PB相位、拋物梯度超表面和數(shù)字超表面于一體的全新綜合器件。如圖1所示，全極化、全角度超寬帶電磁隱身器件為有限尺寸的旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面，其中N位數(shù)字超表面由L×M（圖中為5×5）個(gè)周期完全相同但相位不同的種拋物梯度模塊（子陣）按照某種隨機(jī)序列排列構(gòu)成，如1位數(shù)字超表面由2種（）不同模塊組成，對(duì)應(yīng)于編碼=0和1；2位數(shù)字超表面由4種（）不同模塊組成，分別對(duì)應(yīng)于編碼=00，01，10和11；3位數(shù)字超表面由8種（）不同模塊組成，分別對(duì)應(yīng)于編碼=000，001，010，011，100，101，110和111，這里不同編碼排列構(gòu)成了數(shù)字超表面的序列，當(dāng)N=0時(shí)，數(shù)字超表面變成了周期超表面。所述模塊可以由相同結(jié)構(gòu)參數(shù)單元通過(guò)旋轉(zhuǎn)不同角度來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由不同結(jié)構(gòu)參數(shù)單元實(shí)現(xiàn)，該情形下不同灰度模塊代表不同相位。而不同灰度梯度模塊有多種定義和表征，如不同灰度模塊可以代表拋物梯度模塊具有不同的焦距，也可以代拋物梯度模塊具有不同的附加相位。N位數(shù)字超表面的電磁散射特性和信息由模塊以及模塊內(nèi)基本單元的排列方式?jīng)Q定。例如，對(duì)于模塊由相同反射單元組成的1位數(shù)字超表面，全0和全1分布的超表面具有最大后向散射，0和1隨機(jī)分布和棋盤(pán)分布由于漫反射和散射對(duì)消后向散射會(huì)明顯減小。因此研究模塊以及模塊內(nèi)單元的排列方式對(duì)電磁散射特性的影響規(guī)律是研究多位數(shù)字超表面電磁散射特性的關(guān)鍵。下面給出本發(fā)明全極化、全角度超寬帶旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字表面的設(shè)計(jì)方法。

第一步：多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面中各模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與相位分布的設(shè)計(jì)；

全極化、全角度旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面設(shè)計(jì)，其首要問(wèn)題就是如何設(shè)計(jì)多位拋物梯度模塊，而多位拋物梯度模塊設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)、構(gòu)建模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與相位分布。

在設(shè)計(jì)模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前，首先需要確定模塊的口徑大小，即模塊沿x、y方向的單元個(gè)數(shù)P、Q，一般情況下，為便于設(shè)計(jì)選取P=Q。同時(shí)為避免多個(gè)散射柵瓣，P、Q不能太大，通常滿足條件P≤7，Q≤7。圖2和圖3給出了收斂和發(fā)散兩種情形下多位數(shù)字超表面各模塊的相位分布，每個(gè)模塊包含5×5個(gè)基本單元。對(duì)于1位拋物梯度數(shù)字超表面，0、1模塊對(duì)應(yīng)于附加相位0°和180°；對(duì)于2位拋物梯度數(shù)字超表面，00、01、10和11模塊分別對(duì)應(yīng)于附加相位0°，90°，180°和270°；對(duì)于3位拋物梯度數(shù)字超表面，000、001、010、011、100、101、110和111模塊分別對(duì)應(yīng)于附加相位0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°。N位數(shù)字超表面模塊的相位與編碼之間關(guān)系滿足（這里為編碼序列，N為數(shù)字超表面的位數(shù)，與N滿足關(guān)系），因此編碼為的拋物梯度模塊相位分布可以根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

