CN105576383B - 一种超薄双侧吸波频选超材料及其天线罩和天线系统 - Google Patents

一种超薄双侧吸波频选超材料及其天线罩和天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料和天线罩技术领域，具体涉及一种超薄双侧吸波频选超材料及其天线罩和天线系统。所述超薄双侧吸波频选超材料被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构；所述正方形单元结构包括介质基板、附着在介质基板上表面的正方形环状电阻薄膜、附着在介质基板下表面的梳齿状频率选择表面周期结构。本发明的天线罩，用于罩设在天线系统上，包括上述的超薄双侧吸波频选超材料。一种天线系统，包括天线以及上述的天线罩。本发明超材料能使天线在Ku波段保持良好的辐射特性，能自由收发通信；同时，在Ku波段两侧的X波段和K波段内，本发明超材料具有吸波特性的电阻薄膜以正方形金属贴片层为接地面，很好地吸收了入射到天线罩的来波。

Description

一种超薄双侧吸波频选超材料及其天线罩和天线系统
技术领域
本发明属于材料和天线罩技术领域，具体涉及一种超薄双侧吸波频选超材料及其天线罩和天线系统。
背景技术
超材料是一种人工周期性复合材料，以介质基板为衬底，将金属箔，集总电阻电容或电阻电容薄膜和磁性材料组成的超材料结构单元排列在介质基板上。当电磁波照射到这种特殊的超材料时，其电磁特性发生改变，通过单元结构的设计，实现电磁波操控，达到频率选择的目的，使超材料在特定频带上实现不同的功能。
具有频选功能的超材料研究已经较为深入，并大量应用于天线罩领域。该种超材料天线罩能让工作频段内的电磁波顺利通过天线罩，而对带外的电磁波形成反射。为了减小这种天线罩-天线一体化结构的雷达散射截面(RCS)，往往只能通过改变这种天线罩的外形来实现，并且只减少了来波方向的RCS。为了进一步减少天线系统的RCS，实现武器系统更好的隐身，近几年来，一种新型超材料已逐渐变为新的研究热点，它不再仅依靠有限地改变频选超材料天线罩的外形来实现RCS缩减。这类天线罩的结构单元里不仅有频率选择功能部分，同时具有吸波功能部分。这样，在电磁特性上，此类天线罩不仅有通频带，而且有吸波频带。
目前，有一些文献资料显示已利用金属箔、集总电阻或磁性材料加载 介质基板的超材料实现了同时具有透波和吸波的复合超材料。这些复合超材料在频带内特性相似：在一个较宽的频带里，均具有一个通带和一个吸波频带。吸波频带或高于通带或低于通带；这些超材料均由多层结构复合而成，加工工艺复杂；这些超材料厚度较厚，实物重量大。此外，这些复合超材料的通带带宽大多数是一个瓶颈，普遍较窄，往往在一个频点附近有较好的透波特性。
而实际需求中，应用于天线罩的复合超材料不仅要求透波通带有一定带宽，在通带外双侧的高低频带上也要求有吸波特性，从而降低带外雷达散射截面，增强被罩天线的隐蔽性。另一方面，受加工技术的限制，层数越少的板子越容易加工，加工成本越低，性能更有保证。其厚度越薄，重量相对来说越轻，对于有隐身性能要求的天线罩来说，实用性更强。目前，可查阅文献中尚未发现已有轻、薄、层数较少，同时具有在工作频带双侧吸波特性好的超材料的相关研究成果。
发明内容
针对现有复合超材料天线罩的透波通带窄且仅在透波通带外单侧形成吸波特性，设计复杂及密度较大的缺陷，提供了一种Ku波段透波，X波段和K波段吸波的复合超材料。具体技术方案如下，
一种超薄双侧吸波频选超材料，所述超薄双侧吸波频选超材料被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构103；所述正方形单元结构包括介质基板100、附着在介质基板上表面的正方形环状电阻薄膜101、附着在介质基板下表面的梳齿状频率选择表面周期结构102。
进一步地，所述正方形单元结构103的周期为17毫米。
进一步地，所述正方形环状电阻薄膜101的中心点和正方形单元结构103的中心点重合。
进一步地，所述正方形环状电阻薄膜101的外边长为15毫米，内边长为11毫米。
