CN111900548A - 基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料，主要解决现有10dB雷达散射截面减缩频带较窄的问题。其由M*N个低散射超材料单元按棋盘型排布方式拼接而成，每个单元包括金属地板(1)、下介质基板(2)、一对L型金属贴片(3)；下介质基板的下表面紧贴在金属地板的上表面，上表面设有安全玻璃容器(4)，该安全玻璃容器内装有水溶液(5)，与安全玻璃容器构成水吸波材料单元；下介质基板正上方设有上介质基板(6)，一对L型金属贴片印制在上介质基板的上表面，且与金属地板通过金属化过孔(7)相连接，以构成极化旋转超表面结构单元。本发明提高了减缩频带，可实现在整个超宽频带内的雷达散射截面减缩。

Description

基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料

技术领域

本发明属于微波材料技术领域，特别涉及一种低散射超材料，可用于天线的雷达散射截面减缩。

背景技术

在雷达天线领域中，提高散射特性的关键在于如何缩减雷达截面，而雷达截面是散射特性中最基本的参数，它是指目标在平面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。

天线是一类特殊的散射体，它的散射包括两部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，它是天线接匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体相同；另一部分则是随天线的负载情况变化的天线模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个加载散射体而特有的散射场。

针对这两种散射的会议期刊越来越多,目前文献中实现天线雷达散射截面减缩的有效途径包括修形技术、加载吸波材料、无源对消和有源对消技术等。随着信息领域中雷达探测技术的提高，单独对天线运用修形技术或是在天线表面添加吸波材料来实现天线雷达散射截面减缩，都达不到完美的效果。因此如何最大程度地平衡天线的辐射性能与散射性能是信息领域中重要的研究方向之一。

电磁超材料EM的概念最早在1968年提出，前苏联物理学家Veselago提到一种设想，即存在一种左手媒介，其介电常数ε和磁导率μ同时为负值，入射到该材料的电磁波传播特性与入射到天然材料的电磁波传播特性不同。电磁超材料作为一种人工复合结构，有着异于天然材料的功能，电磁超材料的媒质特性主要取决于其单元结构和空间布局。利用电磁超材料独特的电磁特性，可以实现对电磁波相位、极化方式及传播模式等特性进行合理的调控。许多研究学者提出了各种超材料单元结构的设计理论并付诸于实践。例如电磁带隙结构可以降低阵列单元间的耦合，左手材料可以实现电磁波的异向反射或折射，基于光学变换的异向介质已经应用于隐身斗篷的设计，部分反射面与F-P谐振腔天线结合提高天线最大辐射方向的增益等。

这些方案的实现措施可以分为两类，一类是吸收入射波，另一类是将入射波反射到其他无威胁角度方向。其中在第一种措施的基础上，通过大量采用集总电阻或电阻片可设计出超表面吸收器，但是10dB RCS减缩带宽很窄；第二种措施是先利用理想电导体PEC与人工磁导体AMC的180度相位差，实现窄带雷达散射截面减缩，再设计出若干具有一定相位差的不同元素组成的超表面，如相位梯度超表面、编码超表面和极化旋转反射表面，以实现宽频带雷达散射截面减缩，但其10dB RCS减缩带宽也很窄。因此，基于上述两种措施的超表面实现10dB RCS减缩带宽都非常有限，从而导致天线的散射性能很差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术存在的缺陷，提出一种基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料，以实现超宽频段的雷达散射截面减缩，提高天线的散射性能。

为实现上述目的，本发明的超宽带低散射超材料，由M*N个低散射超材料单元按棋盘型排布方式拼接而成，其中，M≥2，N≥2，M，N为正整数；每个超材料单元包括金属地板、下介质基板、一对L型金属贴片，下介质基板的下表面紧贴在金属地板的上表面，其特征在于：

下介质基板的上表面设有安全玻璃容器，该安全玻璃容器内装有水溶液，与安全玻璃容器构成水吸波材料单元；

下介质基板正上方间距c2处设有上介质基板，一对L型金属贴片印制在上介质基板的上表面，c2的取值范围为2.9～3.3mm；

一对L型金属贴片与金属地板通过金属化过孔相连接，一对L型金属贴片、金属地板、金属化过孔、上介质基板和下介质基板构成极化旋转超表面结构单元。

作为优选，所述上介质基板为方形环状结构。

作为优选，所述一对L型金属贴片由两个大小相同、方向相对的L型金属贴片组成，每个L型金属贴片垂直部分的长度m1和水平部分长度m2均为8～9mm，垂直部分的宽度n1和水平部分的宽度n2均为1～1.1mm；该一对L型金属贴片关于上介质基板的几何中心对称。

