CN104201468A - X/k波段复合超材料及天线罩和天线阵一体化结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料和天线罩技术领域，公开了一种X/K波段复合超材料，包括非导电材料制成的介质基板，所述介质基板下表面附着的金属箔层和所述介质基板上表面附着的电阻薄膜层，所述介质基板、金属箔层和电阻薄膜层被虚拟地划分为多个周期性排布的单元结构；在所述单元结构的金属箔层上蚀刻出一个正方形金属箔；在所述单元结构的电阻薄膜层上溅射出一个正方形环状电阻薄膜；在所述正方形金属箔上镂空有两条大小相同且相互垂直的缝隙。本发明中X/K波段复合超材料中频率选择表面结构能使圆极化微带贴片天线阵在K波段保持良好的辐射特性，同时，在X波段，复合超材料中吸波材料结构能吸收入射电磁来波，达到隐身目的。

Description

X/K波段复合超材料及天线罩和天线阵一体化结构

技术领域

本发明属于材料和天线罩技术领域，具体涉及一种X/K波段复合超材料及天线罩和天线阵一体化结构。

背景技术

超材料是一种人工合成材料，通过将亚波长单元结构周期性排列在介质基板的表面或嵌入介质基板内部来改变介质基板的电磁特性。当电磁波照射超材料时，不同的亚波长单元结构可使介质基板产生不同的等效介电常数和等效磁导率，从而对电磁波产生不同的操控功能。亚波长单元结构可以由附着在非导电介质基板上的金属箔、电阻薄膜、和磁性材料等实现。一方面，介质基板上周期性排布的具有几何图形的金属箔结构可以实现频率选择的滤波功能。另一方面，可通过在介质基板下表面全部敷上金属箔，其上表面制作出周期性排布或非周期性的电阻薄膜或磁性材料结构来实现吸波功能。将具有频率选择功能的超材料应用于天线罩上，可提高天线罩‐天线阵一体化结构的辐射性能。但由于频率选择超材料中有金属结构，不利于天线罩‐天线阵一体化结构的雷达散射截面(RCS)的缩减。一般通过改变天线罩外形结构或尺寸来达到缩减一体化结构RCS的作用。将具有吸波功能的超材料应用于天线罩上，可以吸收入射电磁波，缩减天线罩‐天线阵一体化结构的RCS，实现隐身的目的。但应避免吸波材料结构影响透波频带内天线罩‐天线阵一体化结构的辐射性能。目前，已有将频率选择材料和吸波材料复合的超材料用于天线罩领域。但这类复合超材料均是在C波段以下一个较窄的频带内具有透波特性，在C波段以上实现吸波特性。在实际工程应用中，有需要在频带高端实现透波，在频带低端实现吸波的切实需求。目前，国内外还没有文献显示已有发明创新填补了这项技术空白。

发明内容

针对现有复合超材料技术的仅在频带低端的一个较窄频带(低于C波段)内具有透波特性，在频带高端(高于C波段)具有吸波特性的缺陷，提供一种X/K波段复合超材料。

本发明解决上述技术问题基本思路：构造一种复合超材料，包括一块非导材料制成的电介质基板，频率选择超材料层和吸波超材料层。两层超材料均以同一块介质基板为衬底，分别附着在介质基板的上下表面上。功能不同的两层超材料片层分别由各自的多个单元结构周期性排布而成，由该复合超材料制作的天线罩可以在K波段实现透波性能，在X波段实现吸波性能。

具体技术方案：

本发明提出一种X/K波段复合超材料，包括非导电材料制成的介质基板103，所述介质基板下表面附着的金属箔层和所述介质基板上表面附着的电阻薄膜层，所述介质基板、金属箔层和电阻薄膜层被虚拟地划分为多个周期性排布的单元结构102；在所述单元结构102的金属箔层上蚀刻出一个正方形金属箔104；在所述单元结构的电阻薄膜层上溅射出一个正方形环状电阻薄膜106；在所述正方形金属箔104上镂空有两条大小相同且相互垂直的缝隙105。

