CN110768009A - 吸波透波一体化装置及天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了吸波透波一体化装置及天线罩。吸波透波一体化装置，包括：透波结构体，包括第一基板和位于基板的相对表面上的金属贴片单元；吸波结构体，设置在透波结构体上，并包括相互垂直的第一吸波单元和第二吸波单元，第一吸波单元或第二吸波单元均包括：第二基板；多个金属区段和多个阻带，均位于第二基板的表面上；其中，多个金属区段与多个阻带以交替的方式连接为吸收环，并且金属贴片单元设置为与第一吸波单元的吸收环和第二吸波单元的吸收环均垂直。该装置能够达到在宽角域范围内L波段高透波率、Ku波段高吸收率，从而有效地改善了无线电设备的工作环境。

Description

吸波透波一体化装置及天线罩
技术领域
本发明的一般地涉及通信技术领域，更具体地，涉及吸波透波一体化装置及天线罩。
背景技术
随着现代电磁技术的不断发展，电磁频谱的划分越来越细，边界越发的不清晰。与此同时，电磁技术的发展也催生了威胁人类生存的电磁污染。目前保证不同频带之间的电磁兼容和治理电磁污染，吸波是一个重要的手段。但吸波也存在一些问题，吸波结构往往没有透波能力，这可能使得本来应该正常工作的无线电设备的工作受到一定程度的干扰。
目前常见的吸波透波一体化结构有多种形式，在集总电阻加载的金属条带上使用金属窄带制造出电容、电感器件，使得这一LC电路可以在特定频率下将能量局域在LC回路中，从而隔离电阻，达到透波的效果。这种结构可以实现吸波透波功能的一体化，但是由于使用金属窄带制造的电容电感尺寸极小，对于加工有很高要求。同时电容电感在入射角发生变化后会随之变化，这将导致回路谐振发生变化，影响吸波透波的性能。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的等缺陷，提供了能够解决上述问题的一种本发明提出了一种在宽角域范围内L波段高透波、Ku波段高吸收的吸波透波一体化结构及包括该结构的天线罩。
根据本发明的一方面，提供了一种吸波透波一体化装置，包括：透波结构体，包括第一基板和位于所述第一基板的相对表面上的金属贴片单元；吸波结构体，设置在所述透波结构体上，并包括相互垂直的第一吸波单元和第二吸波单元，所述第一吸波单元或所述第二吸波单元均包括：第二基板；多个金属区段和多个阻带，均位于所述第二基板的表面上；其中，所述多个金属区段与所述多个阻带以交替的方式连接为吸收环，并且所述金属贴片单元设置为与所述第一吸波单元的吸收环和所述第二吸波单元的吸收环均垂直。
优选地，所述多个阻带包括相同的第一阻带和第二阻带；以及所述多个金属区段包括第一金属区段和第二金属区段，其中，所述第一金属区段、所述第一金属区段、所述第一阻带和所述第二阻带共同连接为吸收环，其中，所述第一阻带位于所述第一金属区段的第一端和所述第二金属区段的第一端之间并且所述第二阻带位于所述第一金属区段的第二端和所述第二金属区段的第二端之间。
优选地，所述第一金属区段和所述第二金属区段包括半圆形环和在所述半圆形环的两端处延长的平行金属区段。
优选地，所述金属贴片单元包括金属实心贴片或金属环贴片。
优选地，所述金属环贴片的中心线长度为与所述金属贴片单元的谐振频率相对应的波长的整数倍。
优选地，所述金属环贴片还包括同心的内环和外环，所述内环位于所述第一基板的第一表面上；所述外环位于所述第一基板的第二表面上，其中，所述第一表面与所述第二表面相对并且所述金属环贴片的中心线长度为所述内环的长度与所述外环的长度的平均值。
优选地，所述透波结构体还包括：第一介质层，位于所述第一基板的第一表面上并且覆盖所述内环；以及第二介质层，位于所述第一基板的第二表面上并且覆盖所述外环。
优选地，所述内环和所述外环为正方形环、长方形环、圆形环或六边形环。
优选地，所述阻带还包括电感器和/或电容器。
根据本发明的另一方面，提供了一种天线罩，所述天线罩包括上述任一项所述的吸波透波一体化装置。
本发明使用了三维超材料和简单的二维频率选择表面的级联，结构简单。根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置能够实现在宽角域范围内L波段高透波率、Ku波段高吸收率。该吸波透波一体化装置可用作通信天线、雷达等器件的保护罩，可以在保证天线正常工作的前提下宽频宽角域的吸收，从而达到保证良好的天线工作环境。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的实施例的吸波结构体的吸收环的一个实例的结构示意图；
图2是根据本发明的实施例的透波结构体的内环和外环的一个实例的结构示意图；
图3A和图3B是根据本发明的实施例的吸波结构体的一个实例的正视图及侧视图；
图4是根据本发明的实施例的透波结构体的一个实例的侧视图；
图5是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的立体图；
图6是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的平行极化透射曲线图；
