CN109713457B - 基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用，设计了一款具有吸波/透波双重特性的超表面，吸波/透波双重特性的超表面由三部分组成：顶部为氮化钽MA结构，中部为介电常数2.2的Teflon介质板，底部为带通型FSS，并将其用于微带天线的覆层。作为天线覆层的超表面为双层结构，分别由氮化钽周期结构以及频率选择表面结构构成并分置于介质板的两侧。最终数据结果表明，使用本发明所设计的吸波/透波超表面作为天线覆层时，天线的辐射特性几乎未发生变化。而天线的单站RCS最大减缩量可达20dB以上，减缩带宽可达5GHz‑19GHz。同时，天线的单、双站RCS在较宽的角度范围内也得到明显的缩减。

Description

基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用

技术领域

本发明属于隐身技术领域，具体地说，涉及一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用。

背景技术

随着雷达探测以及各国反导、反舰等系统的愈发成熟，隐身技术的研发对于各类武器系统的生存能力影响越来越大。隐身技术的一个重要指标就是雷达截面(Radar CrossSection，RCS)^[1]，雷达截面是指目标物体被电磁波照射时，在某一方向上返回散射功率的量度，它是表征物体散射特性的重要指标。雷达截面与目标本身的结构参数有关，也与入射波的电磁基本特性如：频率、极化、入射角等相关。而天线作为一种特殊的散射体，由于其本身具有发射和接收电磁波的能力。而为了保证自身良好的辐射性能，常规的目标隐身方式无法直接用于天线的RCS减缩。同时，由于目前目标平台的散射控制技术已经非常成熟，相比于目标平台，置于其中的天线RCS问题也就逐渐凸显。这也使得天线的雷达截面水平成为影响目标平台整体隐身性能好坏的一个重要因素。

目前，RCS减缩的主要手段一般包括外形设计、涂敷吸波材料、有源及无源对消等^[2-4]。与此同时，针对天线RCS减缩的特殊性，超材料技术逐渐被引入至天线RCS减缩中^[5-9]。现有文献中已大量报道了将超材料用于天线的RCS减缩之中，常见的用于天线RCS减缩的超材料有频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)，电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap，EBG)，超材料吸波体(Metamaterials absorber，MA)等。FSS结构常被用于天线的反射板来降低天线的RCS，而这种方式一般用于需要安装反射板的天线RCS减缩，有明显的局限性^[10]。而将EBG结构用于天线RCS减缩时，由于EBG本身带宽的限制，RCS减缩的频带范围较窄^[11]。与此同时，超材料吸波体也就是结构型吸波材料越来越多的被用于天线的RCS减缩中。然而，一般的MA结构用于天线的RCS减缩主要是将MA置于天线的四周，或置于阵列天线单元之间。这种方式无疑会严重的增加天线系统的整体尺寸且会影响天线的辐射特性^[12]。同时，MA结构的吸波带宽也是限制它在天线RCS减缩当中进一步应用的一个阻碍因素。

