CN106207480A - 全极化单通带双侧吸波频带复合超材料及天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在不同频段分别呈现一个透波频带和两个吸波频带特性的复合超材料，属于材料和天线罩技术领域。解决的技术问题是针对现有仅在透波通带外高频一侧形成吸波特性的缺陷，提供一种全极化复合超材料。采用的方案是在一块非导电材料制成的介质基板的上下表面各附着一层周期性超材料结构层，即电阻薄膜层和金属箔层，并将该超材料虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，每个正方形单元结构包括介质基板，及介质基板上下面的微单元结构。取得的效果是该超材料出现了双侧吸波特性，很好地吸收了入射到天线罩的来波，使天线的雷达散射截面降低，实现了天线的隐身目的。

Description

全极化单通带双侧吸波频带复合超材料及天线罩
技术领域
本发明涉及一种在不同频段分别呈现一个透波频带和两个吸波频带特性的复合超材料，用以保护天线的天线罩领域。属于材料和天线罩技术领域。
背景技术
超材料是一种人工周期性复合材料。通过对涂覆在介质基板表面的金属箔的几何形状进行设计，甚至结合集中元器件或磁性材料以形成超材料结构来改变原介质基板的电磁特性。通过设计，一些超材料可以实现在特定频段透波或吸波的功能。将这些超材料和天线结合起来，可以提高天线的工作性能。传统天线罩是用几层介质基板复合而成且形状不一的介质罩。这种介质天线罩对在室外工作的天线起到物理保护作用-防风防雨。近年来，在天线罩对天线的电磁特性影响方面投入了更多关注和研究。天线罩不仅对天线起到物理保护，还可以实现电磁保护。天线罩的设计应尽量在天线工作频带内满足损耗小，而在工作频带两侧应想方设法的减少其对来波的反射，所以在通带两侧形成吸波的天线罩的设计将是天线罩的发展方向。天线罩设计好坏影响着天线雷达散射截面RCS(Radar CrossSection)的大小，具有超材料性质的天线罩在机体隐身方面有广泛的需求。
目前，已有一些新型超材料天线罩的研究成果问世。相比通信系统，这些超材料天线罩在雷达系统中有更强的应用。在天线的工作频带内，天线罩对于天线来说是透明的，不影响天线的辐射性能或对天线的辐射性能影响很小；但在高于工作频带或者低于工作频带的地方，还有一个吸波频带，用来吸收对方雷达照射到天线的电磁波。因对方雷达辐射的电磁波被天线罩更多的是吸收而不是反射回去，因此天线罩-天线一体化结构的雷达散射截面RCS被大大地降低了，能更好地实现隐身。所以寻找一种在工作频带两侧均出现吸波带的复合超材料天线罩，很大程度的降低天线的RCS，将显得尤为重要。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。而超材料的现有技术中有通过在介质基板上加载电阻薄膜、集总元件、磁材料等途径在通带的高频一侧实现吸波特性。
频率选择表面FSS(Frequency Selective Surface)可以采取各种方式进行加载，例如电阻薄膜加载，集总元件加载，磁材料加载等。在文献IEEE Trans.Antennas andPropagation,vol.60,no.6,pp.2740-2747,2012中由Filippo Costa and AgostinoMonorchio所撰写的“A Frequency Selective Radome With Wideband AbsorbingProperties”一文中，如图1所示，1为矩形圆环的电阻加载，2是厚度为d的泡沫空间，3则为有一定通带的FSS，三者进行组合，此种结构的超材料在传输通带的右侧形成了吸收带。在文献Electronics letters vol:41,pp:2-4,2005中由A.E.Martynyuk,J.I.MartinezLopez and N.A.Martynyuk撰写的“Active frequency-selective surfaces based onloaded ring slot resonators”一文中，在FSS加载电阻元件，电容，二极管等，通过改变电阻值、电容值以及二极管之间的电压可以改变FSS的传输/反射系数。在IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,vol.13,pp:114-117,2014中由Hang Zhou,Liwei Yang,Shaobo Qu,Kai Wang,Jiafu Wang,Hua Ma,and Zhuo Xu所撰写的“ExperimentalDemonstration of An Absorptive/Transmissive FSS With Magnetic Material”一文中采用FSS加磁性材料，当传输端口朝向磁性吸收薄膜的时候会在传输通带的右侧形成吸收带。加载集总原件形成吸波带，加工复杂度大，制作精度有限。但是这些设计仅仅是在工作频带外单侧(高频)实现了吸波特性，而未实现吸波带一侧(低频)，可以预见通带低频一侧的RCS将不会得到有效抑制。现有技术中通过在非导电材料制成的介质基板上加载电阻薄膜、集总元件或磁材料等周期性结构实现了高频侧的吸波带。但不能解决在低频侧实现吸波带的情况以及同时实现两侧吸波的情况。而对于用作天线罩的超材料来说，为了更好的实现天线的隐身效果，实现两侧吸波是迫切需要解决的一个问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有复合超材料仅在透波通带外高频一侧形成吸波特性的缺陷，提供一种全极化复合超材料。