图7是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的平行极化反射曲线图；
图8是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的平行极化吸收曲线图；
图9是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的垂直极化透射曲线图；
图10是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的垂直极化反射曲线图；以及
图11是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的垂直极化吸收曲线图。
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。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。
本发明通过分别设计吸波结构体和透波结构体，然后级联的方式实现吸波透波一体化装置。目前采用的方法是在吸波频带内让入射波在透波结构体产生谐振反射后与入射波叠加，并在叠加后电场场强较强的位置设置电阻吸收电磁波。因此，透波结构体需要实现在低频L波段有高透波而在Ku波段有高截止特性。而吸波结构体需要在Ku波段入射波与反射波叠加后电场场强较强的部位设置电阻而在L波段有高的透波。其中，L波段是指频率在1-2GHz的无线电波波段，并且Ku波段为从12.75-18.1GHz的频段。
图1是根据本发明的实施例的吸波结构体的吸收环的一个实例的结构示意图。图2是根据本发明的实施例的透波结构体的内环和外环的一个实例的结构示意图。图3A和图3B是根据本发明的实施例的吸波结构体的一个实例的正视图及侧视图。图4是根据本发明的实施例的透波结构体的一个实例的侧视图。图5是根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置的立体图。下文中，将参照图1-图5对吸波透波一体化装置进行详细。
参照图5，根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置500，包括：透波结构体508，包括第一基板和位于基板的相对表面上的金属贴片单元；吸波结构体510，设置在透波结构体508之上，并包括相互垂直的第一吸波单元512和第二吸波单元514，第一吸波单元512或第二吸波单元514均包括：第二基板；多个金属区段，位于第二基板的表面上；以及多个阻带，在第二基板的表面上位于入射波在透波结构体处产生的反射波与入射波的叠加增强的位置处，具体地，多个阻带可以设置在第一吸波单元512和第二吸波单元514相互垂直的垂直正交线上或者垂直正交线附近，其中，多个金属区段与多个阻带以交替的方式连接为吸收环，并且金属贴片单元设置为与第一吸波单元的吸收环和第二吸波单元的吸收环均垂直，具体地，交替方式为金属区段-阻带-金属区段-阻带。
根据本发明的实施例，透波结构体在L波段具有高透波率并且吸波结构体在Ku波段具有高吸收率，因此，级联的透波结构体和吸波结构体的吸波透波一体化装置能够实现L波段有高透波并且Ku波段高吸收，从而改善可以有效地改善无线电设备的工作环境。
下文中，参照附图1、3和5，对吸波结构体进行详细描述。
参照图5，吸波结构体510，设置在透波结构体508之上，并包括相互垂直的第一吸波单元512和第二吸波单元514，第一吸波单元512和第二吸波单元514为相同的吸波单元300。该吸波单元300包括：第二基板302；多个金属区段，位于第二基板302的表面上；以及多个阻带，在第二基板302的表面上位于入射波在透波结构体502处产生的反射波与入射波的叠加增强的位置处，具体的，多个阻带可以设置在第一吸波单元512和第二吸波单元514相互垂直的垂直正交线上或者垂直正交线附近，其中，多个金属区段与多个阻带以交替的方式(例如，金属区段-阻带-金属区段-阻带)连接为吸收环304作为该吸波单元300的环形回路，并且金属贴片单元设置为与第一吸波单元的吸收环和第二吸波单元的吸收环均垂直。在一个实施例中，参照图1和3，多个阻带包括相同的第一阻带R1和第二阻带R2；以及多个金属区段包括第一金属区段116和第二金属区段118，其中，第一金属区段116、第一金属区段118、第一阻带R1和第二阻带R2连接为吸收环100，其中，第一阻带R1位于第一金属区段116的第一端和第二金属区段118的第一端(与第一金属区段的第一端属于同一侧)之间并且第二阻带R1位于第一金属区段116的第二端和第二金属区段118的第二端(与第一金属区段的第二端属于同一侧)之间。第一金属区段116和第二金属区段118均包括半圆形环和在半圆形环的两端处延长的平行金属区段，其中，第一金属区段116和第二金属区段118合在一起共同形成一个运动场的跑道形状，即两条平行线的同一侧的末端各自连接一个半圆形。