CN110504549B - 基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，主要解决现有技术平面集成度及带外选择性差的问题。其包括顶层谐振层、中间层和底层谐振层，每层包括m×n个单元；顶层单元由方形薄膜电阻、两种T型金属条带和L型金属条带组成，两种T型金属条带轴对称分布，第一种T型金属条带与方形薄膜电阻的四边分别连接，两个L型金属条带对称分布于第二种T型金属条带两侧且与第二种T型金属条带相连；中间层单元为分形方环金属结构；底层单元由金属方环和环内Jerusalem十字组成，顶层与中层之间设有一层质基板并由支撑杆固定，中层与底层之间设有两层介质基板。本发明平面集成度高，可批量生产，带外选择性好，可用于天线罩和电磁屏蔽。

Description

基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面

技术领域

本发明属于天线隐身技术领域，主要涉及吸波透波一体化频率选择表面，可用于天线罩和电磁屏蔽。

背景技术

具有特殊形状和性能的频率选择表面天线罩通常能够减少雷达的探测概率，并且对于天线雷达散射截面RCS的减小起到至关重要的作用。传统的频率选择表面天线罩可以在天线需要的工作频率允许电磁波通过，而将工作频率以外的电磁波反射到别的方向，从而实现雷达天线系统的单站隐身。但对于双站或者多站雷达，则失去了全方位隐身的作用。为此，研究人员提出了吸波透波一体化的频率选择表面天线罩AFSS，其既能实现通带内低损耗传输，同时实现通带外宽带吸波，且吸波结构不会破坏通带的传输效果。与传统的带外反射型天线罩相比，这种天线罩能够实现全方位隐身。

近年来，有很多团队的研究人员已经研究并设计了许多AFSS结构，为实现通带外宽带吸波的特点，通常的办法是对阻抗表面加载集总电阻，而随着频率的升高，其应用逐渐受限，且不利于平面集成化和批量化生产。例如，2012年，Xi Chen等人提出了一种集总电阻加载型超材料吸波频率选择表面结构，其阻抗表面由加载集总电阻的导电环和环内的三角形贴片构成，带通FSS为方形孔径结构。有耗介质以及电阻的使用实现了低频5～15GHz的宽带吸波，且高频20GHz处有一个通带。但是由于采用集总电阻加载的阻抗表面，非常不便于平面集成化和批量化生产。2019年，Qing Chen等人设计出了一种宽带小型化吸波/透波频率选择表面结构，阻抗表面是由电阻加载的六边形金属环和其每一侧中心插入的圆形螺旋谐振器构成。圆形螺旋谐振器相当于具有高电感和低寄生电容的并联LC电路，谐振在10GHz的通带频率处。带通FSS是由两层相同的六边形贴片通过中间一层六边形孔径耦合，通带插入损耗约0.5dB，通带比较平坦。此外，该结构尺寸较小，具有良好的极化稳定性和入射角稳定性，但是其通带的带外选择特性不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于石墨烯电阻膜的高选择性吸波透波一体化频率选择表面，便于平面集成化和批量化生产，提高通带稳定性和带外选择特性。

本发明的技术思路是设计低频透波/高频吸波的AFSS结构，采用石墨烯薄膜替代集总电阻，实现便于平面集成化和批量化生产的特性；通过引入支撑杆及底层谐振层采用金属方环和环内Jerusalem十字结构组合的设计，引入通带两侧各一个传输零点，提高带外选择性。

根据上述思路，本发明基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，包括自上而下依次层叠的顶层谐振层、中间层和底层谐振层，顶层谐振层与中间层之间设有第一介质基板，中间层与底层谐振层之间设有第二介质基板和第三介质基板，每层包括m×n个金属贴片单元，其特征在于：

所述顶层谐振层的每个单元由一块方形薄膜电阻、第一种T型金属条带，第二种T型金属条带和两个结构相同的L型金属条带组成，第一种T型金属条带通过旋转对称与方形薄膜电阻的四条边分别相连，第二种T型金属条带与第一种T型金属条带呈轴对称分布，两个L型金属条带对称分布于第二种T型金属条带的两侧，且与第二种T型金属条带相连；

所述中间层的每个单元由分形方环金属结构构成；

所述底层谐振层的每个单元由金属方环和环内的Jerusalem十字结构组合而成，用以产生透波效果；

所述第一介质基板设有4×m×n个金属化过孔，每个过孔内安装有支撑杆；

所述顶层谐振层的每个单元与中间层的每个单元之间通过四个支撑杆固定连接，三者共同产生宽带吸波效果。

作为优选，所述方形薄膜电阻是石墨烯电阻膜，其方阻取值范围为700Ohm/sq～1000Ohm/sq，其边长a的取值范围为0.028λ_t≤a≤0.039λ_t，λ_t＝c/f_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长，c为真空中的光速，f_t是通带中心频率。