为此，有国外学者提出将氮化钽材料用于MA结构的设计当中，将传统MA结构中的周期性金属贴片用氮化钽材料置换，利用氮化钽材料的半导体特性，可以极大的增加MA结构的吸波带宽^[13]。文献[13]采用了一种基于氮化钽材料的宽频带吸波材料，并将这种结构用于微带缝隙天线的RCS减缩中，使得天线的单站RCS在2-18GHz的超宽频带范围内均有明显的减缩。文献[14]也将这种具有阻抗特性材料作为单元的MA结构用于微带贴片天线的RCS减缩，最终减缩带宽可达4-22GHz。尽管如此，这种手段解决了MA结构的宽频吸波问题，但是这种方法对于天线的增益也会造成巨大的损失，如文献[14]中天线的增益下降了1dB。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用。对基于氮化钽材料的超表面问题进行了研究。氮化钽MA结构在介质板的另一侧需要金属板，这里考虑采用带通型频率选择表面代替原氮化钽MA结构的金属板。在FSS的通带之外的较宽的频率范围内，FSS仍可以被看作为金属板，则氮化钽MA结构的吸波特性能够保留。而在FSS的通带范围内，电磁波可以正常通过，而并无任何吸波特性。本发明将这种在不同频段分别呈现吸波与透波特性的结构简称为吸波/透波超表面(Absorptive/Transmissive Metasurface，A/T Metasurface)。据此，将A/T超表面作为微带天线的覆层进行RCS减缩应用，若A/T超表面覆层中氮化钽MA结构的一侧朝向外部空间，而将FSS结构一侧朝向天线，并使得天线的工作频带和FSS的通带相重合。最终，当天线工作时，由天线辐射出的电磁波可以毫无阻碍的穿过覆层。而由外部空间照射至天线的电磁波在工作频带之外的部分均被上层的氮化钽MA结构吸收。从而完美的实现了天线的超宽带、带外RCS减缩且天线的辐射特性得以保留。结果表明，在保证天线辐射特性的基础上，微带天线的RCS减缩频带范围可达5-19GHz，最大减缩量可达20dB。同时，天线的单、双站RCS在较宽的角度范围内也得到明显的缩减。

其技术方案如下：

一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面，由三部分组成：顶部为氮化钽MA结构，中部为介电常数2.2的Teflon介质板，底部为带通型FSS。

一种用于天线RCS减缩的采用氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、首先需要对两种结构单独进行仿真，通过对这两种不同结构的吸波透波特性进行仿真分析，对所提出的A/T超表面的原理进行解释与分析，氮化钽MA采用Teflon介质板，介质板介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，介质厚度为2mm。上层由周期性排布的氮化钽材料构成，材料的导电率为7400siemens/m，下层为金属板；

步骤2、设计了一款周期性排布的带通型频率选择表面，FSS在仿真中使用与氮化钽MA结构相同的介质板；

步骤3、确定结构参数时，需调整参数使得上层氮化钽MA结构的吸波频段需区别于带通型FSS的透波频段；

步骤4、将氮化钽MA结构与FSS结构相结合构成A/T超表面。

步骤5、在应用时，带通型FSS的透波频段需覆盖天线的工作频段。

本发明所述基于氮化钽材料的吸波/透波超表面在天线覆层制备中的应用。

本发明的有益效果为：

本发明采用吸波/透波超表面用以天线覆层最终实现微带天线的RCS减缩，并能够最大限度的保留天线辐射性能。A/T超表面覆层上方采用周期性氮化钽材料实现电磁波的宽带吸波，A/T超表面覆层下方采用带通型FSS实现天线辐射电磁波的透波。将A/T超表面覆层置于天线上方，当天线工作时，天线所辐射的电磁波能够正常穿过A/T超表面覆层。而由外部空间照射至天线的电磁波在天线工作频带外则被覆层吸收，最终实现微带天线的超宽带、带外RCS减缩。结果表明，天线工作时，天线辐射特性能够最大限度得到保留。同时在5GHz-19GHz频带范围内天线的单、双站RCS均能得到不同程度的减缩，最大减缩量可达20dB以上。

附图说明

图1 A/T超表面的等效电路图；

图2处于吸波频段A/T超表面的等效电路图；

图3氮化钽MA结构单元参数示意图；

图4氮化钽MA结构S₁₁曲线；

图5 FSS结构参数示意图；

图6频率选择表面S参数曲线；

图7 A/T超表面单元结构示意图；

图8 A/T超表面单元S参数曲线；

图9使用A/T覆层的微带天线结构示意图；

图10天线S₁₁比对曲线；

图11天线辐射方向图比对曲线(3.6GHz)(a)xoz面；(b)yoz面；

图12单站RCS随频率变化曲线；

图13天线单站RCS随角度变化比对曲线图(8.5GHz)(a)xoz面；(b)yoz面；

图14天线单站RCS随角度变化比对曲线图(15.5GHz)(a)xoz面；(b)yoz面；

图15天线双站RCS随角度变化比对曲线图(8.5GHz)(a)xoz面；(b)yoz面；

图16天线双站RCS随角度变化比对曲线图(15.5GHz)(a)xoz面；(b)yoz面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1 A/T超表面的设计与分析