在图1所示的实施例中，第一金属区段116包括半圆形环102和在半圆形环的两端处延长的平行金属区段106和110；以及第二金属区段118包括半圆形环104和在半圆形环的两端处延长的平行金属区段108和112。在其他实施例中，吸收环还可以为正方形环、矩形环、六边形环等多边形环，相应地，包括更大数量的金属区段和阻带，例如，包括四个金属区段和阻带或者六个金属区段和阻带等。阻带包括电阻器，其中，电阻器用于吸收反射波与入射波的叠加而生成的相长干涉的电磁波。在该实施例中，参照图1，电阻器设置为位于吸收环中的对称位置处，例如，多边形的平行的相对边上，使得与非对称电阻器相比较，该对称电阻器处的反射波与入射波的叠加而生成更强的电磁波。吸收环将吸收的电磁波的能量转换为电阻器的内能。在可选实施例中，阻带还可以包括电感器和电容器。
下文中，参照附图2、图4和图5对透波结构体进行详细描述。透波结构体508，包括第一基板和位于基板的相对表面上的金属贴片单元。其中，金属贴片单元包括金属实心贴片或金属环贴片。金属环贴片的中心线长度为与金属贴片单元的谐振频率相对应的波长的整数倍。具体地，参照图2，金属环贴片200还包括同心的内环204和外环202，内环204位于第一基板的第一表面上；外环202位于第一基板的第二表面上，其中，第一表面与第二表面相对并且金属环贴片200的中心线长度为内环204的长度与外环202的长度的平均值。参照图5，透波部508还包括：第一介质层504，位于第一基板502的第一表面上并且覆盖内环204；以及第二介质层506，位于第一基板502的第二表面上并且覆盖外环202。在实施例中，内环204和外环202为正方形环、长方形环、圆形环或六边形环或其它多边形环等。在该实施例中，将内环204和外环202设置为同心，从而能够减少电磁波的干涉。在另一实施例中，六边形环还可以使得电磁波更加均匀。
在本发明的具体实例中，透波结构体需求L波段高透波而Ku波段高截止的特性，因此可以考虑使用频率选择表面(FSS)来实现。但单一的金属贴片或金属环结构难以实现整个Ku波段这么宽频带的截止，因此考虑采用多层谐振频点不同的带阻微结构叠加实现。同时，简单金属环贴片单元的中心线长度即其内环与外环长度的平均值与单元的谐振频点对应波长是整数倍的关系，可以使其一阶谐振对应波长与中心线长度接近，可以较好地控制谐振频点。因此，本发明的技术方案采用金属环贴片单元实现透波结构体。
在吸波结构体的具体实例中，吸波结构体需求低频高透波而Ku波段高吸收的特性。本发明的技术方案采用的吸波方式是在需吸收的频点通过将电磁波反射后在入射波与反射波叠加增强的位置吸收，而且还采用一种立体三维的吸波结构，在透波结构体两个阻带对应的入射波与反射波电场叠加增强的位置设计电阻，采用半金属圆环并延长金属结构的方式在入射方向上将两组电阻连通形成回路，将能量转化为电阻的内能从而达到吸收的目的，并能满足整个Ku波段吸波的需求。
下面将使用一个例子作为说明，如图1至图4所示，其中半金属圆环内直径Φ1为2mm至4mm，例如，Φ1＝2.6mm，金属圆环宽度D1为0.1mm至1mm，例如，D1＝0.6mm。同一平面内的两金属半圆环距离L1为1mm至4mm，例如，L1＝2mm。金属环断口延长L2为0.1mm至1.5mm，例如，L2＝0.9mm。电阻R1为50Ω至1000Ω，例如，R1＝500Ω。电阻R2为50Ω至1000Ω，例如，R2＝150Ω。小金属方环(即，内环)边长L3为3mm至5mm，例如，L3＝4.1mm，大金属方环(即，外环)边长L4为5mm至8mm，例如，L4＝5.66mm，金属宽度D2为0.1mm至1mm，例如，D2＝0.2mm。金属部分厚度20μm，可以使用铜、银、金等金属。吸收部分介质背板长L5为8mm至10mm，例如，L5＝8mm，宽D3为3mm至8mm，例如，D3＝4mm，厚度H1为0.5mm至2mm，例如，H1＝0.8mm，反射部分叠层结构中两侧的高介电蒙皮材料厚度H2均为0.2mm至1mm，例如，H2＝0.5mm，低介电夹芯材料厚度H3为1mm至8mm，例如，H3＝6mm，其中透射部分的两个金属方环分别置于P1、P2位置上，透波结构体的蒙皮和吸波结构体的基板均采用介电常数ε＝3.1，损耗角正切为0.6％。组合后结构如图5所示。仿真结果如图6至图11所示，统计仿真结果平均值(例如，在0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°)如表一所示，由仿真结果可见已经达到了L波段高透波，Ku波段高吸收的目的。
表一
TE透波(L) TM透波(L) TE吸收(Ku) TM吸收(Ku)
0° 0.8930 0.8936 0.9263 0.9265
10° 0.8915 0.8969 0.9236 0.9252
20° 0.8844 0.9041 0.9186 0.9256
30° 0.8728 0.9161 0.9095 0.9278
40° 0.8514 0.9322 0.8913 0.9132
50° 0.8134 0.9510 0.8533 0.8682
