CN110034407B - 一种透波/隐身一体化超材料结构 - Google Patents

一种透波/隐身一体化超材料结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种透波/隐身一体化超材料结构，所述超材料结构由四层子结构组成，其中，所述四层子结构中，由上至下第一层子结构为第一介质层，第二层子结构为具有特定方阻的电阻浆料形成的周期结构，第三层子结构为第二介质层，第四层子结构为FSS微结构,所述第二层子结构印制在所述第一介质层上或所述第二介质层上，所述第四层子结构复合在所述第二介质层上。本发明通过对超材料结构的各层子结构进行设计、组合并对子结构之间的比例关系进行调整匹配实现了超材料结构在X波段内透波、低频强隐身特性，改善了采用金属结构频率选择表面类透波结构带来的自身反射问题；本发明的超材料结构可应用于天线罩、天线窗等各类透波结构，应用范围广泛。

Description

一种透波/隐身一体化超材料结构
技术领域
本发明提供一种透波/隐身一体化超材料结构，属于电磁场与微波技术领域。
背景技术
随着现代雷达探测技术的不断发展进步，雷达的探测距离和探测精度不断提高，极大的削弱武器装备的战场生存能力和突防能力，为了应对这一变化，武器装备的强隐身设计越来越受到关注。超材料技术由于其在电磁调控方面独特的功能优势在隐身领域得到广泛应用。应用最早也最广泛的是频率选择表面超材料技术，频率选择表面是一种空间电磁波滤波结构，通过周期排布的金属单元结构形成特定频率电磁波下的电磁谐振，使得该频段电磁波能够选择性的透过或反射，从而在保证己方雷达正常工作的同时减小特定频段雷达散射截面积。
但是随着对装备隐身及抗干扰性能要求的不断提高，金属结构的频率选择表面本身的反射影响变得不能忽略，特别是对于一些非低RCS外形目标的隐身设计，该技术难以满足需求；另外，传统的涂覆型或结构型吸波材料通常需要贴覆于纯金属的底板，无法满足透波需求。基于此，需要设计性能更加优异的透波/隐身一体化超材料结构。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种透波/隐身一体化超材料结构，本发明提供的超材料结构克服了金属化频率选择表面自身反射的技术难题，且所述的超材料结构在X波段内具有对电磁波的高透过性，同时在低频段内具有强的隐身性能。
本发明的技术解决方案：
一方面，本发明提供一种透波/隐身一体化超材料结构，所述超材料结构由四层子结构组成，其中，所述四层子结构中，由上至下第一层子结构为第一介质层，第二层子结构为具有特定方阻的电阻浆料形成的周期结构，第三层子结构为第二介质层，第四层子结构为FSS微结构,所述第二层子结构印制在所述第一介质层上或所述第二介质层上，所述第四层子结构复合在所述第二介质层上。
进一步地，所述第一介质层和所述第二介质层的材质可以相同或不同；所述的第一介质层或第二介质层为单一介质材料或复合材料；
进一步地，所述第二层子结构由采用丝网印刷工艺将所述具有特定方阻的浆料印制于所述第一介质层上或第二介质层上制得；
进一步地，所述具有特定方阻的电阻浆料形成的周期结构中，所述特定方阻浆料构成正六边形贴片单元，所述正六边形贴片单元采用蜂窝型栅格周期排列，且所述正六边形贴片单元与蜂窝栅格共对称中心；
进一步地，所述FSS微结构为周期排布的金属微结构层，具体为通过掩膜刻蚀工艺在聚酰亚胺薄膜上形成的金属微结构层，所述金属微结构层通过粘接等方式复合在所述第二介质层上；
进一步地，所述FSS微结构的结构单元为正多边形环与该正多边形环内部的三角形贴片组复合而成，其中，所述的三角形贴片组由多个相同的等腰三角形贴片组成，其中，所述多个相同的等腰三角形贴片的顶点相交于一点，且任意相邻等腰三角形之间的夹角均相等；
进一步地，所述FSS微结构的结构单元采用蜂窝型栅格周期排列，所述FSS 微结构的结构单元具体为正六边形环与该正六边形环内部的三角形贴片组复合而成，所述三角形贴片组由六个相同的等腰三角形贴片组成；
进一步地，所述第一介质层的厚度为b＝0.5p～0.6p；所述第二介质层的厚度为c＝0.3p～0.8p，其中，p为正六边形环的外环边长；
进一步地，所述的第二层子结构中，正六边形贴片单元的边长为 d＝0.6p～0.75p，蜂窝栅格边长为p，方阻R等于50Ω/□-300Ω/□；
进一步地，所述正六边形环的宽w＝0.2p～0.25p；所述等腰三角形贴片的高 a＝0.4p～0.6p，等腰三角形贴片的顶角α＝20°～45°。
本发明相比于现有技术具有以下优势：
第一，本发明的透波/隐身一体化超材料结构，结合了金属结构频率选择表面(FSS)的选择透波特性与电阻材料周期微结构(第二层子结构)的选择吸波特性，利用了金属频率选择表面对阻带电磁波的反射特性，为吸波结构提供了金属接地层，改善了吸波效果，同时也解决金属化频率选择表面自身反射的技术难题；且在金属化频率选择表面(FSS)的基础上增加了第二层子结构，相当于增加了一层特殊的谐振层，该层由周期排布的微结构组成，微结构通过将具有特定方阻的浆料用丝网印刷工艺印制于介质层上制备，周期排布的微结构对电磁波具有一定的调制作用，同时结合自身电阻特性，能够选择性的吸收特定工作频段内的电磁波，对阻带频段反射电磁波进行有效缩减，通过参数调整可以调节通带、阻带特性；