作为优选，所述分形方环金属结构，由正方形方环在其四条边边缘分别蚀刻完全相同的阶梯状矩形凹槽构成，正方形方环的边长l₄的取值范围为0.140λ_t≤l₄≤0.146λ_t，环宽w₄的取值范围为0.0042λ_t≤w₄≤0.007λ_t，该阶梯状矩形凹槽的长度l₅的取值范围为0.106λ_t≤l₅≤0.117λ_t。

作为优选，所述环内的Jerusalem金属十字结构，由十字交叉金属条和分别位于十字交叉金属顶端的四个矩形金属条构成，每条十字交叉金属条的长度l₆取值范围为0.148λ_t≤l₆≤0.16λ_t，宽度w₆取值范围为0.042λ_t≤w₆≤0.044λ_t；每个矩形金属条的长度l₇取值范围为0.134λ_t≤l₇≤0.146λ_t，宽度w₇取值范围为0.089λ_t≤w₇≤0.103λ_t。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于在每个单元中只用一片石墨烯电阻膜即可实现全向电阻的效果，无需焊接多个集总电阻，便于平面集成化和批量化生产。

2.本发明由于采用顶、中、底多层结构，可以产生一个二阶通带和一个较宽的吸波频带，其透波及吸波效果良好。

3.本发明由于在每一层结构中均采用了中心对称的图案设计，使得该频率选择表面对极化不敏感，并且在0～30度的斜入射情况下仍能够保持稳定的性能。

4.本发明通过在顶层和中层之间引入支撑杆结构，在底层采用金属方环和环内Jerusalem十字相组合的结构，可在通带的左右两侧各产生了一个传输零点，提高了通带的带外选择特性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中的顶层结构示意图；

图3为本发明中的中间层的结构示意图；

图4为本发明中的底层结构示意图；

图5为本发明中的支撑杆结构示意图

图6为用本发明实施例仿真的频率选择表面在不同极化下的传输系数和反射系数曲线图；

图7为用本发明实施例仿真的频率选择表面在不同极化下入射角度从0度增加至30度对应的传输系数和反射系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例和效果作进一步描述：

参照图1，本实施例自上而下依次为：顶层谐振层1、中间层2和底层谐振层3，每层均包括m×n个金属贴片单元，其中，m≥2，n≥2。顶层谐振层1与中间层2之间设有第一介质基板4，第一介质基板4的上表面与顶层谐振层1相接，第一介质基板4的下表面与中间层2相接；中间层2与底层谐振层3之间依次设有第三介质基板6和第二介质基板5，该第三介质基板6的上表面与中间层2相接，第三介质基板6的下表面与第二介质基板5的上表面相接，第二介质基板5的下表面与底层谐振层3相接；第一介质基板4采用厚度h₁＝0.5mm，相对介电常数ε_r1＝3.5的介质；第二介质基板5采用厚度h₂＝0.25mm，相对介电常数ε_r2＝3.5的介质；第三介质基板6采用厚度h₃＝4.85mm，相对介电常数ε_r3＝1的介质。

参照图2，所述顶层谐振层1上的每个单元由一块方形薄膜电阻11、第一种T型金属条带12，第二种T型金属条带13和两个结构相同的L型金属条带14组成。第一种T型金属条带12通过旋转对称与方形薄膜电阻11的四条边分别相连，第二种T型金属条带13与第一种T型金属条带12呈轴对称分布，两个L型金属条带14对称分布于第二种T型金属条带13的两侧，且与第二种T型金属条带13相连。其中：

方形薄膜电阻11采用石墨烯电阻膜，方阻取值范围为700Ohm/sq～1000Ohm/sq，其边长a的取值范围为0.028λ_t≤a≤0.039λ_t；第一种T型金属条带12的顶部长度l₁的取值范围为0.106λ_t≤l₁≤0.117λ_t，纵向长度d₁的取值范围为0.042λ_t≤d₁≤0.053λ_t，纵向宽度w₁的取值范围为0.022λ_t≤w₁≤0.028λ_t；第二种T型金属条带13的顶部长度l₂的取值范围为0.106λ_t≤l₂≤0.117λ_t，纵向长度d₂的取值范围为0.053λ_t≤d₂≤0.058λ_t，纵向宽度w₂的取值范围为0.0112λ_t≤w₂≤0.0168λ_t；第二种T型金属条带13与第一种T型金属条带12之间的距离w₃取值范围为0.004λ_t≤w₃≤0.007λ_t；L型金属条带14的横向长度l₃的取值范围为0.050λ_t≤l₃≤0.056λ_t，纵向长度d₄的取值范围为0.042λ_t≤d₄≤0.05λ_t。