进一步地，所述梳齿状频率选择表面周期结构102由一个正方形金属贴片105上蚀刻出来的四个梳齿状缝隙对1061，1062，1063，1064构成。
进一步地，所述正方形金属贴片105的中心点和正方形单元结构103的中心点重合。
进一步地，所述梳齿状缝隙对1061，1062,1063，1064由两条相对的梳齿状缝隙组成。
进一步地，所述正方形单元结构103中的介质基板厚度为5毫米、正方形环状电阻薄膜厚度为0.035毫米、梳齿状频率选择表面周期结构厚度为0.035毫米。
进一步地，介质基板采用的是Taconic公司的TSM-DS3。
进一步地，电阻薄膜的阻值为50欧姆/平方。金属箔采用金箔或银箔或铜箔。
本发明还提供了一种天线罩，用于罩设在天线系统上，包括上述的超薄双侧吸波频选超材料。
本发明还提供了一种天线系统，包括上述的天线罩以及天线，所述天线罩罩设于天线上。
采用本发明具有以下有益效果：本发明中超薄双侧吸波频选超材料实现频率选择的梳齿状频率选择表面周期结构能使天线在Ku波段保持良好 的辐射特性，能自由收发通信；同时，在Ku波段两侧的X波段和K波段内，本发明超材料制作的天线罩中具有吸波特性的电阻薄膜以正方形金属贴片层为接地面，很好地吸收了入射到天线罩的来波，由此大大缩减了该天线在这些频带内的雷达散射截面(RCS)，实现天线的隐身目的。
附图说明
图1是本发明超薄双侧吸波频选超材料的剖面结构示意图；
图2是本发明正方形单元结构中介质基板上表面的电阻薄膜结构示意图；
图3是本发明正方形单元结构中介质基板下表面的梳齿状频率选择表面周期结构示意图；
图4是本发明中梳齿状缝隙对结构示意图；
图5是本发明中当线极化平面电磁波沿-z方向照射超薄双侧吸波频选超材料正方形单元结构时，正方形单元结构的透射(Transmission)/反射(Reflection)系数(T/RCoefficients)随频率(Freq)变化示意图，S11表示反射系数，S21表示透射系数；
图6是本发明中当线极化平面电磁波沿+z方向照射超薄双侧吸波频选超材料正方形单元结构时，正方形单元结构的透射/反射系数(T/R Coefficients)随频率(Freq)变化示意图，S12表示透射系数，S22表示反射系数；
图7是用本发明超材料制成的天线罩架设在腔体缝隙阵列天线上的天线系统示意图；
图8是在Ku频带内，本发明中不带罩腔体缝隙阵列天线(only antenna) 与带本发明超材料天线罩的天线系统(antenna with radome)的增益(Gain)随频率(Freq)变化的对比示意图(Phi＝0deg；Theta＝0deg代表最大辐射方向所对应的天线增益)；
图9中(a)图是在15GHz频点上，本发明中不带罩腔体缝隙阵列天线(onlyantenna)的E面(Phi＝0deg)和H面(Phi＝90deg)辐射方向图；(b)图是在15GHz频点上，带本发明超材料天线罩的天线系统(antenna with radome)的E面(Phi＝0deg)和H面(Phi＝90deg)辐射方向图；
图10是在1GHz到30GHz频带内，不带罩腔体缝隙阵列天线(only antenna)与本发明中带超材料天线罩的天线系统(antenna with radome)的在平面波垂直照射条件下单站RCS(Monostatic RCS)随频率(Freq)变化的对比示意图(Phi＝0deg；Theta＝0deg为选择的观察方向-天线系统前向辐射方向)。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种超薄双侧吸波频选超材料，所述超薄双侧吸波频选超材料被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构103；所述正方形单元结构包括介质基板100、附着介质基板上表面的正方形环状电阻薄膜101、附着在介质基板下表面的梳齿状频率选择表面周期结构102。实施例中，所述介质基板由非导电材料制成；采用的是Taconic公司的TSM-DS3。正方形环状电阻薄膜的表面电阻率为50欧姆/平方。所述梳齿状频率选择表面周期结构通过蚀刻工艺在正方形金属贴片上制作而成，所述正方形金属贴片可以选择金属箔中的金箔或银箔或铜箔任一种材料。
