CN109390692B - 一种单通带双侧吸波超材料天线罩及其应用、飞行器 - Google Patents

一种单通带双侧吸波超材料天线罩及其应用、飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单通带双侧吸波超材料天线罩及其应用、飞行器，属于天线罩技术领域。该天线罩包括多个呈正方形周期依次排布的单元结构，每个单元结构均包括介质层、反射层和吸波层。每个单元结构中，反射层和吸波层分别设于介质层的两侧。反射层由正方形环和嵌设其内的正方形片构成；吸波层由至少两个八边形环结构以环套环形式构成；每个八边形环结构的相互间隔的四边均开设有开口，开口处设有贴片电阻。该天线罩集透波和隐身为一体，在非透波频段也能吸收电磁波，以达到在透波频段高透过，两侧频段高吸收的目的。该天线罩可用作飞行器中天线舱部位的天线罩，使飞行器能够在透波频段隐身，而在其它频段具有吸波特性，降低飞行器的整体RCS。

Description

一种单通带双侧吸波超材料天线罩及其应用、飞行器
技术领域
本发明属于天线罩技术领域，且特别涉及一种单通带双侧吸波超材料天线罩及其应用、飞行器。
背景技术
现有的天线罩应用超材料技术，不仅从物理上保护了天线免受风雨雷电的侵袭，而且在电磁特性上由于超材料对电磁波的透射和反射具有良好的选择性，可以选择性的让特定频段的电磁波透过，而其它频段的电磁波呈现全反射特性，具有较好的滤波特性。
但现在应用的超材料技术在非透波频带反射的电磁波对部件的后向散射RCS具有较大的影响，不利于部件的整体隐身。
发明内容
本发明的目的之一包括提供一种单通带双侧吸波超材料天线罩，该天线罩集透波和隐身为一体，在非透波频段也能吸收电磁波，以达到在透波频段高透过，两侧频段高吸收的目的。
本发明的目的之二包括提供一种上述单通带双侧吸波超材料天线罩的应用，例如可以将其用作飞行器中天线舱部位的天线罩。
本发明的目的之三包括提供一种以上述单通带双侧吸波超材料天线罩作为天线舱部位的天线罩的飞行器，该飞行器能够在透波频段隐身，而在其它频段具有吸波特性，降低飞行器的整体RCS。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明实施例提出了一种单通带双侧吸波超材料天线罩，其包括多个呈正方形周期依次排布的单元结构，每个单元结构均包括介质层、反射层和吸波层。
每个单元结构中，反射层设置于介质层的一侧，吸波层设置于介质层的远离反射层的一侧；反射层由正方形环和嵌设于正方形环内的正方形片构成；吸波层由至少两个八边形环结构以环套环形式构成；每个八边形环结构的相互间隔的四边均开设有开口，开口处设有贴片电阻。
本发明还提出了一种上述单通带双侧吸波超材料天线罩的应用，例如可将其用作飞行器中天线舱部位的天线罩。
本发明还提出了一种飞行器，该飞行器的天线舱部位的天线罩为上述单通带双侧吸波超材料天线罩。
本发明实施例中单通带双侧吸波超材料天线罩及其应用、飞行器的有益效果包括：
本发明实施例提供的单通带双侧吸波超材料天线罩集透波和隐身为一体，在非透波频段也能吸收电磁波，以达到在透波频段高透过，两侧频段高吸收的目的。将其用作飞行器中天线舱部位的天线罩，可使飞行器在透波频段隐身，而在其它频段具有吸波特性，降低飞行器的整体RCS。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的单通带双侧吸波超材料天线罩的单元结构的结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的单通带双侧吸波超材料天线罩中反射层的结构示意图；
图3为本申请实施例1提供的单通带双侧吸波超材料天线罩中吸波层的结构示意图；
图4为本申请试验例中实施例1所得的单通带双侧吸波超材料天线罩的反射/透射曲线图。
图标：10-单通带双侧吸波超材料天线罩；11-介质层；12-反射层；121-正方形环；122-正方形片；13-吸波层；131-外八边形环；132-内八边形环；135-开口；136-贴片电阻。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下进行具体说明。
本实施例涉及的单通带双侧吸波超材料天线罩包括多个呈正方形周期依次排布的单元结构，每个单元结构均包括介质层、反射层和吸波层。单元结构的呈正方形周期依次排布可以理解成多个单元结构以其中一个单元结构为基准，其余的单元结构沿作为基准的该单元结构的横向和竖向在同一平面内依次排布。
每个单元结构中，反射层设置于介质层的一侧，吸波层设置于介质层的远离反射层的一侧，反射层、介质层和吸波层之间例如可以通过树脂(如乙烯基树脂、环氧树脂或氰酸酯树脂等)粘合在一起，以使三者共同形成谐振腔体。