本实施例中各项参数的具体取值如下，但不限于该取值：

石墨烯电阻膜的方阻取800Ohm/sq,边长a＝1.2mm，顶部长度l₁＝4.0mm，纵向长度d₁＝1.7mm，纵向宽度w₁＝0.9mm；顶部长度l₂＝4mm,纵向长度d₂＝2mm，纵向宽度w₂＝0.5mm；距离w₃＝0.2mm；横向长度l₃＝1.9mm，纵向长度d₄＝1.8mm。

参照图3，所述中间层2上的每个单元由分形方环金属结构21构成，分形方环金属结构21由正方形方环211在其四条边边缘分别蚀刻完全相同的阶梯状矩形凹槽212构成。其中：

正方形方环211的边长l₄的取值范围为0.140λ_t≤l₄≤0.146λ_t，环宽w₄的取值范围为0.0042λ_t≤w₄≤0.007λ_t，阶梯状矩形凹槽212的长度l₅的取值范围为0.106λ_t≤l₅≤0.117λ_t。

本实施例中各项参数取但不限于其正方形方环的边长l₄＝5.3mm，宽度w₄＝0.2mm，阶梯状矩形凹槽长度l₅＝4mm。

参照图4，所述底层谐振层3上的每个单元由金属方环31和环内的Jerusalem十字32组合而成，用以产生透波效果；位于环内的Jerusalem金属十字结构32，由十字交叉金属条321和分别位于十字交叉金属顶端的四个矩形金属条322构成。其中：

每条十字交叉金属条321的长度l₆取值范围为0.148λ_t≤l₆≤0.16λ_t，宽度w₆取值范围为0.042λ_t≤w₆≤0.044λ_t；每个矩形金属条322的长度l₇取值范围0.134λ_t≤l₇≤0.146λ_t，宽度w₇取值范围为0.089λ_t≤w₇≤0.103λ_t；底层方环形金属结构31，其外圈长度l₈的取值范围为0.28λ_t≤l₈≤0.337λ_t，内圈长度l₉的取值范围为0.196λ_t≤l₉≤0.224λ_t；Jerusalem金属十字结构32与底层方环形金属结构31之间的距离w₈取值范围为0.011λ_t≤w₈≤0.016λ_t。

本实施例中各项参数取但不限于如下取值：

底层方环形金属结构31的外圈长度l₈＝11mm,内圈长度l₉＝7.5mm；每条十字交叉金属条321的长度l₆＝5.5mm，宽度w₆＝1.55mm，每个矩形金属条322的长度l₇＝5mm，宽度w₇＝3.5mm，方环形金属结构31与Jerusalem金属十字结构32之间的距离w₈＝0.5mm；

参照图5，所述第一介质基板4设有4×m×n个金属化过孔7，每个过孔内安装有支撑杆8，顶层谐振层1的每个单元与中间层2的每个单元之间通过四个支撑杆8固定连接，三者共同产生宽带吸波效果。其中：

支撑杆8的半径r取值范围为0.004λ_t≤r≤0.007λ_t，高度h₄的取值范围为0.014λ_t≤h₄≤0.016λ_t。

本实施例中各项参数取但不限于支撑杆8的半径r＝0.2mm，高度h₄＝0.5mm。

下面通过仿真和实验对本实例的技术效果进行验证性说明。

1.仿真条件：

本实施例中，设每层的金属贴片单元个数m和n均为无限大，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例的传输系数和反射系数进行仿真。

2.仿真内容与结果：

仿真1，在垂直入射条件下分别以TE极化，TM极化对本实例的频率选择表面进行仿真，得到传输系数曲线和反射系数曲线，如图6所示。由图6可知：频率选择表面的通带中心频率为8.43GHz，插入损耗为0.13dB，在通带左侧f₀₁＝6.32GHz和右侧f₀₂＝13.43GHz处，各有一个传输零点。通带右侧的吸波频段为9.7～14.8GHz，该频带内反射系数均小于-10dB，相对带宽为41.6％。

仿真2，分别在TE极化,TM极化下，对入射角从0度增加至30度时本实例的频率选择表面进行仿真，得到传输系数和反射系数曲线，如图7所示。其中，图7(a)为在TE极化下，得到的传输系数和反射系数曲线；图7(b)为在TM极化下，得到的传输系数和反射系数曲线。由图7(a)可知：在TE极化下，入射角度范围为0°≤θ≤30°时，频率选择表面的通带，零点以及吸波效果均比较稳定。由图7(b)可知：在TM极化下，入射角度范围为0°≤θ≤30°时，频率选择表面的通带，零点以及吸波效果基本保持良好，但在高频吸波频带内有一个毛刺。