1.1 A/T超表面理论分析

具有吸波/透波特性的A/T超表面由三部分组成：顶部为氮化钽MA结构，中部为介电常数2.2的Teflon介质板，底部为带通型FSS。根据等效电路理论，氮化钽MA结构可以由电阻，电容和电感串联取代，带通型FSS可以表示为电容和电感并联。介质板可以看作特性阻抗为Z_ε的传输线。基于以上分析，A/T超表面的等效电路如图1所示^[15]。

考虑宽带吸波的MA结构在图1中有两个或多个谐振点，则每个谐振频率对应于一个RLC串联电路。Z_o分别表示等效传输线和自由空间的特性阻抗。根据对微波网络的分析，A/T超表面的传输矩阵可以通过将MA结构，介质板和带通型FSS的传输矩阵级联得出。

首先，氮化钽MA结构的传输矩阵T_MA可以写为：

其中，

Teflon介质板的传输矩阵T_sub可以写为：

其中

l是介质板的厚度。

带通型FSS的传输矩阵T_FSS如下：

其中，

最终，A/T超表面的传输矩阵T_A/T可以写为：

T_A/T＝T_MA×T_sub×T_FSS (4)

当工作频带处于通带时，FSS的导纳近似等于零。因此传输矩阵可以简化推导如下：

根据T参数和S参数的定义，传输系数S₂₁等于1/T₁₁，因此S₂₁为：

当天线工作时，天线的工作频段应与带通型FSS的通带重合。为了让使得电磁波尽可能通过覆层，则S₂₁应尽可能大，MA结构的导纳应尽可能小。从传输系统的角度来看，电阻R应该足够大，因此，具有半导体特性的氮化钽材料的使用符合传输线理论对于材料的要求。同时可以看出，衬底的厚度对透射系数的影响较小。

而对于处在天线工作频带之外也就是带通型FSS的通带之外的频段，则希望电磁波能够被尽量吸收以降低RCS。此时，带通型FSS可以看作金属板，A/T超表面的等效电路可以进一步简化为图2。如果自由空间的阻抗与A/T超表面的阻抗匹配，则可以获得较好的吸波率。

根据电磁理论，入射端口的反射系数Γ如下：

其中，Z_in为图2所示的输入阻抗，其表达式可写为：

其中，Z_M＝R+1/(jωC₁)+jωL₁，

Z₂表示带通型FSS的阻抗。当电磁波频段处于在FSS的阻带频段时，它近似等于零。同时，输入阻抗Z_in和带通型FSS的特性阻抗Z_F可以简化：

Z_F＝j tanβl (10)

从表达式Z_in和Z_F可以看出随着厚度的增加，输入阻抗Z_in的值也随之增加。对于介质板较厚的A/T超表面，其阻抗随着频率的变化也会变快。而R代表氮化钽材料的等效电阻，其作为能量耗散元件对自由空间与吸收体之间的阻抗匹配有着重要的影响。

1.2 A/T超表面设计

A/T超表面覆层是由上层的周期性氮化钽结构、中间的介质板以及下层的FSS结构组成，在对这种复合结构进行设计之前，首先需要对两种结构单独进行仿真，通过对这两种不同结构的吸波透波特性进行仿真分析，来帮助我们对所提出的A/T超表面的原理进行解释与分析。

首先给出基于氮化钽的结构型吸波材料仿真实例。本发明所有的仿真过程均采用Ansys公司的HFSS15软件进行。图3所示为采用氮化钽材料置换普通金属贴片后MA的仿真与结构示意图。氮化钽MA采用Teflon介质板，介质板介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，介质厚度为2mm。上层由周期性排布的氮化钽材料构成，材料的导电率为7400siemens/m，下层为金属板。

图4给出了氮化钽MA结构的S₁₁随频率变化曲线。如图4所示，该结构在7-22GHz频带范围S₁₁均低于-5dB，说明这种基于氮化钽材料的MA结构能够实现电磁波的宽频带吸收。