如图2所示，本发明正方形单元结构中介质基板上表面的电阻薄膜结构示意图；正方形电阻薄膜101的几何中心与介质基板100及正方形单元结构103的几何中心重合。
如图3所示，本发明正方形单元结构中介质基板下表面的梳齿状频率选择表面周期结构示意图；正方形金属贴片105的几何中心与介质基板100及正方形单元结构103的几何中心重合。四个梳齿状缝隙对1061～1064的中心距离正方形单元结构103的几何中心的距离均相等。
如图4所示，在二维直角坐标系下，X，Y表示坐标轴；图中为梳齿状缝隙对的结构示意图。该缝隙对是通过蚀刻工艺在正方形金属贴片上蚀刻出来的。它含有两个梳齿状缝隙10611和10612；每一个梳齿状缝隙有1条X方向的缝隙x01和6条Y方向的缝隙，分别是y01和y01′，y02和y02′，y03和y03′。
本实施例中，正方形金属贴片105的边长为16毫米，沿X方向，梳齿状缝隙10611的中心点O与正方形单元结构103的中心点之间的距离为3.75毫米；沿Y方向，其中心点与正方形单元结构103的中心点之间的距离为2.25毫米。缝隙x01，长度为7毫米，宽度为0.3毫米。沿Y方向，缝隙y01和y01′的长度均为0.3毫米，宽度为0.3毫米。缝隙y02和y02′的长度均为0.6毫米，宽度为0.3毫米。缝隙y03和y03′的长度均为0.8毫米，宽度为0.3毫米。整个介质基板的厚度为5毫米，正方形金属贴片的厚度为0.035毫米，电阻薄膜的厚度为0.035毫米。电阻薄膜的阻抗值为50欧姆/平方。
如图5所示，当线极化平面电磁波沿-z方向照射超薄双侧吸波频选超 材料正方形单元结构时，正方形单元结构的透射(Transmission)/反射(Reflection)系数(T/RCoefficients)随频率(Freq)变化示意图；即在高频全波电磁仿真软件中对单个正方形单元结构103进行建模并仿真，得到一组透射/反射系数。一平面电磁波先经过电阻薄膜再经过介质基板透射到梳齿状频率选择表面周期结构然后穿出这一超材料的正方形单元结构。此种情况下，单个正方形单元结构被主/从边界包裹。可以看到在从14.6GHz到15.6GHz的频带内，该超材料凸显透波特性；从6.9GHz到9.9GHz的频带和从24.9GHz到28.1GHz的频带内该超材料凸显了吸波特性。
如图6所示，利用图5中的模型，改变平面电磁波照射该超材料单元结构的方向，即该平面电磁波从梳齿状频率选择表面周期结构穿进超材料的单元结构，经介质基板及电阻薄膜后穿出该超材料的单元结构。此种情况下，可以看到在14.6GHz到15.6GHz的频带内，该超材料的透波特性依然保持。但从6.9GHz到9.9GHz的频带内和从24.9GHz到28.1GHz的频带内该超材料的吸波特性消失了，可见，本发明的超材料是非互易性材料。
如图7所示，是将用本发明超材料制成的天线罩架设在腔体缝隙阵列天线上的天线系统示意图；实施例中，利用上述超材料构建天线罩，天线罩在X和Y方向均有5个周期，该正方形天线罩的总边长为85毫米。正方形腔体缝隙阵列天线20的边长为78毫米。在Z方向上，天线罩离天线的距离为20毫米。将天线罩放置于天线的前端辐射方向构成了天线系统。
图8是在Ku频带内，本发明中不带罩腔体缝隙阵列天线(only antenna)与带本发明超材料天线罩的天线系统(antenna with radomeantenna with radome)的增益(Gain)随频率(Freq)变化的对比示意图；从带罩天线系 统和不带罩天线系统的增益曲线对比来看，从14.6GHz到15.6GHz的频带内，带罩天线系统和不带罩天线的增益差小于0.5dB。该结果表明，此天线罩对天线或者阵列天线的辐射性能影响很小。