60° 0.7394 0.9673 0.7689 0.7738
为了清楚的目的，图6至11示出了分别示出了平行极化透射曲线、平行极化反射曲线、平行极化吸收曲线、垂直极化透射曲线、垂直极化反射曲线和垂直极化吸收曲线。附图中的S21为透射率，其中，S21中的“1”为入射端口，而“2”为出射端口。S11为反射率，其中，S11中的“1”为入射端口。
从图6和图9中可知，该吸波透波一体化装置L波段(1-2GHz)具有高透射率而在Ku波段(12.75-18.1GHz)具有高截止特征，例如，在12.2GHz具有明显地局部最低点。在图8和图11中，该吸波透波一体化装置在L波段具有非常小的吸收率，而在Ku波段具有高吸收率。在图7和10中，波反射率没有显著变化。
本发明可用作通信天线、雷达等器件的保护罩可以在保证天线正常工作的前提下宽频宽角域的吸收，从而达到保证良好的天线工作环境。
根据本发明的实施例，还提供了一种天线罩，天线罩包括前述的吸波透波一体化装置，即吸波透波一体化装置包括：透波结构体，包括第一基板和位于基板的相对表面上的金属贴片单元；吸波结构体，包括相互垂直的第一吸波单元和第二吸波单元，位于透波结构体上方，第一吸波单元和第二吸波单元包括：第二基板；多个金属区段，位于第二基板的表面上；以及多个阻带，在第二基板的表面上位于入射波在透波结构体处产生的反射波与入射波的叠加增强的位置处，其中，多个金属区段与多个阻带以交替的方式连接为吸收环并且金属贴片单元设置为与第一吸波单元的吸收环和第二吸波单元的吸收环垂直。
本发明使用了三维超材料和简单的二维频率选择表面的级联，结构简单。根据本发明的实施例的吸波透波一体化装置能够实现在宽角域范围内L波段高透波同时Ku波段高吸收。该吸波透波一体化装置可用作通信天线、雷达等器件的保护罩，可以在保证天线正常工作的前提下宽频宽角域的吸收，从而达到保证良好的天线工作环境。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种吸波透波一体化装置，其特征在于，包括：
透波结构体，包括第一基板和位于所述第一基板的相对表面上的金属贴片单元；
吸波结构体，设置在所述透波结构体上，并包括相互垂直的第一吸波单元和第二吸波单元，所述第一吸波单元或所述第二吸波单元均包括：
第二基板；
多个金属区段和多个阻带，均位于所述第二基板的表面上；
其中，所述多个金属区段与所述多个阻带以交替的方式连接为吸收环，并且所述金属贴片单元设置为与所述第一吸波单元的吸收环和所述第二吸波单元的吸收环均垂直。
2.根据权利要求1所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，
所述多个阻带包括相同的第一阻带和第二阻带；以及
所述多个金属区段包括第一金属区段和第二金属区段，其中，所述第一金属区段、所述第一金属区段、所述第一阻带和所述第二阻带共同连接为吸收环，其中，所述第一阻带位于所述第一金属区段的第一端和所述第二金属区段的第一端之间，并且所述第二阻带位于所述第一金属区段的第二端和所述第二金属区段的第二端之间。
3.根据权利要求2所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，
所述第一金属区段和所述第二金属区段包括半圆形环和在所述半圆形环的两端处延长的平行金属区段。
4.根据权利要求1所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，所述金属贴片单元包括金属实心贴片或金属环贴片。
5.根据权利要求4所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，所述金属环贴片的中心线长度为与所述金属贴片单元的谐振频率相对应的波长的整数倍。
6.根据权利要求5所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，所述金属环贴片还包括同心的内环和外环，
所述内环位于所述第一基板的第一表面上；
所述外环位于所述第一基板的第二表面上，其中，所述第一表面与所述第二表面相对并且所述金属环贴片的中心线长度为所述内环的长度与所述外环的长度的平均值。
7.根据权利要求6所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，所述透波结构体还包括：
第一介质层，位于所述第一基板的第一表面上并且覆盖所述内环；以及
第二介质层，位于所述第一基板的第二表面上并且覆盖所述外环。
8.根据权利要求6所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，所述内环和所述外环为正方形环、长方形环、圆形环或六边形环。
9.根据权利要求1所述的吸波透波一体化装置，其特征在于，所述阻带包括电感器和/或电容器。
10.一种天线罩，其特征在于，所述天线罩包括权利要求1-9任一项所述的吸波透波一体化装置。
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