這里，p，m和n分別表示梯度模塊中單元沿x，y軸的周期和位置信息，F表示焦距，φ(0, 0)表示模塊中心的相位，通過(guò)F、P與Q可以控制模塊上的相位覆蓋范圍，這里以完整覆蓋360°為設(shè)計(jì)目標(biāo)，符號(hào)-/+分別對(duì)應(yīng)發(fā)散/聚焦兩種情形。這里0模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)是使得式（1）計(jì)算的相位變化范圍剛好落在0°~360°，構(gòu)建了起始模塊的相位分布后其余模塊的相位只需附加特定且大于360°的相位自動(dòng)減去360°的整數(shù)倍即可。

第二步：多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的超寬帶單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

基于PB相位條件，與超寬帶條件來(lái)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)，這里，和，分別表示反射輻射和相位，其中下標(biāo)x、y表示入射波的極化方向。采用多模級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)超表面單元的超寬帶工作，每個(gè)正交線極化分量均具有3個(gè)諧振模式且兩極化下的模式在頻譜上交替排列，接力形成寬帶，假設(shè)x、y兩極化下各模式的諧振頻率分別為、和以及、和。

基于上述超表面寬帶設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明最終設(shè)計(jì)的超寬帶超表面單元結(jié)構(gòu)參考圖4所示。由三層金屬結(jié)構(gòu)和2層介質(zhì)板組成；其中，上層金屬結(jié)構(gòu)由5個(gè)關(guān)于y軸鏡像對(duì)稱(chēng)的垂直金屬細(xì)貼片組成，中層金屬結(jié)構(gòu)由5個(gè)關(guān)于x軸鏡像對(duì)稱(chēng)的水平金屬細(xì)貼片組成，底層金屬結(jié)構(gòu)為金屬背板，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證該體系是一個(gè)純反射特系，沒(méi)有任何傳輸；上層金屬結(jié)構(gòu)在上層介質(zhì)板上面，中層金屬結(jié)構(gòu)在上層介質(zhì)板與下層介質(zhì)板之間，底層金屬結(jié)構(gòu)在下層介質(zhì)板背面。

設(shè)l₁、w₁分別為5個(gè)細(xì)貼片中中間貼片的長(zhǎng)度和寬度（也記該中間貼片為l₁），l₂、w₂分別為5個(gè)細(xì)貼片中位于中間貼片l₁兩側(cè)的貼片的長(zhǎng)度和寬度（也記該兩貼片為l₂），l₃、w₃分別5個(gè)細(xì)貼片中位于最外側(cè)兩個(gè)貼片的長(zhǎng)度和寬度（也記該兩貼片為l₃），相鄰兩貼片之間的距離相等，記為g；記p_x、p_y分別為超表面單元在x、y方向的長(zhǎng)度（也稱(chēng)周期）；上、下層介質(zhì)板的厚度分別記為h₁和h₂。其中部分結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足條件：p_x=p_y>l₁>l₂>l₃，h₁<h₂，而l₁, w₁, l₂, w₂, l₃, w₃, g,h₁以及h₂的尺寸通過(guò)優(yōu)化組合使得x、y極化下單元各模式的諧振頻率、和以及、和交替級(jí)聯(lián)且滿足，為保證上述斜率相同且不失一般性，選取7個(gè)典型頻率滿足上述條件，即，，，，，，。

第三步：拋物梯度模塊與多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面建模；

首先確定多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的口徑大小L_x×L_y，即超表面沿x、y方向的模塊個(gè)數(shù)L、M，為減小雙站RCS測(cè)試過(guò)程中的衍射誤差，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可信，超表面的口徑不能太小，必須滿足一定口徑大小，通常滿足L_x≥6λ₀，L_y≥6λ₀，λ₀為工作頻率處的波長(zhǎng)。然后基于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生多位隨機(jī)編碼序列，如圖1所示，并通過(guò)尋根算法和調(diào)用各模塊的VBA宏，在CST中建立多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面結(jié)構(gòu)。

這里多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面各模塊的相位通過(guò)旋轉(zhuǎn)超表面單元結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)各模塊拋物梯度相位分布以及PB相位和單元旋轉(zhuǎn)角度φ呈現(xiàn)的-2φ或2φ相位關(guān)系，通過(guò)尋根算法和旋轉(zhuǎn)超表面單元在CST中采用VBA宏建立超表面模塊結(jié)構(gòu)，例如，最終建立的3位數(shù)字超表面的8種模塊結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