为解决该问题本发明所采用的技术方案是一种全极化复合超材料，包括一块非导电材料制成的介质基板和在所述介质基板上下表面各附着一层周期性超材料结构层，所述上下表面各附着的一层周期性超材料结构层分别为一层电阻薄膜层和一层金属箔层；所述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10；每个正方形单元结构包括介质基板11，及介质基板上下面的微单元结构。
进一步地，所述微单元结构指电阻薄膜层上的圆环状电阻薄膜12和金属箔层上频率选择表面周期结构13。
进一步地，所述电阻薄膜层上的圆环状电阻薄膜12的圆心和正方形单元结构10的中心点重合。
所述金属箔层上的金属频率选择表面周期结构13由一个正方形金属贴片14，贴片中心处的通孔15及四个圆形贴片和圆环对16组成；
进一步地，所述正方形金属贴片14的中心点和正方形单元结构10的中心点重合。
进一步地，整个介质基板的厚度为4-6毫米，金属箔的厚度为0.02-0.05毫米，电阻薄膜的厚度为0.02-0.05毫米。
进一步地，电阻薄膜的阻抗值为50-100欧姆/平方。
进一步地，介质基板相对介电常数为2-4。
进一步地，所述两层周期性超材料结构层通过蚀刻工艺在介质基板表面上得以实现。
本发明还提供了一种天线罩，用于罩设在天线系统的辐射方向上，包括以上所述的全极化单通带双侧吸波频带复合超材料。
本发明的有益效果是本发明中全极化单通带双侧吸波频带复合超材料实现频率选择的金属贴片层能使天线在Ku波段保持良好的辐射特性，能自由收发通信；同时，通过对阻性薄膜和金属箔层在等面积情况下个数之比为1:4比例的应用，使得通带两侧均实现了吸波特性。很好地吸收了入射到天线罩的来波，故使天线的RCS降低，实现天线的隐身目的。并且通过在PCB板上直接蚀刻的方式进行实物加工，降低了加工难度，提高了制作精度。相对于采用集总元件或磁性材料等吸波材料来产生吸波带的方式来说，本此设计方法降低了成本。
附图说明
图1：FSS加载电阻薄膜的天线罩设计。
图2：本发明中全极化单通带双侧吸波频带复合超材料的单元结构示意图。
图3：本发明中全极化单通带双侧吸波频带复合超材料中介质基板上表面的电阻薄膜层的单元结构示意图。
图4：本发明中全极化单通带双侧吸波频带复合超材料中介质基板下表面的金属箔层单元结构示意图。
图5：本发明中复合超材料天线罩的实物图。
图6：本发明中复合超材料天线罩T/R系数的实测值。
图7：本发明中复合超材料天线罩罩在标准喇叭天线上实测的标准喇叭天线的增益值。
图8：本发明中复合超材料天线罩反射电平的实测值。
图中各符号对应的名称为
1矩形圆环的电阻加载，2厚度为d的泡沫空间，3有一定通带的FSS，4接收喇叭，10正方形单元结构，11介质基板，12圆环状电阻薄膜，13频率选择表面周期结构，14正方形金属贴片，15贴片中心处的通孔，16圆形贴片和圆环对，161圆形贴片，162圆环。
具体实施方式
如图2所示，为本发明所提供的超材料的微单元结构，包括一块非导电材料制成的介质基板11和在所述介质基板上下表面的两层周期性超材料结构层的微单元结构10，分别为圆环状电阻薄膜12和正方形金属频率选择表面13。本实施例中，介质基板使用的是Taconic公司的TSM-DS3非导电材料，整个介质基板的厚度为4-6毫米，介质基板相对介电常数为2-4。圆环状电阻薄膜的表面电阻率为50欧姆/平方。金属箔层可以选择金属箔中的金箔或银箔或铜箔任一种材料，金属箔的厚度为0.02-0.05毫米，电阻薄膜的厚度为0.02-0.05毫米。
如图3所示为电阻薄膜层的单元结构示意图，圆形电阻薄膜12的几何中心与正方形单元结构10的几何中心重合。所述圆环状电阻薄膜12的内半径为3-7毫米，圆环宽度为1-3毫米。
如图4所示为金属贴片层的单元结构示意图，正方形金属贴片14的边长为12-20毫米，贴片14的几何中心与正方形单元结构10的几何中心重合。贴片14中心处的通孔15的半径为1-3毫米，通孔15的几何中心与正方形单元结构10的几何中心重合。在X方向和Y方向上，每个圆形贴片和圆环对16的中心点离正方形单元结构10的中心点的距离均相等，为3-5毫米。每个圆形贴片和圆环对16里圆形贴片161的半径为0.3-1毫米，圆环162的内半径为1-1.5毫米，圆环的宽度为0.4-1.2毫米，圆形贴片161和圆环162之间的缝隙为0.3-0.7毫米。