进一步地，所述单元结构102为正方形，边长为6mm。

进一步地，所述正方形金属箔104的长和宽均为5.5mm。

进一步地，所述缝隙105的中心点与所述正方形金属箔104的中心点重合，所述缝隙105的长度方向分别与正方形两条对角线方向重合。

进一步地，所述缝隙105的长为5.2mm，宽为0.5mm；所述正方形环状电阻薄膜的外边长为5.2mm和内边长为4.4mm。

进一步地，所述介质基板的厚度为4.3mm，所述金属箔层的厚度为0.018mm，所述电阻薄膜层的厚度为0.018mm。

进一步地，所述介质基板采用高频微波板材制得；所述金属箔层为金箔或银箔或铜箔。

进一步地，所述正方形环状电阻薄膜104的表面电阻率为50欧姆/平方。

本发明还公开了一种天线罩，其包括上述的X/K波段复合超材料,用于罩设在天线系统上，

本发明还公开了一种天线罩-天线阵一体化结构，其包括上述的天线罩以及圆极化微带贴片天线阵，所述天线罩与所述圆极化微带贴片天线阵相对设置，天线罩上的金属箔层与天线阵上的微带贴片天线层相对，间距大于一个自由空间波长，通过介质棒固定连接，所述圆极化微带贴片天线阵的构造可以采用本领域内的通用结构。

采用本发明具有以下有益效果：本发明中X/K波段复合超材料中频率选择表面结构能使圆极化微带贴片天线阵在K波段保持良好的辐射特性，能自由通信；同时，在X波段，复合超材料中吸波材料结构能吸收入射到天线罩‐天线阵一体化结构的电磁来波，降低该一体化结构的RCS，达到隐身目的。

附图说明

图1是本发明中X/K波段复合超材料的剖面结构示意图；

图2是本发明中X/K波段复合超材料介质基板下表面上的正方形金属箔结构示意图；

图3是本发明中X/K波段复合超材料介质基板上表面上的正方形环状电阻薄膜结构示意图；

图4是本发明中的圆极化微带贴片天线阵结构示意图；

图5本发明中天线罩‐天线阵一体化结构；

图6本发明中当TE波沿‐z方向照射X/K波段复合超材料单元结构时，单元结构的透射/反射系数(T/R coefficients)随频率(Freq)变化示意图(入射波为‐z方向，即来波从电阻薄膜层到金属箔层方向传播)；

图7本发明中当TE波沿+z方向照射X/K波段复合超材料单元结构时，单元结构的透射/反射系数随频率变化示意图(入射波为+z方向，即来波从金属箔层到电阻薄膜层方向传播)；

图8本发明中当TM波沿‐z方向照射X/K波段复合超材料单元结构时，单元结构的透射/反射系数随频率变化示意图(入射波为‐z方向，即来波从电阻薄膜层到金属箔层方向传播)；

图9本发明中当TM波沿+z方向照射X/K波段复合超材料单元结构时，单元结构的透射/反射系数随频率变化示意图(入射波为+z方向，即来波从金属箔层到电阻薄膜层方向传播)；

图10是在K波段，不带天线罩的天线阵与本发明天线罩‐天线阵一体化结构的增益(Gain)随频率变化的对比示意图；

图11是在K波段，不带天线罩的天线阵与本发明天线罩‐天线阵一体化结构的轴比(AR)随频率变化的对比示意图；

图12是在21GHz处，不带天线罩的天线阵与本发明天线罩‐天线阵一体化结构的辐射方向图(E面和H面)对比示意图；

图13是在X波段，当入射平面电磁波沿‐z方向分别照射不带罩天线阵与本发明天线罩‐天线阵一体化结构时，它们的单站RCS(Monostatic RCS)随频率变化的对比示意图；

图14是在10GHz频率点上，当入射平面电磁波沿‐z方向分别照射不带罩天线阵与本发明的天线罩‐天线阵一体化结构时，二者在E面和H面上的双站RCS(Bistatic RCS)对比示意图。

图1至图14中，x、y、z表示坐标轴，由三个坐标轴组成的坐标系。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种X/K波段复合超材料100，如图1所示，包括非导电材料制成的介质基板103，所述介质基板下表面附着的金属箔层和所述介质基板上表面附着的电阻薄膜层，所述介质基板、金属箔层和电阻薄膜层被虚拟地划分为多个周期性排布的单元结构102；在所述单元结构102的金属箔层上蚀刻出一个正方形金属箔104；在所述单元结构的电阻薄膜层上溅射出一个正方形环状电阻薄膜106；在所述正方形金属箔104上镂空有两条大小相同且相互垂直的缝隙105。

其中，在含有正方形金属箔104和正方形环状电阻薄膜106的介质基板103上下表面可以再分别涂一层相对介电常数为3.4，介电损耗为0.02～0.03，厚度为15～20μm的阻焊层以保护单元结构。

非导电材料可以有多种选择，可以采用如玻璃纤维环氧树脂FR-4，聚四氟乙烯PTFE，ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)，Rogers公司的RT/duroid 5880和6002系列板材，Arlon公司的CLTE及CLTE-XT等介质基板。