這里以1、2、3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面為特例來(lái)說(shuō)明N位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的建模過(guò)程，最終建立的1、2、3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面結(jié)構(gòu)如圖6、7、8所示。

需要說(shuō)明的是本發(fā)明全極化、全角度旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面，適用于發(fā)散、收斂拋物梯度兩種情形，而本發(fā)明實(shí)施例中主要以發(fā)散情形為例進(jìn)行說(shuō)明，只在3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面實(shí)施例中涉及收斂拋物梯度情形。

不同以往特定線極化波激勵(lì)下隨機(jī)超表面和均勻模塊超表面的RCS減縮方法，本發(fā)明首次提出拋物梯度數(shù)字超表面來(lái)解決全角度電磁隱身問(wèn)題，采用旋轉(zhuǎn)PB（Pancharatnam–Berry)相位來(lái)解決全極化電磁隱身問(wèn)題，所提出的旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面能在各個(gè)方向上將電磁散射能量均勻打散，且全角度RCS減縮特性不隨入射波極化特性改變而改變，可以是不同指向的線極化波，也可以是左旋或右旋圓極化波，同時(shí)全極化、全角度RCS減縮特性不隨數(shù)字超表面的位和相位分布變化而變化，無(wú)需優(yōu)化，具有魯棒性好，超寬工作帶寬，厚度薄，易加工等優(yōu)異特性。

附圖說(shuō)明

圖1為1位、2位與3位數(shù)字超表面的結(jié)構(gòu)排列示意圖。

圖2為3位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面各個(gè)模塊的相位分布。

圖3為3位收斂旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面各個(gè)模塊的相位分布。

圖4為本發(fā)明雙層寬帶超表面單元的幾何結(jié)構(gòu)。其中，(a)為單元上層金屬結(jié)構(gòu)，(b)為單元中層金屬結(jié)構(gòu)，(c)為單元全局視圖，(d)為單元側(cè)視圖。

圖5為3位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面8種模塊的上層結(jié)構(gòu)圖。

圖6為1位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面上、中層結(jié)構(gòu)圖。

圖7為2位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面上、中層結(jié)構(gòu)圖。

圖8為3位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面上、中層結(jié)構(gòu)圖。

圖9為線極化波激勵(lì)且φ=0°時(shí)超表面單元的反射幅度和反射相位頻譜。

圖10為圓極化波激勵(lì)時(shí)不同旋轉(zhuǎn)角φ情形下超表面單元的反射幅度和反射相位頻譜。

圖11為收斂與發(fā)散情形下基于陣列理論計(jì)算的超表面散射方向圖。（a）均勻超表面；（b）旋轉(zhuǎn)拋物梯度周期超表面；（c）均勻模塊1位數(shù)字超表面；（d）旋轉(zhuǎn)拋物梯度1位數(shù)字超表面

圖12為發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度周期超表面的（a）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、（b）單站RCS、（c）13.2GHz處的散射能量分布與（d）幾個(gè)代表頻率處的散射方向圖。

圖13為1位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的后向RCS減縮曲線與散射方向圖。（a）不同極化下超表面的后向RCS減縮曲線，其中點(diǎn)畫(huà)線表示旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面結(jié)果，符號(hào)標(biāo)記表示均勻模塊數(shù)字超表面結(jié)果；（b）不同極化角下旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的后向RCS減縮曲線；（c）均勻模塊數(shù)字超表面和全1超表面的理論計(jì)算散射方向圖；（d-g）垂直入射時(shí)不同觀察頻率處發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的仿真二維（右列）、三維（左列）散射功率分布；（h-k）垂直入射時(shí)不同觀察頻率處均勻模塊數(shù)字超表面的仿真二維（右列）、三維（左列）散射功率分布。