如图5所示，根据以上的微单元结构加工出来的复合超材料天线罩的实物大小为300×300×5mm3。沿X方向和Y方向，各含有16个正方形单元结构。在测试过程中，首先在收发天线之间不放天线罩，测出一组透射/反射系数作为标准参考值。当收发天线之间不放置天线罩时，透射系数被矢量网络分析仪归一化设置为0dB，反射系数被设置为-30dB。以归一化传输/反射系数为基准，测出本天线罩的传输/反射系数。该图中透射系数为从发射天线辐射出的电磁波透过天线罩被接收天线接收到的电平值。反射系数为接收天线端口处反射回的电平值。如图6所示，由于标准喇叭天线和自由空间匹配良好，因此从5.6GHz以上反射系数均小于-10dB。从15.2GHz到18GHz，透射系数均大于-2dB。
由图6可知，该复合超材料天线罩的通带频带为15.2GHz到18GHz，因此用一个在此频段内工作的标准喇叭进行天线罩-天线一体化结构辐射特性的测试工作。天线工作频带内的中心频点16.6GHz，故自由空间中波长为18毫米。将复合超材料天线罩置于标准喇叭天线辐射前方一个自由空间波长处。复合超材料天线罩金属频率选择表面层面对被罩标准喇叭天线方向。由此测出来的带罩标准喇叭天线和不带罩标准喇叭天线的增益随频率变化的曲线。如图7所示，从15.9GHz到17.7GHz，带罩天线和不带罩天线的增益差小于2dB。在16.9GHz，不带罩天线的增益只比带罩天线的增益高1.5dB。
由于实验条件的限制，不能直接测出天线罩的单站雷达散射截面，只能测出用于计算单站雷达散射截面所需的反射电场电平值来代替。当收发天线放在复合超材料天线罩的同一侧，天线罩的环形电阻薄膜层面向收发天线时，从发射天线辐射出的电磁波照射到天线罩后被反射回来，由接收天线截获到反射电场的电平值。用同样面积的金属平板代替天线罩，测到金属平板的反射电场电平值作为比较。
如图8所示，在3.9GHz～30GHz的频带范围内，复合超材料天线罩在三个频段内出现了吸波特性：3.9GHz～10.9GHz，12.7GHz～19.5GHz,和21.5GHz～27.7GHz。其中，在8.53GHz处，天线罩的反射电场电平值比金属平板的低16.5dB；在16.55GHz处，天线罩的反射电场电平值比金属平板的低11.8dB；在25.05GHz，天线罩的反射电场电平值比金属平板的低13.8dB。由此可以看出，在天线罩的两个吸波频带内，天线罩能很好地吸收来波，从而降低了天线的雷达散射截面(RCS)，使天线很好地隐身。即使在天线工作的通带内，天线罩对减小天线雷达散射截面仍然有相当大的贡献。
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)

1.一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述超材料，包括一块非导电材料制成的介质基板和在所述介质基板上下表面各附着一层周期性超材料结构层，所述上下表面分别为附着于介质基板上表面的一层电阻薄膜层和附着于介质基板下表面的一层金属箔层；所述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(10)；每个正方形单元结构(10)包括介质基板(11)及介质基板上下面的微单元结构。
2.根据权利要求1所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述介质基板上下面的微单元结构指电阻薄膜层上的圆环状电阻薄膜(12)和金属箔层上频率选择表面周期结构(13)。
3.根据权利要求2所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述电阻薄膜层上的圆环状电阻薄膜(12)的圆心和正方形单元结构(10)的中心点重合。
4.根据权利要求2所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述金属箔层上的金属频率选择表面周期结构(13)由一个正方形金属贴片(14)，贴片中心处的通孔(15)及四个圆形贴片和圆环对(16)组成。
5.根据权利要求4所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述正方形金属贴片(14)的中心点和正方形单元结构(10)的中心点重合。
6.根据权利要求1或2所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述介质基板的厚度为4-6毫米，金属箔的厚度为0.02-0.05毫米，电阻薄膜的厚度为0.02-0.05毫米。
7.根据权利要求1或2所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述电阻薄膜的阻抗值为50-100欧姆/平方。
8.根据权利要求1或2所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述介质基板的相对介电常数为2-4。
9.根据权利要求1或2所述的一种全极化单通带双侧吸波频带复合超材料，其特征在于所述介质基板上下表面各附着的一层周期性超材料结构层是通过蚀刻工艺在介质基板表面上得以实现。
10.一种罩设在天线系统的辐射方向上的天线罩，其特征在于所述天线罩的材料为根据权利要求1到9任一所述的全极化单通带双侧吸波频带复合超材料。
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