其中，反射层由正方形环和嵌设于正方形环内的正方形片构成，。可参考地，反射层中位于外侧的正方形环的中间部位为中空结构，正方形片嵌套于该正方形环的中空结构内。吸波层由至少两个八边形环结构以环套环形式构成；每个八边形环结构的相互间隔的四边均开设有开口，开口处设有贴片电阻。
值得说明的是，本申请将反射层设置成正方形结构以使各向同性，将吸波层设置成八边形，以增宽作用频段，其原因可能是由于八边形的周长比正方形环长，电磁作用下的电流环路更长，所引起的电磁共振频带更低。于开口处设置贴片电阻，可通过调节贴片电阻的阻值大小，以调控电阻与金属八边形环结构组成的环路的阻值，使得在电磁作用通过对电磁的损耗进行调控以调节作用频段和带宽。
本申请中，介质层的材料例为低介电材料，低介电材料例如可包括聚四氟乙烯或罗杰斯等，以使天线罩能够具有较为合适的透波率。
优选地，本申请中低介电材料的介电常数为2.0-2.2，如2.0、2.1或2.2。损耗角正切为0.0001-0.0003，如0.0001、0.0002或0.0003。更优选地，本申请中低介电材料为介电常数为2.1，损耗角正切为0.0002的聚四氟乙烯。
在一些实施方式中，介质层的厚度可以为4.2-4.8mm，如4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm或4.8mm等，也可以为4.25mm、4.35mm、4.45mm、4.55mm、4.65mm或4.75mm等，当然也可以为4.2-4.8mm范围内的任一厚度值。优选地，介质层的厚度为4.5mm。
本申请中，正方形环的边长小于等于介质层的边长，优选二者的边长相等。
在一些实施方式中，位于外侧的正方形环的内边边长可以为11-12mm，如11mm、11.5mm或12mm。优选地，位于外侧的正方形环的内边边长为12mm。
在一些实施方式中，位于外侧的正方形环的线宽可以为1.2-1.5mm，如1.2mm、1.25mm、1.3mm、1.35mm、1.4mm、1.45mm或1.5mm等。优选地，位于外侧的正方形环的线宽为1.5mm。值得说明的是，此处的“线宽”指正方形环的位于统一侧边的外边与内边之间的垂直距离。
在一些实施方式中，位于内侧的正方形片的边长可以为8-8.8mm，如8mm、8.1mm、8.2mm、8.3mm、8.4mm、8.5mm、8.6mm、8.7mm或8.8mm等。优选地，位于内侧的正方形片的边长为8.4mm。
在本申请中，反射层的正方形环由金属材料制得，此金属材料可以为本领域常用的各种金属材料。
在一些实施方式中，反射层的厚度可以为0.05-0.1mm，如0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm等。
在一些优选的实施方式中，反射层为厚度为0.05-0.1mm的铜反射层，也即反射层由铜制备而得。更优选地，反射层为厚度为0.05mm的铜反射层。
本申请中，吸波层由至少两个八边形环结构以环套环形式构成，并且上述八边形环结构的外接圆的圆心相同。可以理解为吸波层包括2个或2个以上的八边形环结构。当八边形环结构的数量为2个时，其中一个八边形环结构较另一个八边形环结构尺寸更大，也即大的八边形环结构其内部为空心结构，小的八边形环结构设置于位于外侧的大的八边形环结构的空心结构内，以使这两个八边形环结构呈环套环的形式设置。
当八边形环结构的数量为2个以上(例如3个、4个、5个及其以上)时，这些八边形环结构的尺寸逐渐增大或缩小，也即每个八边形环结构的尺寸均不相同。并且这些八边形环结构按照上述只有2个时的设置形式由内之外或由外至内呈环套环的形式设置。
在一些优选的实施方式中，每个单元结构中，吸波层均由一个外八边形环和一个内八边形环构成，内八边形环设置于外八边形环内。
作为可选地，该外八边形环的外接圆半径可以为6.2-6.8mm，如6.2mm、6.3mm、6.4mm、6.5mm、6.6mm、6.7mm或6.8mm等。优选地，该外八边形环的外接圆半径为6.5mm。
该外八边形环的线宽可以为0.3-0.5mm，如0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm。优选地，该外八边形环的线宽为0.4mm。值得说明的是，此处的“线宽”指外八边形环的位于统一侧边的外边与内边之间的垂直距离。
作为可选地，该内八边形环的外接圆半径可以为5-5.4mm，如5mm、5.1mm、5.2mm、5.3mm或5.4mm等。该内八边形环的外接圆半径为5.2mm。
该内八边形环的外接圆的线宽可以为0.6-0.8mm，如0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm或0.8mm。该内八边形环的外接圆的线宽为0.7mm。值得说明的是，此处的“线宽”指内八边形环的位于统一侧边的外边与内边之间的垂直距离。
在本申请中，吸波层除贴片电阻以外的部分均由金属制得，此金属材料也可以为本领域常用的各种金属材料(优选为铜)。