圖14為2位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的后向RCS減縮曲線與散射方向圖。（a）不同極化下超表面的后向RCS減縮曲線；（b）發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的近場(chǎng)分布；均勻模塊數(shù)字超表面的（c）理論計(jì)算散射方向圖與（d）近場(chǎng)分布；（e-h）垂直入射時(shí)不同觀察頻率處發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的仿真二維（右列）、三維（左列）散射功率分布；（i-l）垂直入射時(shí)不同觀察頻率處均勻模塊數(shù)字超表面的仿真二維（右列）、三維（左列）散射功率分布。

圖15為3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的后向RCS減縮曲線與散射方向圖。（a）X極化下超表面的后向RCS減縮曲線；（b）發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的近場(chǎng)分布；均勻模塊數(shù)字超表面的（c）理論計(jì)算散射方向圖與（d）近場(chǎng)分布；（e-h）垂直入射時(shí)不同觀察頻率處發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的仿真二維（右列）、三維（左列）散射功率分布；（i-l）垂直入射時(shí)不同觀察頻率處均勻模塊數(shù)字超表面的仿真二維（右列）、三維（左列）散射功率分布。

具體實(shí)施方式

根據(jù)前面建立的旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面設(shè)計(jì)方法，我們可以快速自動(dòng)化設(shè)計(jì)任意多位旋轉(zhuǎn)拋物梯度超數(shù)字表面的結(jié)構(gòu)。下面以1位、2位與3位發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面為例，具體介紹3種超表面的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)結(jié)果，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。這里為揭示工作機(jī)理的普遍性，所有情形下采用的多位序列任意隨機(jī)產(chǎn)生，未經(jīng)優(yōu)化；另外為揭示發(fā)明方法的優(yōu)越性，將其結(jié)果與已有均勻模塊數(shù)字超表面結(jié)果對(duì)比，為保證對(duì)比的公平性，兩種情形下使用的多位序列完全相同。

3個(gè)實(shí)施例中，介質(zhì)板可以采用聚四氟乙烯玻璃布板（F4B-2），其介電常數(shù)ε_r=2.65，電正切損耗tanσ=0.001，金屬細(xì)貼片厚度0.036mm，介質(zhì)板厚度分別為h₁=0.3和h₂=3mm，優(yōu)化得到的上層5個(gè)細(xì)貼片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為：l₁=7.11mm，l₂=4.59mm，l₃=1.98mm，w₁=w₂=w₃=1mm和g=0.5mm，中層5個(gè)細(xì)貼片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為：l₁=10.8mm，l₂=5.4mm，l₃=3.24mm，w₁=w₃=1mm，w₂=g=0.5mm，單元的周期長(zhǎng)度為p_x=p_y=12mm。

超表面單元的工作原理：當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，y、x極化電場(chǎng)作用會(huì)在平行于極化方向的金屬細(xì)貼片上產(chǎn)生感應(yīng)電流，而金屬背板作用使得金屬結(jié)構(gòu)和背板在側(cè)面還會(huì)產(chǎn)生位移電流，y、x極化兩種情形下感應(yīng)電流和位移電流均有效形成閉合回路并產(chǎn)生磁諧振。這里上、中層金屬結(jié)構(gòu)的金屬細(xì)貼片均由3組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的貼片組成，用于產(chǎn)生工作于不同頻率的3個(gè)磁諧振模式。

通過(guò)優(yōu)化調(diào)整上、中層金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)可以控制y、x極化下諧振模式的頻譜位置從而調(diào)諧整個(gè)單元的反射相位，使得上、中層細(xì)金屬貼片產(chǎn)生的模式依次交替級(jí)聯(lián)，獲得最佳180°相位差帶寬。