为了实现本发明所提出的吸波/透波超表面特性，这里又设计了一款带通型频率选择表面。图5所示为带通型FSS的结构及参数示意图，由于最终要用FSS结构置换氮化钽MA的金属板，因此FSS在仿真中使用与氮化钽MA结构相同的介质板。

图6给出了频率选择表面的S参数随频率变化曲线。如图6所示，FSS结构在3.6GHz左右产生一组通带，若天线工作频带与FSS结构的通带重合，则天线辐射的电磁波能够顺利穿过FSS结构。因此，本发明中微带天线实例的工作中心频点为3.6GHz。由以上分析可知，当氮化钽MA结构采用金属板时能够实现7-22GHz的宽频带吸波效果，而所给出的FSS结构能够将天线的工作频带与通带重合。若将FSS结构置换氮化钽MA结构的金属板，则在天线的工作频带范围内，由于FSS的带通特性，天线辐射的电磁波能够顺利穿过覆层。在天线的工作频带范围外，FSS结构可以被当作金属反射板，则氮化钽MA结构可以正常工作。最终实现，当天线工作时，由天线辐射出的电磁波可以毫无阻碍的穿过覆层。而由外部空间照射至天线的电磁波在工作频带之外的部分均被上层的氮化钽MA结构吸收。为了验证这种理论，本发明将氮化钽MA结构与FSS结构相结合构成A/T超表面。图7所示为A/T超表面单元的结构示意图，A/T超表面的介质板参数与氮化钽MA结构所使用的介质板相同。

图8给出了A/T超表面单元的S参数随频率变化曲线。仿真时端口1朝向氮化钽结构一侧，端口2朝向FSS结构一侧。如图8所示，实线为电磁波照射至A/T超表面时的反射系数S₁₁，虚线为下方天线辐射的电磁波穿过A/T超表面的透射系数S₁₂。与上文所给出的FSS结构的结果类似，当天线向上辐射电磁波时，A/T超表面能够在3.6GHz附近频段产生一组通带，与天线的工作频带重合。说明A/T超表面作为天线覆层时并未对天线辐射的电磁波产生阻碍，天线辐射的电磁波能够顺利穿过FSS结构。而对于外部空间照射至A/T超表面的电磁波，在7-20GHz频段反射系数基本低于-5dB。其中反射系数的一些峰值是由于FSS结构中除了3.6GHz的通带之外的高阶谐振模式所造成，但基本能够保证天线覆层在除天线工作频带外的较宽频带范围内对入射波的吸收作用。

2 A/T超表面覆层在天线RCS减缩中的应用

上文对于A/T超表面进行了仿真分析，为了说明本发明所提出的将A/T超表面用于天线覆层时天线RCS减缩的有效性，针对之前给出的A/T超表面模型，将其作为天线覆层置于微带天线的上方，对使用覆层前后Y微带天线的辐射散射特性进行分析。图9所示分别为微带天线的结构图以及使用A/T超表面覆层后的天线结构示意图。微带天线中金属辐射贴片的尺寸为27mm*25.9mm，介质板尺寸为58.8mm*58.8mm**2mm。介质板仍采用Teflon板，介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009。天线馈电采取底馈方式，馈电点距离微带贴片中心距离为4.5mm，覆层距天线表面18mm。

首先对天线的辐射特性进行仿真验证，图10所示为使用覆层前后天线的S₁₁曲线，可以看出天线的中心工作频点为3.6GHz，且使用覆层前后天线的S₁₁基本保持不变。图11所示为使用A/T覆层前后微带天线的辐射方向图曲线。如图所示，使用A/T覆层后微带天线的辐射方向图与使用覆层前相比吻合良好，且增益还提高了约1.1dB。可以看出，与一般的RCS减缩技术相比，本发明所提出的方法不但没有出现增益的损失还能够小幅提高天线的增益。而增益提升的主要原因是由于天线上方覆层的存在，使得覆层和天线之间产生了Fabry-Perot谐振腔效应，起到了一定的波束汇聚作用^[16-17]，增加了天线的增益。由以上分析可得，在天线的工作频带内，使用A/T覆层能够最大限度的保证天线的辐射性能。