当选择不同的超材料介质基板时，金属箔和电阻薄膜的结构尺寸参数需做适当的调整，以使复合超材料在特定频带达到较好的电磁性能。每一个单元结构102包括超材料介质基板103，一个正方形金属箔104，和一个正方形环状电阻薄膜106。一个正方形金属箔104和所对应的一个正方形环状电阻薄膜106的中心点在XOY平面坐标位置相同。本实施例中，每个单元结构102的长和宽均为6mm。介质基板采用相对介电常数为2.94，介电损耗为0.0012的高频微波板材CLTE-XT制得，厚度为4.3mm。

如图2所示，X/K波段复合超材料介质基板下表面上的正方形金属箔的结构示意图。超材料介质基板103总的长和宽均为62mm，即：7个单元结构大小加20mm。留出的20mm有利于加工超材料螺纹孔107，如图5所示，便于组装实现天线罩-天线阵一体化结构300。在超材料介质基板103下表面上附着有正方形金属箔104。每个正方形金属箔104上镂空有缝隙105。正方形金属箔104可以是金箔，银箔或铜箔，本实施例中，采用铜箔，厚度为0.018mm，边长为5.5mm。缝隙105的长为5.2mm、宽为0.5mm。超材料螺纹孔107用于插入带螺纹的介质棒301以固定天线罩101和天线阵200的相对位置，实现天线罩-天线阵一体化结构300。螺纹孔107的尺寸为小螺纹孔1072直径为4mm～6mm，大螺纹孔1071直径为6mm～8mm。设置大螺纹孔1071和小螺纹孔1072的目的是为了便于固定介质棒301。

如图3所示，X/K波段复合超材料介质基板上表面的正方形环状电阻薄膜结构示意图。正方形环状电阻薄膜106需要和超材料介质基板103下表面的正方形金属箔104对应结合在一起才能起到吸波作用，正方形环状电阻薄膜106的外边长为5.2mm，内边长为4.4mm。正方形环状电阻薄膜106的表面电阻率为50欧姆/平方。

如图4所示，本发明中设计了一个具有16个微带贴片单元203的圆极化微带贴片天线阵200。该天线阵200的天线阵介质基板204可选用相对介电常数为2.2～2.94，介电损耗不超过0.005，厚度为0.5～2mm的高频微波板材，本发明对此不作限制，可以采用现有技术中的介质基板。天线阵上的介质基板204与本发明中的介质基板103的尺寸大小一致。同轴线通过天线阵介质基板204上的通孔201穿过天线阵介质基板204，并与微带线202焊接在一起对天线阵200进行馈电。天线阵螺纹孔205用于插入介质棒301实现天线罩‐天线阵一体化结构300。

如图5所示，本发明中的天线罩‐天线阵一体化结构300。天线罩101与天线阵200之间的间距大于一个自由空间波长。该波长对应透波频带的中心频点。本发明中间距为20mm。天线罩101上的金属箔层与天线阵200的微带贴片天线203层相对。

图6至图14是通过全波高频仿真软件HFSS进行仿真实验后得到的图形数据的对比，对本发明的有益效果进行说明。

如图6所示，当TE波沿‐z方向照射一个复合超材料单元结构时，该单元结构产生的随频率(Freq)变化的透射/反射特性，用透射/反射系数(T/Rcoefficients)表示。在此方向上，电磁波先经过电阻薄膜再经过金属箔。在研究一个X/K波段复合超材料单元结构时，其边界条件和激励与传统研究频率选择表面单元结构的方式一致：将边界条件设置为周期边界条件和将激励设置为Floquet端口激励模式。从图中可以看出透波频带在K波段内，中心频点为21GHz。在该频点附近1GHz的频带内S21≈‐2.5dB。吸波频带为X波段中9.5～12GHz频带内。

如图7所示，当TE波沿+z方向照射一个复合超材料单元结构时，即电磁波先经过金属箔再经过电阻薄膜，该单元结构产生的随频率变化的透射/反射特性。从图中可以看出透波频带性能不变，但吸波频带消失。

如图8所示，当TM波沿‐z方向照射复合超材料单元结构时，该单元结构产生的随频率变化的透射/反射特性。

如图9所示，当TM波沿+z方向照射复合超材料单元结构时，该单元结构产生的随频率变化的透射/反射特性。

图6与图8相比以及图7与图9相比，可以看出：在整个频段内，无论TE波照射还是TM波照射该单元结构，其透射/反射特性基本保持一致，可以看出该单元结构对电磁波的极化不敏感。

如图10所示，在K波段，不带天线罩的天线阵与本发明中的天线罩‐天线阵一体化结构300的增益(Gain)随频率变化的对比示意图。从图中可以看出，X/K波段复合超材料天线罩101在K波段的低端频带内对天线阵200有较大影响。在中心频点21GHz附近1GHz频带范围内，对天线阵200的增益改变仅为0.5～1dB。而微带贴片天线属于一种谐振式天线，其频带较窄仅为0.6％～3％。因此，该复合超材料天线罩101能在微带贴片天线工作频段内发挥良好作用。

