CN109586039B - 一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构及天线罩 - Google Patents

Abstract

为解决雷达天线罩不能有效地降低被罩天线的雷达散射截面(RCS)的问题，本发明公开了一种具有吸波/透波特性的石墨烯频选表面复合超材料周期结构和天线罩。这种吸/透波特性的石墨烯频选表面复合超材料周期结构，包括两块非导电材料制成的介质基板，分别附于上基板的上表面和下基板的下表面的两层石墨烯周期结构，和一层夹于上基板的下表面和下基板的上表面之间的频率选择表面。本发明解决了现有技术只能在透波通带外实现单侧吸波特性，或者虽然实现双侧吸波特性，但不能在通带外两侧立即呈现吸波特性效果的问题。利用该周期结构制成的天线罩罩设在天线辐射方向上，能有效降低天线带外雷达散射截面，使天线实现更好地隐身。

Description

一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构及天线罩

技术领域

本发明属于具有吸波/透波特性的复合超材料周期结构和天线罩技术领域，具体涉及一种工作频率为Ku波段(16GHz～18GHz)的石墨烯与频率选择表面复合形成的超材料周期结构，及基于该种周期结构的天线罩技术，从而实现在能保证天线正常工作的同时实现对天线的电磁保护。

背景技术

在雷达领域，一方面，射频前端天线系统要辐射电磁波对目标进行搜索和跟踪；另一方面，由于天线系统的雷达散射截面(RCS)往往并不低，容易被敌方雷达侦查到。如何既能保证雷达正常辐射电磁波，同时又降低天线RCS以保护天线及雷达系统，是一个亟待解决的工程实际需求。频率选择表面结构是一种人工周期性结构，通过对其结构单元进行设计达到电磁调控的目的。这样可以采用基于人工周期结构的频率选择表面形成天线罩，以完成对天线实施物理保护的同时实现电磁特性的调控。即在天线的工作频段(通带)，天线罩相对于天线来说是电磁透明的；在其工作频带外，天线罩将入射到天线的来波向其他方向反射以降低天线的RCS，即形成吸波频带，从而实现天线的隐身。目前被公开的大量频率选择表面相关研究论文或专利，主要是在宽频带、低损耗、带外抑制性好或小型化等方面有大的突破。但大部分频率选择表面天线罩只具有通带外单侧吸波特性，即无法做到在通带外的低频段和高频段都出现吸波频带；或者虽然具有通带外双侧吸波特性，但是吸波带离通带较远，无法实现通带外两侧立即呈现吸波特性的效果。

作为一种新型碳纳米材料，石墨烯的优良电磁特性引起普遍关注，出现了许多新型石墨烯频率选择表面、石墨烯天线或石墨烯吸收表面等。这些主要是通过掺杂、外加电场或磁场偏置来调节石墨烯的电导率，从而增加了结构性能的灵活性。因此基于石墨烯的优良电磁特性来研制一种新型复合超材料，以实现更好的吸波透波特性是一种可行的技术路线。

综上所述，频率选择表面的良好吸透波特性是频率选择复合超材料表面结构和天线罩领域重点关注的技术问题。现有技术只能在透波通带外实现单侧吸波特性，或者虽然实现双侧吸波特性，但不能在通带外两侧立即呈现吸波特性效果，从而不能实现良好的雷达天线隐身效果。因此，研究在工作频带实现电磁透明、在工作频带之外立即呈现吸波特性是本领域技术人员急需解决的技术问题。结合石墨烯这一新型碳纳米材料，研制具有吸波透波特性的复合超材料结构和天线罩是一条可行的技术路线，现有的频率选择表面周期结构的相关文献中没有公开本发明所采用的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计一种石墨烯频选复合超材料周期结构，来解决现有频率选择表面难以实现通带两侧立即出现吸波频带的问题，从而解决基于现有频选表面的天线罩不能很好地实现雷达天线的隐身这一问题。

针对这一问题，本发明的技术方案是充分利用利用石墨烯的优良电磁特性，发明一种石墨烯与频率选择表面复合形成的超材料周期结构，在从1GHz到30GHz的宽频带范围内，只有Ku波段(16.5GHz到17.5GHz)一个透波频段，带外两侧立即呈现吸波特性。基于该周期结构实现的雷达天线罩，在Ku波段出现透波特性，带外两侧立即呈现吸波特性，从而实现在能保证天线正常工作的同时实现对天线的电磁保护。