作为优选，所述安全玻璃容器采用上部为圆切角形状，下部为长方体的台阶型矩形腔体结构，该腔体结构正中间插有圆形柱，圆形柱的底面圆直径为d1，上部立体结构长和宽均为w3，高为h2，下部长方体长和宽均为w2，高为h1；该腔体结构内部空间高度为h3；h1的取值范围为2.9～3.3mm，h2的取值范围为8.6～9.5mm，h3的取值范围为7.5～8.5mm，w2的取值范围为12～13mm，w3的取值范围为9～11mm，d1的取值范围为2.8～3.2mm。

作为优选，所述金属化过孔为圆柱形，贯穿上介质基板和下介质基板，且位于上介质基板和下介质基板的直角端位置处，其直径d2为0.5～0.8mm。

作为优选，所述下介质基板的长度a1为12～13mm，宽度b1为12～13mm，厚度c1为0.3～0.6mm，相对介电常数为2.2。

作为优选，所述上介质基板的外廓尺寸、厚度和相对介电常数与下介质基板相同，其内环长度a2为9～11mm，宽度b2为9～11mm，环的宽度w1为1.2～1.3mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的极化旋转超表面结构单元由于使用两层间距为c2的介质基板，且上介质基板为方形环状结构，以便于中间能够放置水吸波材料单元，使得极化旋转超表面结构单元和水吸波材料单元更好集成，降低了低散射超材料单元的剖面高度。

2、本发明由于设有水吸波材料单元和极化旋转超表面结构单元，可利用两者之间较小的相互耦合，使得在高频带实现雷达散射截面减缩和在低频带实现雷达散射截面减缩能够连续在一起，以在整个连续的超宽频带内实现雷达散射截面RCS的减缩，从而提高天线的散射性能。

附图说明

图1是本发明低散射超材料的整体结构示意图；

图2是本发明中低散射超材料单元的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2的侧视图；

图5是本发明低散射超材料单元中的安全玻璃容器剖面图；

图6是本发明在x极化入射波垂直入射时的同极化反射系数仿真结果图；

图7是本发明的吸波性能和极化旋转率仿真结果图；

图8是本发明在垂直入射波照射下雷达散射截面仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，本实例由M*N个低散射超材料单元按棋盘型排布方式拼接而成，其中，M≥2，N≥2，M，N为正整数。

参照图2，图3和图4，每个超材料单元包括金属地板1、下介质基板2、一对L型金属贴片3、安全玻璃容器4、上介质基板6和金属化过孔7。

所述下介质基板2的下表面紧贴在金属地板1的上表面；安全玻璃容器4固定在下介质基板2的上表面，该安全玻璃容器内装有水溶液5，与安全玻璃容器4构成水吸波材料单元；

所述上介质基板6固定在下介质基板2正上方的间距c2处，一对L型金属贴片3印制在上介质基板6的上表面，c2的取值范围为2.9～3.3mm。本实例取但不限于c2＝3mm。

所述金属化过孔7为圆柱形，贯穿上介质基板6和下介质基板2，且位于上介质基板6和下介质基板2的直角端位置处，其直径d2为0.5～0.8mm。本实例取但不限于d2＝0.6mm。

所述一对L型金属贴片3与金属地板1通过金属化过孔7相连接，该对L型金属贴片3与金属地板1、金属化过孔7、上介质基板6和下介质基板2共同构成极化旋转超表面结构单元。

所述下介质基板2的长度a1为12～13mm，宽度b1为12～13mm，厚度c1为0.3～0.6mm，相对介电常数为2.2。本实例取但不限于a1＝b1＝12.5mm，c1＝0.5mm。

所述上介质基板6为方形环状结构，其外廓尺寸、厚度和相对介电常数与下介质基板2相同，其内环长度a2为9～11mm，宽度b2为9～11mm，环的宽度w1为1.2～1.3mm。本实例取但不限于a2＝b2＝10mm，w1＝1.25mm。

参照图3，所述一对L型金属贴片3由两个大小相同、方向相对的L型金属贴片组成，每个L型金属贴片的垂直部分长度m1和水平部分长度m2均为8～9mm，垂直部分的宽度n1和水平部分的宽度n2均为1～1.1mm；该一对L型金属贴片3关于上介质基板6的几何中心对称。本实例取但不限于m1＝m2＝8.5mm，n1＝n2＝1.05mm。

参照图5，所述安全玻璃容器4采用上部为圆切角形状，下部为长方体的台阶型矩形腔体结构，该腔体结构正中间插有圆形柱41，以改变该安全玻璃容器装满水时水的形状，从而在高频段实现良好的吸波效果。该圆形柱41的底面圆直径为d1，上部立体结构长和宽均为w3，高为h2，下部长方体长和宽均为w2，高为h1；该腔体结构内部空间高度为h3；h1的取值范围为2.9～3.3mm，h2的取值范围为8.6～9.5mm，h3的取值范围为6.5～7.5mm，w2的取值范围为12～13mm，w3的取值范围为9～11mm，d1的取值范围为2.8～3.2mm。本实例取但不限于h1＝3mm，h2＝9mm，h3＝7mm，w2＝12.5mm，w3＝10mm。