第二，本发明的透波/隐身一体化超材料结构中第四层子结构中结构单元采用蜂窝型排列，并且三角形贴片采用圆形排列，可有效改善周期结构极化稳定性，同时金属环与其内部三角形贴片结合可有效调节通带特性；
第三，本发明通过对超材料结构的各层子结构进行设计、组合并对子结构之间的比例关系进行调整匹配实现了超材料结构在X波段内透波、低频强隐身特性，改善了采用金属结构频率选择表面类透波结构带来的自身反射问题；
第四，本发明的超材料结构可应用于天线罩、天线窗等各类透波结构，用于改善结构阻带抑制特性，以满足隐身、电磁兼容等方面应用需求，应用范围广泛。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为根据本发明实施例提供的一种透波/隐身一体化超材料结构的示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种透波/隐身一体化超材料结构中第二层子结构的示意图；
图3为为根据本发明实施例提供的一种透波/隐身一体化超材料结构中第四层子结构的示意图；
图4为根据本发明实施例1提供的一种透波/隐身一体化超材料结构在 1GHz-12GHz的传输特性；
图5为根据本发明实施例2提供的一种透波/隐身一体化超材料结构在 1GHz-12GHz的传输特性。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1～3所示，根据本发明实施例提供一种透波/隐身一体化超材料结构，
所述超材料结构由四层子结构组成，其中，所述四层子结构中，由上至下第一层子结构为第一介质层，第二层子结构为电阻材料制备的周期排布微结构层，具体为具有特定方阻的电阻浆料形成的周期结构层，第三层子结构为第二介质层，第四层子结构为FSS微结构，所述第二层子结构印制在所述第一介质层上或所述第二介质层上，具体地，当所述第二层子结构印制在所述第一介质层时，所述第二层子结构同时还复合在所述第二层介质上，当所述第二层子结构印制在所述第二介质层时，所述第二层子结构同时还复合在所述第一介质层上，且可采用粘接等方式进行复合，所述第四层子结构复合在所述第二介质层上，其中的第一介质层和第二介质层，既能起到隔离、支撑作用，又能起到调节阻抗匹配的作用，具体地，由上到下：
第一层子结构为第一介质层，可以是单一介质材料，也可以是复合材料等，厚度为b；
如图2所示，第二层子结构为具有特定方阻的电阻浆料通过丝网印刷形成的周期结构，方阻值为R，其中，所述特定方阻浆料构成正六边形贴片单元，所述正六边形贴片单元采用蜂窝型栅格周期排列，且所述正六边形贴片单元与蜂窝栅格共对称中心；蜂窝栅格边长为p，正六边形贴片边长为d；
第三层子结构为介质层，可以是单一介质材料，也可以是复合材料等，厚度为c；
如图3所示，第四层子结构为FSS微结构，具体为通过掩膜刻蚀工艺在聚酰亚胺薄膜上形成的周期排布的金属微结构层，所述金属微结构层通过粘接等方式复合在所述第二介质层上，其中，所述FSS微结构的结构单元为正六边形金属环与该正六边形环内部的三角形贴片组复合而成，其中，所述的三角形贴片组由六个相同的等腰三角形贴片组成，其中，所述六个相同的等腰三角形贴片的顶点相交于一点，且任意相邻等腰三角形之间的夹角均相等；蜂窝栅格单元边长为p，正六边形金属环外环边长为p，环宽为w，三角形贴片高为a，三角形贴片顶角为α；
上述各层子结构中的相关参数满足：
所述第一介质层的厚度为b＝0.5p～0.6p；
所述正六边形贴片边长d＝0.6p～0.75p，材料方阻R等于50Ω/□-300Ω/□， 其中，该方阻单位中出现的方框是一个单位，读“方”，1方代表1mm*1mm的一个小方块，具体参见国标GB/T 17473.3-2008；
所述的第二介质的厚度c＝0.3p～0.8p；
所述正六边形金属环的环宽w＝0.2p～0.25p；
所述三角形贴片的高a＝0.4p～0.6p，顶角α＝20°～45°。
本发明实施例提供的一种透波/隐身一体化超材料结构通常吸波材料，其设计原理在于：传统吸波材料都是贴覆于一层金属底板上的，电磁波透过上层介质到达金属底板，然后被金属底板反射，一方面入射和反射电磁波形成干涉相消，另一方面在穿透介质层的过程中实现对电磁波的吸收损耗，这样的的结构是无法实现透波的。而透波结构不需要一层金属底板，电磁波是直接穿透结构的，现有的透波/隐身一体化结构通常是在结构中加入FSS层，作用在于对于某些频段的电磁波能够低损耗的透过，而对另一些频段的电磁波则具有反射特性，结合构件(例如天线罩)本身的隐身外形可以实现透波/隐身的一体化。