图9(a)是在15GHz频点上，本发明中不带罩腔体缝隙阵列天线(only antenna)的辐射方向图；图9(b)是在15GHz频点上，带本发明超材料天线罩的天线系统(antenna withradome)的辐射方向图；该超材料天线罩对腔体缝隙阵列天线的主瓣影响很小，主要改变了副瓣的分布。
如图10所示，从1GHz到30GHz频带内，带罩天线系统(antenna with radome)和不带罩天线系统(only antenna)的单站RCS(Monostatic RCS)随频率(Freq)变化的两条曲线。
由此图可以看出，从5GHz到12GH和从21.7GHz到30GHz的范围内，本发明超材料天线罩对腔体缝隙阵列天线的单站RCS起到了极大地衰减作用。在8GHz处，本发明超材料天线罩使腔体缝隙阵列天线的单站RCS减小了30dB；在27.4GHz处，本发明超材料天线罩使腔体缝隙阵列天线的单站RCS减小了39.4dB。另外，在该天线罩的通带内，其对腔体缝隙阵列天线的单站RCS也有一定的缩减作用。在通带内13.3GHz处，为通带内天线罩对天线的最大的缩减，其值为13.3dB。
本发明提供一种仅5毫米厚的、仅在介质基板上下表面具有周期性单元结构的超材料。从1GHz到30GHz频带内，该种复合超材料在Ku频带内15GHz附近有一个带宽为1GHz左右的高透波率通带，带内透波率大于90％；在透波通带外左右两侧的X频带和K频带上该超材料都具有显著的吸波特性。
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 (9)

1.一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述超薄双侧吸波频选超材料被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构(103)；所述正方形单元结构包括介质基板(100)、附着在介质基板上表面的正方形环状电阻薄膜(101)、附着在介质基板下表面的梳齿状频率选择表面周期结构(102)；所述梳齿状频率选择表面周期结构(102)由一个正方形金属贴片(105)上蚀刻出来的四个梳齿状缝隙对(1061，1062,1063，1064)构成。
2.如权利要求1所述的一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述正方形单元结构(103)的周期为17毫米。
3.如权利要求1所述的一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述正方形环状电阻薄膜(101)的中心点和正方形单元结构(103)的中心点重合。
4.如权利要求1所述的一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述正方形环状电阻薄膜(101)的外边长为15毫米，内边长为11毫米。
5.如权利要求1所述的一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述正方形金属贴片(105)的中心点和正方形单元结构(103)的中心点重合。
6.如权利要求1所述的一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述梳齿状缝隙对(1061，1062,1063，1064)由两条相对的梳齿状缝隙组成。
7.如权利要求1所述的一种超薄双侧吸波频选超材料，其特征在于：所述正方形单元结构(103)中的介质基板厚度为5毫米、正方形环状电阻薄膜厚度为0.035毫米、梳齿状频率选择表面周期结构厚度为0.035毫米。
8.一种天线罩，其特征在于：用于罩设在天线系统上，包括如权利要求1至7任一项所述的超薄双侧吸波频选超材料。
9.一种天线系统，其特征在于：包括天线以及如权利要求8所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。
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