图11示出了在K波段，不带天线罩101的天线阵200与本发明中的天线罩‐天线阵一体化结构300的轴比(AR)随频率变化的对比情况。图中可以看到在中心频点21GHz上，天线罩101给天线阵200带来的影响是使天线阵200的轴比增大了0.6dB。在中心频点21GHz附近的1GHz频带上，天线罩101使天线阵200的轴比增大了0.6dB～1dB。

图12示出了在21GHz频点上和在极坐标下两个主平面(E平面和H平面)上，不带天线罩101的天线阵200和本发明中的天线罩‐天线阵一体化结构300的辐射方向图对比图。由此图可以看出X/K波段复合超材料天线罩101对天线阵200的方向图影响很小，在主瓣方向其增益相差0.7dB。

在透波频带内，虽然天线罩101因正方形环状电阻薄膜的吸波特性导致其插损大于无电阻薄膜结构的普通频率选择表面超材料天线罩的插损，但是天线罩101的介质基板较厚，足以起到聚束作用，以弥补正方形环状电阻薄膜的吸波作用。故当带正方形环状电阻薄膜的X/K波段复合超材料制成天线罩时，对天线阵的辐射性能改变很小。

图13示出了在X波段，当入射平面电磁波沿‐z方向分别照射不带罩天线阵200与本发明中的天线罩‐天线阵一体化结构300时，它们的单站RCS(Monostatic RCS)随频率变化的对比情况。可以看见，在X波段内吸波材料发挥了较大作用，在中心频点10GHz附近将近2GHz的频带范围内，使单站RCS缩减了1～9dB。在8GHz处，使天线阵200的单站RCS缩小程度最大，达到11dB。

图14示出在10GHz频率点上，当入射平面电磁波沿‐z方向分别照射不带罩天线阵200与本发明中的天线罩‐天线阵一体化结构300时，二者的双站RCS(Bistatic RCS)对比情况。每种结构的双站RCS特性分别通过极坐标轴下的E面和H面双站RCS曲线来展现。可以看到在天线阵200的法线方向，迎着入射平面电磁波照射的方向，天线罩101使天线阵200的双站RCS缩减了8dB，使天线阵200很好地达到了隐身的目的，切实满足了实际工程需要。

进一步地，应当指出，本发明并不局限于以上特定实施例，本领域技术人员可以在权利要求的保护范围内做出任何变形或改进，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种X/K波段复合超材料，其特征在于：包括非导电材料制成的介质基板(103)，所述介质基板下表面附着的金属箔层和所述介质基板上表面附着的电阻薄膜层；所述介质基板、金属箔层和电阻薄膜层被虚拟地划分为多个周期性排布的单元结构(102)；在所述单元结构(102)的金属箔层上蚀刻出一个正方形金属箔(104)；在所述单元结构的电阻薄膜层上溅射出一个正方形环状电阻薄膜(106)；在所述正方形金属箔(104)上镂空有两条大小相同且相互垂直的缝隙(105)。 

2.根据权利要求1所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述单元结构为正方形，边长为6mm。 

3.根据权利要求1所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述正方形金属箔的长和宽均为5.5mm。 

4.根据权利要求1所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述缝隙(105)的中心点与所述正方形金属箔(104)的中心点重合，所述缝隙(105)的长度方向分别与正方形两条对角线方向重合。 

5.根据权利要求4所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述缝隙(105)的长为5.2mm，宽为0.5mm；所述正方形环状电阻薄膜的外边长为5.2mm和内边长为4.4mm。 

6.根据权利要求1所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述介质基板的厚度为4.3mm，所述金属箔层的厚度为0.018mm，所述电阻薄膜层的厚度为0.018mm。 

7.根据权利要求1所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述介质基板采用高频微波板材制得；所述金属箔层为金箔或银箔或铜箔。 

8.根据权利要求1所述的X/K波段复合超材料，其特征在于：所述正方形 环状电阻薄膜(104)的表面电阻率为50欧姆/平方。 

9.一种天线罩，其特征在于：用于罩设在天线系统上，包括如权利要求1至8任一项所述的X/K波段复合超材料。 

10.一种天线罩-天线阵一体化结构，其特征在于，包括如权利要求9所述的天线罩以及圆极化微带贴片天线阵，所述天线罩与所述圆极化微带贴片天线阵相对设置，天线罩上的金属箔层与天线阵上的微带贴片天线层相对，间距大于一个自由空间波长，通过介质棒固定连接。