具体技术方案如下：一种吸/透波特性石墨烯频选表面复合超材料周期结构，包括两块非导电材料制成的介质基板，两层的石墨烯周期结构和一层频率选择表面，两层石墨烯周期结构分别附于上基板的上表面和下基板的下表面，频率选择表面夹于上基板的下表面和下基板的上表面之间；所述复合超材料结构被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构10，正方形单元结构10包括两个介质基板11和12、分别附于介质基板11和12上下面的石墨烯微单元结构13和14，及两介质基板中间夹着的频率选择表面微结构15，且石墨烯微单元结构13和14结构一致。

进一步地，所述吸/透波特性石墨烯频选表面复合超材料周期结构中，频率选择表面可以附着在上基板的下表面，也可附着在下基板的上表面。

进一步地，所述单个石墨烯微单元结构13由九个正方形石墨烯结构131和一个正方形石墨烯环132构成；九个正方形石墨烯结构131以正方形单元结构10的中心为对称中心，并等间距排列；正方形石墨烯环132的中心与正方形单元结构10的中心重合；频率选择表面微单元结构15上有四个相同的十字——圆环微结构151，所述十字——圆环微结构151里包含三个同心圆环状缝隙1511、1512和1513以及一个十字状缝隙1514。

进一步地，所述单个石墨烯微单元结构13和14的石墨烯材料的电化学势为0.3～0.5eV。

进一步地，所述正方形单元结构10的边长均为12～18毫米，介质基板11和12的厚度相同，均为1.5～2.5毫米，频率选择表面微单元结构15为金属箔，其厚度为0.035毫米。所述单个石墨烯微单元结构13中的单个正方形石墨烯结构131的长度为2～3毫米，相邻的两个正方形石墨烯结构131之间的间距为0.4～1毫米，单个正方形石墨烯环132的长度为6～9毫米，宽度为0.2～0.6毫米；所述十字——圆环微结构151的圆环状缝隙1511的内半径均为1.2～1.6毫米，圆环宽度为0.15～0.25毫米，所述圆环状缝隙1512的内半径为1.5～2.1毫米，圆环宽度为0.15～0.25毫米，所述圆环状缝隙1513的内半径为1.8～2.4毫米，圆环宽度为0.15～0.25毫米，所述十字——圆环微结构151的十字状缝隙1514的长度为2.2～3毫米，宽度为0.2～0.6毫米。

进一步地，介质基板的非导电材料可以采用硅材料，频率选择表面微单元结构15可以选择金箔或银箔或铜箔。

本发明还提供了一种天线罩，用于罩设在天线的辐射方向上，采用上述具有吸/透波特性的石墨烯频选表面复合超材料周期结构制成。

采用本发明具有以下有益效果：本发明所设计实现的石墨烯频选表面复合超材料周期结构，可以实现从1GHz到30GHz的宽频带范围内，该周期结构只有Ku波段这一个透波通带；在通带的两侧，立即出现一低一高两个吸波频带。这种复合超材料周期结构这一优异电磁性能可以满足通信、雷达和无线电安全屏蔽等领域的发展需求。因此，基于这种复合超材料周期结构形成的天线罩2，可以实现天线在Ku波段从16.5GHz到17.5GHz的频带内保持良好的辐射特性，能自由收发通信；同时，在通带外有很好的吸波性能，使天线的RCS降低，更好防止天线被敌方探测到，实现天线的隐身目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下述附图仅为本发明的一些实施例，不对本发明作任何限制。

图1是本发明中Ku波段具有吸波和透波特性的石墨烯频率选择表面复合超材料周期结构10的三维示意图，包括介质基板11和12，石墨烯微单元结构层13和14，及频率选择表面微单元结构15。

图2是一个石墨烯微单元结构13的几何形式，其中13和14的结构相同。

图3是一个频率选择表面微结构15的几何形式。

图4为在高频电磁全波仿真软件HFSS中，当TE波正入射单个微单元结构10的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数(T/R coefficients)的仿真结果。

图5为在高频电磁全波仿真软件HFSS中，当TM波正入射单个微单元结构10的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数(T/R coefficients)的仿真结果。

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，本发明提供了一种Ku波段具有吸波和透波特性的石墨烯频率选择表面复合超材料周期结构10，包括介质基板11和12，石墨烯微单元结构层13和14，及频率选择表面微单元结构15。

图2中单个石墨烯微单元结构13中包含九个正方形石墨烯结构131和一个正方形石墨烯环132。九个正方形石墨烯结构131以正方形单元结构10的中心为对称中心，并等间距排列。正方形石墨烯环132的中心与正方形单元结构10的中心重合。石墨烯微单元结构14的结构和石墨烯微单元结构13一致。

图3中单个频率选择表面微单元结构15中包含四个相同的十字-圆环微结构151。每个十字-圆环微单元结构151里包含三个同心圆环状缝隙1511，1512和1513以及一个十字状缝隙1514。