為驗(yàn)證本發(fā)明旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的寬帶特性，采用商業(yè)仿真軟件CST Microwave Studio對(duì)單元的散射頻譜進(jìn)行仿真，其中，沿x、y方向均采用周期邊界條件，而沿z方向采用開(kāi)放邊界條件，線極化電磁波垂直入射。如圖9所示，無(wú)論x極化電磁波還是y極化電磁波激勵(lì)，反射幅度譜中均呈現(xiàn)三個(gè)淺反射谷，對(duì)應(yīng)于三個(gè)弱磁諧振，且三個(gè)反射谷交替出現(xiàn)，同時(shí)反射幅度在整個(gè)觀察頻率范圍6~18GHz內(nèi)均高于0.95，接近于完美反射。從反射相位譜可以看出，φ_xx和φ_yy的相位曲線在觀測(cè)頻率范圍內(nèi)幾乎平行，相位差（φ_yy-φ_xx）在6.95~17.6GHz范圍內(nèi)保持在180°附近（180°±45°）。

如圖10所示，右旋圓極化波激勵(lì)下超表面的同極化反射幅度|r_RR|在6.95~17.6 GHz范圍內(nèi)均大于|r_RR|>0.89，圓極化消光比均大于5.6 dB，具有很好的極化純度，這里|r_LR|為交叉極化反射系數(shù)。同時(shí)還可以看出超表面的同極化反射相位在該頻率范圍內(nèi)嚴(yán)格滿足2φ關(guān)系，具有非常穩(wěn)定的相位梯度。超表面的絕對(duì)帶寬達(dá)到10.6GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到86.2%。

實(shí)施例：1位、2位、3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面

如圖6所示，1位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面由5×5個(gè)圖5所示0模塊和1模塊按圖1所示的1位隨機(jī)序列排列組成，各模塊的周期完全相同且為60×60 mm²，總旋轉(zhuǎn)單元數(shù)目為25×25個(gè)，總口徑大小為L_x×L_y=300×300 mm²。每個(gè)模塊由5×5尺寸相同的基本單元通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度形成。

一方面，由于拋物梯度模塊能引入更大的隨機(jī)性，可以看成沿圓周方向由無(wú)窮個(gè)徑向線性梯度組成，根究廣義Snell折射定律，這些徑向線性梯度必然產(chǎn)生沿圓周方向上的拉力，由于拉力趨于均勻，同時(shí)將模塊進(jìn)行隨機(jī)分布，使其電磁散射波被更均勻地打散，其入射電磁波將會(huì)散射到各個(gè)方位角上，從而達(dá)到全角度均一化散射特性。另一方面，由于拋物梯度通過(guò)PB相位旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，超表面在任意極化方向上產(chǎn)生梯度的機(jī)會(huì)是近似均等的，因此具有極化不敏感性。

為驗(yàn)證和揭示拋物梯度模塊的工作機(jī)理，首先基于陣列理論來(lái)理論計(jì)算模塊、陣因子與整個(gè)超表面的散射特性。根據(jù)陣列理論，模塊和陣因子的散射方向圖可以計(jì)算為：

(2a)

(2a)

進(jìn)而可計(jì)算整個(gè)超表面的散射方向圖為：

(3)

由于單元的反射幅度趨近于1，對(duì)其作==1簡(jiǎn)化處理，這里，，，(和為沿x、y方向的單元周期，和為沿x、y方向的模塊周期，為波束)，和為位置(m, n)處的單元和模塊相位。最終計(jì)算的收斂與發(fā)散拋物梯度模塊散射方向圖如圖11所示，可以看出無(wú)論是收斂還是發(fā)散情形下，除后向散射顯著減小外，拋物梯度模塊將將能量很好地散射在8個(gè)特定方向上，具有非常好的固有多向散射特性，需要說(shuō)明的是本發(fā)名拋物梯度模塊多向散射能量的不均勻性由方形布局決定，若將模塊設(shè)計(jì)成圓形布局，電磁波束散射能量將均勻地分布在各方位角度上，達(dá)到全角度散射，但圓形模塊難于設(shè)計(jì)超表面，尤其在相鄰模塊連接處存在盲區(qū)。