而对于构件本身并非隐身外形的应用场景，FSS的隐身并非最优，本发明中的结构由两层介质层与一层金属微结构层和一层具有特定方阻的微结构层构成，一方面，结构本身并不存在金属底板，可以透波，代之以一层金属FSS(表面部分为金属)，在实现对部分频段电磁波选择透过的同时对另一些频段电磁波具有反射特性，对这一部分电磁波利用第一到第三层子结构构成的吸波结构吸收，从而减小反射到结构外的电磁波，实现透波与隐身的统一，其中第二层子结构(电阻材料周期微结构)的加入一方面其本身的形状与周期排布也会对电磁波具有一定的选择性，另一方面电阻材料也会改善结构吸波效果。
为了对本发明的透波/隐身一体化超材料结构性能有更进一步的了解，以下结合两组具体实例详细说明本发明。
实施例1
该实施例中的超材料结构在满足如图1-3所示结构的基础上进行，其中：
p＝5mm，结构其余参数取为a＝0.4p＝2mm，b＝0.6p＝3mm，c＝0.8p＝4mm， d＝0.7p＝3.5mm，w＝0.2p＝1mm,α＝20°,材料方阻R为300Ω/□。
该实施例的电性能计算结果如图4所示：在X波段内，中心频段为 11.5.0GHz，L、S波段透波率在20％以下，0～40°入射角范围内，即具有稳定的透波/隐身效果。
实施例2
该实施例中的超材料结构在满足如图1-3所示结构的基础上进行，其中：
p＝7mm，结构其余参数取为a＝0.57p＝4mm，b＝0.51p＝3.6mm， c＝0.34d＝2.4mm，d＝0.71p＝5mm，w＝0.21p＝1.5mm,α＝30°，材料方阻为100Ω/□，
该实施例的电性能计算结果如图5所示：在X波段内，中心频段为11.0GHz， L、S波段透波率在20％以下，0～40°入射角范围内，即具有稳定的透波/隐身效果。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述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。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述超材料结构由四层子结构组成，其中，所述四层子结构中，由上至下第一层子结构为第一介质层，第二层子结构为具有特定方阻的电阻浆料形成的周期结构，第三层子结构为第二介质层，第四层子结构为FSS微结构,所述第二层子结构印制在所述第一介质层上或所述第二介质层上，所述第四层子结构复合在所述第二介质层上；所述具有特定方阻的电阻浆料形成的周期结构中，所述特定方阻的电阻浆料构成正六边形贴片单元，所述正六边形贴片单元采用蜂窝型栅格周期排列，且所述正六边形贴片单元与蜂窝栅格共对称中心；所述FSS微结构的结构单元为正多边形环与该正多边形环内部的三角形贴片组复合而成，其中，所述的三角形贴片组由多个相同的等腰三角形贴片组成，其中，所述多个相同的等腰三角形贴片的顶点相交于一点，且任意相邻等腰三角形之间的夹角均相等。
2.根据权利要求1所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述第一介质层和所述第二介质层的材质可以相同或不同；所述的第一介质层或第二介质层为单一介质材料或复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述第二层子结构由采用丝网印刷工艺将所述具有特定方阻的电阻浆料印制于所述第一介质层上或第二介质层上制得。
4.根据权利要求1所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述FSS微结构为周期排布的金属微结构层，所述金属微结构层通过粘接等方式复合在所述第二介质层上。
5.根据权利要求1所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述FSS微结构的结构单元采用蜂窝型栅格周期排列，所述FSS微结构的结构单元具体为正六边形环与该正六边形环内部的三角形贴片组复合而成，所述三角形贴片组由六个相同的等腰三角形贴片组成。
6.根据权利要求5所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述第一介质层的厚度为b＝0.5p～0.6p；所述第二介质层的厚度为c＝0.3p～0.8p，其中，p为蜂窝栅格边长。
7.根据权利要求5所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述的第二层子结构中，正六边形贴片单元的边长为d＝0.6p～0.75p，蜂窝栅格边长为p，方阻R等于50Ω/□-300Ω/□。
8.根据权利要求5所述的一种透波/隐身一体化超材料结构，其特征在于：所述正六边形环的宽w＝0.2p～0.25p；所述等腰三角形贴片的高a＝0.4p～0.6p，等腰三角形贴片的顶角α＝20°～45°，p为蜂窝栅格边长。
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