在本申请中，吸波层的厚度可以为0.05-0.1mm，如0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm等。优选地，吸波层的厚度为0.05mm。
在一些优选的实施方式中，吸波层的开口分别开设于八边形环结构的相互间隔的四边的中心段，也即开设有相邻的两个开口的八边形环结构的边互不相邻。作为可参考地，外八边形环的开口的长度可以为0.7-1mm，例如0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等。优选地，外八边形环的开口的长度为0.8mm。内八边形环的开口的长度也可以为0.7-1mm，例如0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等。优选地，内八边形环的开口的长度为1mm。
在本申请中，上述开口处用于设置贴片电阻，贴片电阻的阻值可以为650-750欧姆，如650欧姆、680欧姆、700欧姆、720欧姆或750欧姆等，当然，也可以为650-750欧姆范围内的任一电阻阻值。优选地，贴片电阻的阻值为700欧姆，该电阻阻值下，天线罩的透波频段透波率高且吸波频段较宽。
承上，本申请所提供的单通带双侧吸波超材料天线罩可通过调整介质层两侧的吸波层的电阻阻值、金属八边形环结构的尺寸、线管和开口尺寸以及反射层的金属正方形环、大小以及线宽，使得电磁波在特定频段进行调控，以达到在透波频段高透过，两侧频段高吸收的目的，实现在特定频带透波，在透波频带两侧具有较宽的吸波效果，从而有效解决现有的超材料天线罩隐身问题。
此外，本申请还提供了一种上述单通带双侧吸波超材料天线罩的应用，例如，可将其用作飞行器中天线舱部位的天线罩。将该单通带双侧吸波超材料天线罩作为天线舱部位的天线罩的飞行器能够在透波频段隐身，而在其它频段具有吸波特性，降低飞行器的整体RCS(雷达散射截面积)。
实施例1
本实施例提供一种单通带双侧吸波超材料天线罩10，请一并参照图1与图3，该单通带双侧吸波超材料天线罩10包括多个呈正方形周期依次排布的单元结构，每个单元结构均包括介质层11、反射层12和吸波层13。反射层12设置于介质层11的一侧，吸波层13设置于介质层11的远离反射层12的一侧，反射层12、介质层11和吸波层13之间通过乙烯基树脂粘合在一起，以形成谐振腔体。
介质层11由介电常数为2.1，损耗角正切为0.0002的聚四氟乙烯制得，介质层11的厚度为4.5mm。
反射层12为总厚度为0.05mm的铜反射层12，其由正方形环121和嵌设于正方形环121内的正方形片122构成。反射层12中位于外侧的正方形环121的中间部位为中空结构，正方形片122嵌套于该正方形环121的中空结构内。位于外侧的正方形环121的内边边长为12mm，线宽为1.5mm；位于内侧的正方形片122的边长为8.4mm。
吸波层13的厚度为0.05mm，其由两个八边形环结构以环套环形式构成，也即由一个外八边形环131和一个内八边形环132构成，内八边形环132设置于外八边形环131内其且二者的外接圆的圆心相同。该外八边形环131的外接圆半径为6.5mm，线宽为0.4mm；该内八边形环132的外接圆半径为5.2mm，线宽为0.7mm。
内八边形环132的相互间隔的四边以及和外八边形环131的相互间隔的四边均开设有开口135，外八边形环131的开口135的长度为0.8mm，内八边形环132的开口135的长度为1mm。各开口135处均设有700欧姆的贴片电阻136。上述吸波层13除贴片电阻136以外的部分均由金属铜制得。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：介质层由介电常数为2.0，损耗角正切为0.0001的低介电材料制得，介质层的厚度为4.2mm。
反射层为总厚度为0.08mm的铜反射层，位于外侧的正方形环的内边边长为11mm，线宽为1.2mm；位于内侧的正方形片的边长为8mm。
吸波层的厚度为0.08mm，该外八边形环的外接圆半径为6.2mm，线宽为0.3mm；该内八边形环的外接圆半径为5mm，线宽为0.6mm。
外八边形环的开口的长度为0.7mm，内八边形环的开口的长度为0.9mm。各开口处均设有650欧姆的贴片电阻。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：介质层由介电常数为2.2，损耗角正切为0.0003的低介电材料制得，介质层的厚度为4.8mm。
反射层为总厚度为0.1mm的铜反射层，位于外侧的正方形环的内边边长为11.5mm，线宽为1.35mm；位于内侧的正方形片的边长为8.8mm。
吸波层的厚度为0.1mm，该外八边形环的外接圆半径为6.8mm，线宽为0.5mm；该内八边形环的外接圆半径为5.4mm，线宽为0.8mm。
