CN109167176B - 一种可控透波微结构超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控透波微结构超材料，包括基材层和排布于基材层表面的人造微结构阵列层，人造微结构阵列层可划分为多个四边形超材料单元，其中每个超材料单元包括若干微结构单元，相邻微结构单元四端角之间分别连接有电阻和变容二极管。本发明的超材料在频率选择透波超材料结构中引入有源变容二极管，通过合理设计微结构型式以及微结构之间的连线方式，实现透射频带的主动可调，用该材料制备的天线罩，一个天线罩可以适用于多种天线。

Description

一种可控透波微结构超材料
技术领域
本发明属于天线罩技术领域，具体涉及一种可控透波超材料。
背景技术
“超材料(metamaterial)”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超材料具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。
超材料的设计是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料不具备的超常物理性质。通过设计超材料的基础材料组成、周期单元形状和排列方式，能够根据需要获得相应的谐振特性。
透波超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板可以虚拟地划分为阵列排布的多个基板单元，每个基板单元上附着有人造微结构，从而形成一个超材料单元，整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如方形、圆环形、工字形和六边形的金属片等。
由于人造微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。
通常，天线系统都会设置天线罩，天线罩用以保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩是天线前面的障碍物，对天线辐射波会产生吸收和反射，改变天线的自由空间能量分布，并在一定程度上影响天线的电气性能。
目前制备天线罩的材料多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等，材料的介电常数具有不可调节性。使用这些材料制备的天线罩，能保护天线免受外部环境影响，但透波性能较差，而且，天线罩的工作频段较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩，无法实现资源的重复使用，导致资源的浪费以及设备成本的提高。
采用具有频率选择透波特性的超材料结构制造天线罩，其带内高透波特性可以维持天线的电磁辐射特性；带外高截止特性可以实现电磁屏蔽，结合外形设计可以实现较低的雷达散射截面从而实现带外隐身功能，实现通讯与隐身性能的兼容。目前应用的频率选择透波超材料结构均为无源非可控的，一个天线罩只能适用于一种天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控透波微结构超材料，解决现有透波超材料制作的天线罩，工作频段窄，不同的频段需求下需要更换不同天线罩的问题。
本发明采用的技术方案是，一种可控透波微结构超材料，包括基材层和排布于基材层表面的人造微结构阵列层，人造微结构阵列层包括间隔纵横设置的若干微结构单元，相邻微结构单元四端角之间分别连接有电阻和变容二极管；人造微结构阵列层上位于偶数列的微结构单元之间通过第一导线连接，位于奇数列的微结构单元之间通过第二导线连接。
本发明的技术特征还在于：
所述人造微结构矩形阵列层的厚度为0.005～0.5mm。
所述微结构单元、第一导线和第二导线的厚度均为0.005～0.5mm。
所述微结构单元的边长为3～70mm，所述相邻超材料单元的中心距为5～100mm。
所述基材层的厚度为0.1～5mm。
所述微结构单元为去角四边形结构。
所述第一导线与第二导线在空间上相互错位设置。
所述电阻的阻值为100～100000Ω，所述变容二极管的电容值为0.1～100pF。
所述基材层优选用FR-4等级材料制作。
所述微结构单元由硬质金属材料制作而成。
本发明的有益效果是，在频率选择透波超材料结构中引入有源变容二极管，通过合理设计微结构型式以及微结构之间的连线方式，实现透射频带的主动可调，用该材料制备的天线罩，一个天线罩可以适用于多种天线；采用对称性结构设计，保证了超材料结构的电磁响应特性对于两个极化是相同的；采用具有频率选择透波特性的超材料结构制造天线罩，其带内高透波特性可以维持天线的电磁辐射特性，带外高截止特性可以实现电磁屏蔽，结合外形设计可以实现较低的雷达散射截面从而实现带外隐身功能，实现通讯与隐身性能的兼容。
附图说明
图1是本发明一中可控透波微结构超材料的结构示意图；
图2是本发明一中可控透波微结构超材料中人造微结构阵列层的结构示意图；
图3是本发明超材料中四边形超材料单元的结构示意图；
图4是本发明实施例的超材料在不同电容值下对应的透射率曲线。
图中，1.基材层，2.人造微结构阵列层，3.微结构单元，4.电阻，5.变容二极管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。
参照图1，本发明一种可控透波微结构超材料，包括基材层1和排布于基材层1表面厚度为d1的人造微结构阵列层2，基材层1由厚度为d2的FR-4环氧玻璃布层压板制作而成。
参照图2，人造微结构阵列层2可划分为多个四边形超材料单元，相邻超材料单元的中心距，即超材料单元的周期为a，a的取值范围为5～100mm，其中每个超材料单元包括若干间隔纵横排列设置的去角正方形微结构单元3，相邻微结构单元3四端角之间分别连接有电阻4和变容二极管5，电阻4的阻值Res和变容二极管5的电容值C如表1中所述；微结构单元3的边长为p，去角后的侧边长度为b，相邻的四边形微结构单元3在去角位置处的间隔为g，微结构单元3采用硬质金属材料制作而成(见图3)。
人造微结构阵列层2上位于偶数列的微结构单元3之间通过厚度为d2的第一导线连接，人造微结构阵列层2上位于奇数列的微结构单元3之间通过厚度为d2的第二导线连接，第一导线与第二导线的宽度均为w，且第一导线与第二导线在空间上相互错位。
给该可控透波微结构超材料外加电压，外加电压的电压值从2V变化到35V，变容二极管5的电容随电压变化，从8pF变化到0.5pF。测试不同电容下该超材料的透射率，绘制相应透射率曲线，如图4所示。
从图4中可以看出，电容从8pF变化到0.5pF，对应的透波带的中心频率从0.41GHz增大到1.44GHz，透波带的位置变化了3.5倍，横跨P～L波段。对于每一个特定的电容值，透波带中心处的透射率均大于90％，应用于天线罩可以保证天线罩内部天线的良好通讯性能。而在透波带以外的频域，本发明呈现出快速截止特性。
以0.5pF对应的透射率曲线为例，我们定义透射率>80％(对应于-1dB)的频段为透波带，透射率<10％(对应于-10dB)的区域为截止带，从透波带过渡到截止带仅跨越了0.8GHz。而在其他电容条件下，从透波带过渡到截止带跨越的频率更大，即跨越更快。带内维持天线的良好通讯性能，带外快速截止实现良好的隐身性能，本发明应用于天线罩可以实现通讯和隐身的兼容。
相对透波带宽的定义如下：
Figure BDA0001783684410000061
其中，f1表示变容二极管5的电容为最大值时透波带的中心频率，此实施例中，f1为变容二极管电容为8pF时透波带的中心频率；
f2表示变容二极管5的电容为最小值时透波带的中心频率，此实施例中，f2为变容二极管电容为0.5pF时透波带的中心频率。
根据上式，可以计算出来本发明特例的相对透波带宽为111％。将此实施例中的可控透波微结构超材料用于制造天线罩，制造的天线罩可以适用于工作在0.41～1.44GHz内的任一款天线。甚至在一个天线罩内集成多款天线，需要哪一款天线工作，就将透波带调节至该天线对应的工作频率处。本发明大大提高了天线罩的适用性，并且可以提高多款天线的集成度。
以上只是本发明的一个具体实施例，通过改变结构尺寸、选择不同电容变化范围的变容二极管，可以将透波带在P～Ku频段范围内调节，可涵盖目前应用的绝大部分探测雷达工作波段。
表1具体实施方式中可控透波微结构超材料的参数列表
参数 值
d<sub>1</sub> 0.05mm
d<sub>2</sub> 0.8mm
a 40mm
p 22mm
b 16mm
g 1.4mm
w 1mm
Res 10000Ω
C 0.5～8pF