之后，为了验证使用A/T覆层的RCS减缩效果，对使用A/T覆层前后微带天线的散射特性进行仿真分析以证明方法的有效性。

设置入射波沿天线表面的法线方向，垂直于天线照射，入射波极化为θ极化。平面波照射下，天线的单站RCS随频率的变化如图12所示。图中可以看出，使用A/T覆层后，微带天线的单站RCS在5GHz-19GHz频段范围内均有不同程度的缩减，其中在15.4GHz时，最大缩减量可达20dB。而在9.5GHz等几个频点所出现的峰值同样是由于FSS结构的高次模造成。但基本不影响天线在整个频带范围内实现宽频RCS减缩。因此说明，将A/T覆层置于天线上方用于天线RCS减缩的方法是有效可行的。

为了进一步说明使用该方法的RCS减缩效果，图13及图14给出了使用A/T覆层前后微带天线的单站RCS随角度变化的仿真曲线，入射波极化均为θ极化。为了验证该方法的宽带RCS减缩特性，分别给出8.5GHz以及15.5GHz两组频点的单站RCS随角度变化曲线。图13所示入射波工作频率为8.5GHz，如图13(a)所示，使用A/T覆层时，天线xoz面的RCS减缩区间为-15°≤θ≤+15°以及±40°≤θ≤±90°，最大减缩量可达10dB以上。图13(b)给出了天线yoz面上RCS随角度变化曲线，可以看出RCS的减缩区间为-10°≤θ≤+10°以及±40°≤θ≤±90°。图14所示入射波工作频率为15.5GHz，如图14所示，xoz面与yoz面上的微带天线单站RCS均有不同程度缩减，减缩区间为-40°≤θ≤+40°以及±70°≤θ≤±90°。由此可得，微带天线使用A/T覆层后，天线的单站RCS在一定的角度范围内均有明显降低。

对应于单站RCS的角度变化曲线，图15、图16给出了使用A/T覆层前后微带天线的双站RCS随入射波入射角度变化曲线。入射波垂直于天线入射，极化方式为θ极化。图13所示入射波工作频率为8.5GHz，如图15(a)所示，使用A/T覆层时，天线xoz面的双站RCS在天线的整个上方空间实现了全角域的RCS减缩，最大减缩量可达10dB以上。图15(b)给出了天线yoz面上双站RCS变化曲线，可以看出RCS的减缩区间为-50°≤θ≤+50°。图16所示入射波工作频率为15.5GHz，如图16所示，xoz面上微带天线的双站RCS减缩区间为-45°≤θ≤+45°，yoz面上天线的双站RCS减缩区间为-30°≤θ≤+30°。由天线的双站RCS随角度的变化曲线可以进一步说明，微带天线使用A/T覆层后，天线的总体RCS在一定的角度范围内均有明显降低，具有良好的工程应用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

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Claims (1)

1.一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法，其特征在于，该吸波/透波超表面由三部分组成：顶部为周期性氮化钽MA结构，中部为介电常数2.2的Teflon介质板，底部为带通型FSS；可用于天线覆层制备中，将其作为覆层的天线为平板式微带天线；

其计方法包括以下步骤：

步骤1、首先需要对两种结构单独进行仿真，通过对这两种不同结构的吸波透波特性进行仿真分析，对所提出的A/T超表面的原理进行解释与分析，氮化钽MA采用Teflon介质板，介质板介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，介质厚度为2mm，上层由周期性排布的氮化钽材料构成，材料的导电率为7400siemens/m，下层为金属板；

步骤2、设计了一款周期性排布的带通型频率选择表面，FSS在仿真中使用与氮化钽MA结构相同的介质板；

步骤3、确定结构参数时，需调整参数使得上层氮化钽MA结构的吸波频段需区别于带通型FSS的透波频段；

步骤4、将氮化钽MA结构与FSS结构相结合构成A/T超表面；

步骤5、在应用时，带通型FSS的透波频段需覆盖天线的工作频段。

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