為進(jìn)一步對(duì)理論和模塊工作機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，采用仿真軟件CST對(duì)周期旋轉(zhuǎn)拋物梯度周期超表面進(jìn)行電磁仿真，如圖12（a）所示，其中xoy面對(duì)應(yīng)四個(gè)邊界均設(shè)置成開(kāi)放邊界，平面波沿-z方向垂直入射。超表面由5×5個(gè)圖5所示的0模塊在二維方向周期延拓組成，總單元數(shù)目為25×25個(gè)，總口徑大小為L_x×L_y=300×300 mm²。如圖12（b）所示，即使旋轉(zhuǎn)拋物梯度模塊均勻周期分布，超表面也具有很好后向散射抑制特性，x、y、LCP和RCP四種極化下散射特性幾乎相同，具有完美的極化不依賴(lài)性，在6.95~17.6 GHz均可觀察到明顯的RCS減縮特性，RCS減縮帶寬與圖9、圖10顯示的單元工作帶寬完全吻合，其中6 dB RCS減縮帶寬為9.5~17.6 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)60%，6.95~9.5 GHz范圍內(nèi)RCS減縮低于6 dB由單元的相位偏差引起。如圖12（c）和12（d）所示，工作帶寬內(nèi)，散射波束較均一地分布在φ=0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°等8個(gè)方向上，該特性在寬頻范圍各頻率處具有非常好的魯棒性，根據(jù)能量守恒定律，由于能量重新分布在更多方向，超表面的后向散射必定減小，而在低頻邊緣頻率6GHz和高頻邊緣頻率18GHz之外，主軸和對(duì)角上的散射波束逐漸消失，出現(xiàn)類(lèi)似于良導(dǎo)體（PEC）的單波束后向散射特性。

上述結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)拋物梯度模塊具有固有打散電磁波的能力和特性，而且該特性對(duì)不同極化具有很好的魯棒性。同時(shí)，還應(yīng)看到盡管電磁波經(jīng)方形旋轉(zhuǎn)拋物梯度模塊后散射波束有一定打散，但并不能得到全向均勻散射波束。若進(jìn)行多位數(shù)字設(shè)計(jì)，根據(jù)惠更斯原理和漫反射理論其能量將以這些固有波束為新的子波源，在空間發(fā)生產(chǎn)生新的干涉并產(chǎn)生更多的子波源，空間散射能量較旋轉(zhuǎn)拋物梯度周期超表面將更加平滑、均勻，能量被打散和均一化在更多角度上。

為對(duì)發(fā)明的旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的全極化、全角度散射特性進(jìn)行驗(yàn)證，圖13給出了CST仿真計(jì)算的1位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面后向RCS減縮特性和散射方向圖。從圖13（a）可以看出，相比于圖12所示的非數(shù)字超表面，整個(gè)觀察頻段內(nèi)數(shù)字超表面的后向散射RCS均明顯減小，其中RCS減縮值在13.2~14.7GHz范圍內(nèi)達(dá)到20 dB以上，7 dB RCS減縮帶寬為7~18GHz，與單元PB相位帶寬完全吻合，相對(duì)帶寬達(dá)88%。從圖13（b）可以看出，隨著入射角θ的增大旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面后向RCS稍有惡化，但即便在大角度入射情形下依然保持良好的超寬帶RCS減縮特性，當(dāng)θ=15°、30°和45°時(shí)，RCS減縮值在上述寬頻范圍內(nèi)均低于-5dB，甚至當(dāng)θ=60°時(shí)依然具有明顯的RCS減縮效果。雖然均勻模塊數(shù)字超表面也能獲得相似的寬帶后向RCS減縮特性，甚至在高頻處具有更低的后向RCS，但理論計(jì)算結(jié)果（圖13（c））與數(shù)值仿真結(jié)果（圖13（h）-（k））均表明良好的RCS減縮特性?xún)H維持在后向散射方向上，而在其它特定方向上較強(qiáng)的散射信號(hào)使得超表面在雙站RCS探測(cè)體制下隱身性能可能失效，均勻模塊數(shù)字超表面只能將電磁散射信號(hào)打散在偏離θ=0°的幾個(gè)特定方向上而很難做到均勻打散，該部分漫反射特性使得目標(biāo)在雙站RCS檢測(cè)下仍然有很大的被發(fā)現(xiàn)幾率，而旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的最大輻射方向發(fā)生在后向散射方向上，其后向散射代表全空域最高散射值。相反，如圖13（d）-（g）所示，本發(fā)明旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面能在超寬帶工作頻率范圍內(nèi)將電磁散射信號(hào)均勻打散在各個(gè)方向上，形成一個(gè)無(wú)規(guī)律、雜亂且在高低角和方位角上趨近于均勻分布的全漫反射波。該漫反射特性并不由模塊的周期效果引起，圖13（c）理論計(jì)算的全1或全0均勻模塊超表面類(lèi)似于PEC的散射行為驗(yàn)證了該結(jié)論。