以上仿真结果说明，本实例的吸透一体化频率选择表面实现了在低频以低插入损耗传输电磁波，在高频较宽的频带内有效吸波，且在通带左右两侧各有一个传输零点，该频率选择表面在TE极化和TM极化下，以不同角度入射时均能表现出良好稳定的通带，零点以及吸波效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，包括自上而下依次层叠的顶层谐振层(1)、中间层(2)和底层谐振层(3)，顶层谐振层(1)与中间层(2)之间设有第一介质基板(4)，中间层(2)与底层谐振层(3)之间设有第二介质基板(5)和第三介质基板(6)，每层包括m×n个金属贴片单元，其特征在于：

所述顶层谐振层(1)的每个单元由一块方形薄膜电阻(11)、第一种T型金属条带(12)，第二种T型金属条带(13)和两个结构相同的L型金属条带(14)组成，第一种T型金属条带(12)通过旋转对称与方形薄膜电阻(11)的四条边分别相连，第二种T型金属条带(13)与第一种T型金属条带(12)呈轴对称分布，两个L型金属条带(14)对称分布于第二种T型金属条带(13)的两侧，且与第二种T型金属条带(13)相连；

所述中间层(2)的每个单元由分形方环金属结构(21)构成；

所述底层谐振层(3)的每个单元由金属方环(31)和环内的Jerusalem十字结构(32)组合而成，用以产生透波效果；

所述第一介质基板(4)设有4×m×n个金属化过孔(7)，每个过孔内安装有支撑杆(8)；

所述顶层谐振层(1)的每个单元与中间层(2)的每个单元之间通过四个支撑杆(8)固定连接，三者共同产生宽带吸波效果。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述方形薄膜电阻(11)是石墨烯电阻膜，其方阻取值范围为700Ohm/sq～1000Ohm/sq，其边长a的取值范围为0.028λ_t≤a≤0.039λ_t，λ_t＝c/f_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长，c为真空中的光速，f_t是通带中心频率。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于：

所述第一种T型金属条带(12)的顶部长度l₁的取值范围为0.106λ_t≤l₁≤0.117λ_t，纵向长度d₁的取值范围为0.042λ_t≤d₁≤0.053λ_t，纵向宽度w₁的取值范围为0.022λ_t≤w₁≤0.028λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长；

所述第二种T型金属条带(13)的顶部长度l₂的取值范围为0.106λ_t≤l₂≤0.117λ_t，纵向长度d₂的取值范围为0.053λ_t≤d₂≤0.058λ_t，纵向宽度w₂的取值范围为0.0112λ_t≤w₂≤0.0168λ_t；

第二种T型金属条带(13)与第一种T型金属条带(12)之间的距离w₃取值范围为0.004λ_t≤w₃≤0.007λ_t。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述L型金属条带(14)的横向长度l₃的取值范围为0.050λ_t≤l₃≤0.056λ_t，纵向长度d₄的取值范围为0.042λ_t≤d₄≤0.05λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述分形方环金属结构(21)，由正方形方环(211)在其四条边边缘分别蚀刻完全相同的阶梯状矩形凹槽(212)构成，正方形方环(211)的边长l₄的取值范围为0.140λ_t≤l₄≤0.146λ_t，环宽w₄的取值范围为0.0042λ_t≤w₄≤0.007λ_t，阶梯状矩形凹槽(212)的长度l₅的取值范围为0.106λ_t≤l₅≤0.117λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，位于环内的Jerusalem十字结构(32)，由十字交叉金属条(321)和分别位于十字交叉金属顶端的四个矩形金属条(322)构成，每条十字交叉金属条(321)的长度l₆取值范围为0.148λ_t≤l₆≤0.16λ_t，宽度w₆取值范围为0.042λ_t≤w₆≤0.044λ_t；每个矩形金属条(322)的长度l₇取值范围为0.134λ_t≤l₇≤0.146λ_t，宽度w₇取值范围为0.089λ_t≤w₇≤0.103λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述底层方环形金属结构(31)，其外圈长度l₈的取值范围为0.28λ_t≤l₈≤0.337λ_t，内圈长度l₉的取值范围为0.196λ_t≤l₉≤0.224λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述Jerusalem十字结构(32)与底层方环形金属结构(31)之间的距离w₈取值范围为0.011λ_t≤w₈≤0.016λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长。

9.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于：

第一介质基板(4)采用厚度h₁＝0.5mm，相对介电常数ε_r1＝3.5的介质；

第二介质基板(5)采用厚度h₂＝0.25mm，相对介电常数ε_r2＝3.5的介质；

第三介质基板(6)采用厚度h₃＝4.85mm，相对介电常数ε_r3＝1的介质。

10.根据权利要求1所述的基于石墨烯的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述支撑杆(8)的半径r取值范围为0.004λ_t≤r≤0.007λ_t，高度h₄的取值范围为0.014λ_t≤h₄≤0.016λ_t，其中，λ_t是通带中心频率f_t对应的波长。

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