本实施例由M*N个低散射超材料单元按棋盘型排布方式拼接而成低散射超材料，其在低频段，通过极化旋转超表面单元能够使反射波相位相消，从而实现了雷达散射截面减缩；在高频段，由于水吸波材料单元的吸波特性，将入射波能量吸收转换热能散失掉，从而实现雷达散射截面RCS减缩。因此，在总体上，本实施例低散射超材料实现了超宽频带内的雷达散射截面减缩。

本发明的技术效果可通过以下仿真实验进一步说明：

1、仿真软件：

商业仿真软件HFSS_19.0

2、仿真内容：

仿真1，利用仿真软件对本实施例低散射超材料在x极化入射波垂直入射时的同极化反射系数进行仿真，结果如图6所示。

从图6可以看出，在2.8～4.8GHz频段内，该低散射超材料的同极化反射系数小于-10dB，表明该低散射超材料在2.8～4.8GHz频段几乎都能将x极化入射波转化为y极化反射波。

仿真2，利用仿真软件对本实施例低散射超材料的吸波性能和极化旋转率进行仿真计算，结果如图7所示。

从图7可以看出，极化旋转超表面结构对水吸波材料的吸波性能几乎没有影响，而且，在2.8～4.4GHz频段，极化旋转超表面结构的极化旋转率高于90％，使得10dB雷达散射截面减缩频带的低频截止频率扩大到2.8GHz；在4.4～80GHz频段，入射波的能量几乎被水吸波材料全部吸收掉，表明本发明能对雷达散射截面进行有效减缩。

仿真3，利用仿真软件对本实施例低散射超材料在垂直入射波照射下单站雷达散射截面进行仿真，结果如图8所示。

从图8可以看出，在4～18GHz宽频带内，本实施例低散射超材料的雷达散射截面可以被减缩10dB以上。

综上，本发明在超宽带频段实现了10dB以上雷达散射截面减缩。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料，由M*N个低散射超材料单元按棋盘型排布方式拼接而成，其中，M≥2，N≥2，M，N为正整数；每个超材料单元包括金属地板(1)、下介质基板(2)、一对L型金属贴片(3)，下介质基板(2)的下表面紧贴在金属地板(1)的上表面，其特征在于：

下介质基板(2)的上表面设有安全玻璃容器(4)，该安全玻璃容器内装有水溶液(5)，与安全玻璃容器(4)构成水吸波材料单元；

下介质基板(2)正上方间距c2处设有上介质基板(6)，一对L型金属贴片(3)印制在上介质基板(6)的上表面，c2的取值范围为2.9～3.3mm；

一对L型金属贴片(3)与金属地板(1)通过金属化过孔(7)相连接，一对L型金属贴片(3)、金属地板(1)、金属化过孔(7)、上介质基板(6)和下介质基板(2)构成极化旋转超表面结构单元。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述上介质基板(6)为方形环状结构。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，一对L型金属贴片(3)由两个大小相同、方向相对的L型金属贴片组成，每个L型金属贴片垂直部分的长度m1和水平部分长度m2均为8～9mm，垂直部分的宽度n1和水平部分的宽度n2均为1～1.1mm。

4.根据权利要求3所述的材料，其特征在于：一对L型金属贴片(3)关于上介质基板(6)的几何中心对称。

5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述安全玻璃容器(4)采用上部为圆切角形状，下部为长方体的台阶型矩形腔体结构，该腔体结构正中间插有圆形柱(41)，圆形柱(41)的底面圆直径为d1，上部立体结构长和宽均为w3，高为h2，下部长方体长和宽均为w2，高为h1；该腔体结构内部空间高度为h3。

6.根据权利要求5所述的材料，其特征在于，h1的取值范围为2.9～3.3mm，h2的取值范围为8.6～9.5mm，h3的取值范围为7.5～8.5mm，w2的取值范围为12～13mm，w3的取值范围为9～11mm，d1的取值范围为2.8～3.2mm。

7.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，金属化过孔(7)为圆柱形，贯穿上介质基板(6)和下介质基板(2)，且位于上介质基板(6)和下介质基板(2)的直角端位置处，其直径d2为0.5～0.8mm。

8.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，下介质基板(2)的长度a1为12～13mm，宽度b1为12～13mm，厚度c1为0.3～0.6mm，相对介电常数为2.2。

9.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，上介质基板(6)的外廓尺寸、厚度和相对介电常数与下介质基板(2)相同，其内环长度a2为9～11mm，宽度b2为9～11mm，环的宽度w1为1.2～1.3mm。

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