為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明方法不依賴(lài)于多位數(shù)字超表面的“編碼位數(shù)”，采用相同的方法對(duì)發(fā)明對(duì)2位和3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面也進(jìn)行了數(shù)值仿真和理論計(jì)算，如圖14和15所示。與1位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面類(lèi)似，2位和3位旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面在7~18GHz范圍內(nèi)具有幾乎相同的全向均勻漫反射特性，且該特性不依賴(lài)于激勵(lì)信號(hào)的極化，對(duì)任意極化方向的線極化、左旋和右旋圓極化波激勵(lì)均適用，電磁散射特性對(duì)“編碼位數(shù)”不敏感。同時(shí)，大量的仿真結(jié)果還表明旋轉(zhuǎn)拋物梯度多位數(shù)字超表面的超寬帶漫反射行為對(duì)編碼序列具有很好的魯棒性，因此無(wú)需優(yōu)化編碼序列。而2位和3位均勻模塊數(shù)字超表面與1位情形類(lèi)似，電磁信號(hào)仍然被散射到幾個(gè)特殊方向，形成部分漫反射。旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面全漫反射行為和均勻模塊數(shù)字超表面部分漫反射行為的物理機(jī)制還可以通過(guò)近場(chǎng)分布E_x來(lái)理解并得到進(jìn)一步佐證，如圖14（b）、14（d）與圖15（b）、15（d）所示。對(duì)比旋轉(zhuǎn)拋物梯度和均勻模塊2位數(shù)字超表面、3位數(shù)字超表面，可以看出，碎片化、雜亂無(wú)章的近場(chǎng)分布表明旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的近場(chǎng)被顯著打散，解釋并進(jìn)一步驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面均一化遠(yuǎn)場(chǎng)散射波束的能力和固有電磁特性，而均勻模塊數(shù)字超表面附近只顯示幾種狀態(tài)的近場(chǎng)分布，只能部分打散電磁波。綜上，近場(chǎng)分布、遠(yuǎn)場(chǎng)散射方向圖均顯示旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面的全極化、全角度電磁隱身特性，該特性不依賴(lài)于數(shù)字超表面的編碼序列和編碼位數(shù)影響，具有非常好的魯棒性，且工作帶寬由單元微結(jié)構(gòu)決定，而全極化、全角度散射特性由模塊結(jié)構(gòu)決定，而模塊的宏觀排列和布局對(duì)帶寬和散射特性影響均較小，同時(shí)收斂旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面和發(fā)散旋轉(zhuǎn)拋物梯度數(shù)字超表面具有相同電磁散射特性。而已有均勻模塊數(shù)字超表面最大輻射能量雖然偏離了后向散射方向，但其它方向上的散射能量依然較大，對(duì)于雙站RCS探測(cè)隱身特性失效，為使其均勻打散并產(chǎn)生全漫反射，需要耗費(fèi)大量時(shí)間精心優(yōu)化模塊排列，但帶寬難于保證。