Claims (9)

1.一种可控透波微结构超材料，其特征在于，包括基材层(1)和排布于基材层(1)表面的人造微结构阵列层(2)，人造微结构阵列层(2)包括间隔纵横设置的若干微结构单元(3)，相邻微结构单元(3)四端角之间分别连接有电阻(4)和变容二极管(5)，电阻(4)和变容二极管(5)相互并联；人造微结构阵列层(2)上位于偶数列的微结构单元(3)之间通过第一导线连接，位于奇数列的微结构单元(3)之间通过第二导线连接，所述第一导线与第二导线在空间上相互错位设置。
2.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述人造微结构矩形阵列层(2)的厚度为0.005～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述微结构单元(3)的厚度、第一导线和第二导线的厚度均为0.005～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述微结构单元(3)的边长为3～70mm，所述相邻超材料单元的中心距为5～100mm。
5.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述基材层(1)的厚度为0.1～5mm。
6.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述微结构单元(3)为去角四边形结构。
7.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述电阻(4)的阻值为100～100000Ω，所述变容二极管(5)的电容值为0.1～100pF。
8.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述基材层(1)优选用FR-4等级材料制作。
9.根据权利要求1所述的一种可控透波微结构超材料，其特征在于，所述微结构单元(3)由硬质金属材料制作而成。
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