实施例中，正方形单元结构10的边长均为15毫米，介质基板11和12的厚度相同，均为2毫米，频率选择表面微单元结构15为金属箔，厚度为0.035毫米，单个正方形石墨烯结构131的长度为2.5毫米，相邻的两个正方形石墨烯结构131之间的间距为0.7毫米，单个正方形石墨烯环132的长度为7毫米，宽度为0.4毫米；十字——圆环微结构151的圆环状缝隙1511的内半径均为1.4毫米，圆环宽度为0.2毫米，所述圆环状缝隙1512的内半径为1.8毫米，圆环宽度为0.2毫米，圆环状缝隙1513的内半径为2.1毫米，圆环宽度为0.2毫米，十字——圆环微结构151的十字状缝隙1514的长度为2.6毫米，宽度为0.4毫米。非导电材料采用的是相对介电常数为3.9的硅材料，介电损耗为0.004。频率选择表面微单元结构15金属箔可以选择金属箔中的金箔或银箔或铜箔任一种材料。石墨烯的电化学势为0.3～0.5eV。

在高频电磁全波仿真软件HFSS中，用TE波和TM波分别正入射单个微单元结构10的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数(T/R coefficients)的仿真结果，如图4和图5所示。从图中可以看到，在30GHz以下和在任意极化波的正入射情况下，该结构均只有一个通带。当TE波入射时，其通带中心频率为17.1GHz,3dB带宽从16.4GHz到17.7GHz。带外的吸波频带分别为从13.8GHz到15.4GHz，从18.4GHz到20.5GHz及从21.9GHz到23.3GHz。当TM波入射时，其通带中心频率为17.08GHz,3dB带宽从16.4GHz到17.5GHz。带外的吸波频带分别为从13.7GHz到15.4GHz，从18.3GHz到20.4GHz，及从21.9GHz到23.3GHz。可以看出，TE波入射和TM波入射，其传输/反射性能相似。

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 (6)

1.一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构，其特征在于：包括两块非导电材料制成的介质基板、两层的石墨烯周期结构和一层频率选择表面，两层石墨烯周期结构分别附于上基板的上表面和下基板的下表面，频率选择表面夹于上基板的下表面和下基板的上表面之间；所述复合超材料周期结构被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构(10)，正方形单元结构(10)包括两个介质基板(11)和(12)、分别附于介质基板(11)和(12)上下面的石墨烯微单元结构(13)和(14)，及两介质基板中间夹着的频率选择表面微单元结构(15)；石墨烯微单元结构(13)由九个正方形石墨烯结构(131)和一个正方形石墨烯环(132)构成，九个正方形石墨烯结构(131)以正方形单元结构(10)的中心为对称中心，并等间距排列，正方形石墨烯环(132)的中心与正方形单元结构(10)的中心重合；频率选择表面微单元结构(15)上有四个相同的十字——圆环微结构(151)，所述十字——圆环微结构(151)里包含三个同心圆环状缝隙(1511)、(1512)和(1513)以及一个十字状缝隙(1514)；石墨烯微单元结构(13)和(14)结构一致。

2.根据权利要求1所述的一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构，其特征在于：频率选择表面可以附着在上基板的下表面，也可附着在下基板的上表面。

3.根据权利要求1所述的一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构，其特征在于：所述石墨烯微单元结构(13)和(14)的石墨烯材料的电化学势为0.3～0.5eV。

4.根据权利要求3所述的一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构，其特征在于：所述正方形单元结构(10)的边长均为12～18毫米，介质基板(11)和(12)的厚度相同，均为1.5～2.5毫米，频率选择表面微单元结构(15)为金属箔，厚度为0.035毫米；所述石墨烯微单元结构(13)中的单个正方形石墨烯结构(131)的长度为2～3毫米，相邻的两个正方形石墨烯结构(131)之间的间距为0.4～1毫米，单个正方形石墨烯环(132)的长度为6～9毫米，宽度为0.2～0.6毫米；所述十字——圆环微结构(151)的圆环状缝隙(1511)的内半径均为1.2～1.6毫米，圆环宽度为0.15～0.25毫米，所述圆环状缝隙(1512)的内半径为1.5～2.1毫米，圆环宽度为0.15～0.25毫米，所述圆环状缝隙(1513)的内半径为1.8～2.4毫米，圆环宽度为0.15～0.25毫米，所述十字——圆环微结构(151)的十字状缝隙(1514)的长度为2.2～3毫米，宽度为0.2～0.6毫米。

5.根据权利要求1所述的一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构，其特征在于：介质基板的非导电材料采用硅材料，频率选择表面微单元结构(15)选择金箔或银箔或铜箔中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构制成的天线罩，其特征在于：天线罩整体采用吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构制成，并罩设在天线的辐射方向上。

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