外八边形环的开口的长度为0.75mm，内八边形环的开口的长度为0.95mm。各开口处均设有750欧姆的贴片电阻。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：反射层、介质层和吸波层之间通过环氧树脂粘合在一起，以形成谐振腔体。
介质层由介电常数为2.2，损耗角正切为0.0002的罗杰斯制得。
吸波层的总厚度为0.08mm，其由3个八边形环结构以环套环形式构成，也即由1个外八边形环、2个内八边形环构成，2个内八边形环均设置于外八边形环内其且三者的外接圆的圆心相同，其中第2个内八变形环设置于第1个内八边形环的内部。该外八边形环的外接圆半径为6.5mm，线宽为0.4mm；位于最内的内八边形环的外接圆半径为5.2mm，线宽为0.7mm。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：反射层、介质层和吸波层之间通过氰酸酯树脂粘合在一起，以形成谐振腔体。
吸波层的总厚度为0.1mm，其由4个八边形环结构以环套环形式构成，也即由1个外八边形环、3个内八边形环构成，3个内八边形环均设置于外八边形环内其且4者的外接圆的圆心相同，其中第2个内八变形环设置于第1个内八边形环的内部，第3个内八变形环设置于第2个内八边形环的内部。该外八边形环的外接圆半径为6.5mm，线宽为0.4mm；位于最内的内八边形环的外接圆半径为4mm，线宽为0.7mm。
试验例
以实施例1所得的单通带双侧吸波超材料天线罩为例，测定其在0-20GHz范围内的反射和透射性能，其结果如图4的反射/透射曲线所示。其中，S11表示反射曲线，S12表示透射曲线。
由表4可以看出，该单通带双侧吸波超材料天线罩在7.7GHz的透波率在-0.8dB，在其两侧的吸波带宽接近-12GHz，整体吸收性能优异。
此外，按照同样的方法分别对实施例2-5所得的单通带双侧吸波超材料天线罩进行0-20GHz范围内的反射和透射性能测试，其结果显示，上述各实施例所得的单通带双侧吸波超材料天线罩均能在7.5-7.7GHz频段内透波并在其两侧吸波，整体吸收性能也较优异。
综上，本申请提供的单通带双侧吸波超材料天线罩集透波和隐身为一体，在非透波频段也能吸收电磁波，以达到在透波频段高透过，两侧频段高吸收的目的。将其用作飞行器中天线舱部位的天线罩，可使飞行器在透波频段隐身，而在其它频段具有吸波特性，降低飞行器的整体RCS。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单通带双侧吸波超材料天线罩，其特征在于，其包括多个呈正方形周期依次排布的单元结构，每个单元结构均包括介质层、反射层和吸波层；
每个所述单元结构中，所述反射层设置于所述介质层的一侧，所述吸波层设置于所述介质层的远离所述反射层的一侧；所述反射层由正方形环和嵌设于所述正方形环内的正方形片构成；所述吸波层由至少两个八边形环结构以环套环形式构成；每个所述八边形环结构的相互间隔的四边均开设有开口，开口处设有贴片电阻；
所述介质层的材料为低介电材料，所述低介电材料包括聚四氟乙烯或罗杰斯；所述低介电材料的介电常数为2.0-2.2，损耗角正切为0.0001-0.0003；所述介质层的厚度为4.2-4.8mm；
所述反射层中所述正方形环的内边边长为11-12mm，线宽为1.2-1.5mm；所述正方形片的边长为8-8.8mm；所述反射层为厚度为0.05-0.1mm的铜反射层；
每个所述单元结构中，所述吸波层均由一个外八边形环和一个内八边形环构成，所述内八边形环设置于所述外八边形环内；所述外八边形环的外接圆半径为6.2-6.8mm，线宽为0.3-0.5mm；所述内八边形环的外接圆半径为5-5.4mm，线宽为0.6-0.8mm；所述吸波层的厚度为0.05-0.1mm。
2.根据权利要求1所述的单通带双侧吸波超材料天线罩，其特征在于，所述开口分别开设于所述八边形环结构的相互间隔的四边的中心段。
3.根据权利要求2所述的单通带双侧吸波超材料天线罩，其特征在于，所述开口的长度为0.7-1mm。
4.根据权利要求1所述的单通带双侧吸波超材料天线罩，其特征在于，所述贴片电阻的阻值为650-750欧姆。
5.根据权利要求1所述的单通带双侧吸波超材料天线罩，其特征在于，所述吸波层除所述贴片电阻以外的部分均由金属制得。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的单通带双侧吸波超材料天线罩的应用，其特征在于，所述单通带双侧吸波超材料天线罩用作飞行器中天线舱部位的天线罩。
7.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器的天线舱部位的天线罩为如权利要求1-5任一项所述的单通带双侧吸波超材料天线罩。
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