CN112332105B - 一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构及天线罩，该超材料结构包括多个按正方形栅格周期性排列的超材料结构单元，超材料结构单元包括第一介质板、第二金属层、第三介质板、第四金属层和第五介质板；第二金属层设置在第一介质板与第三介质板之间，包括第一正方形环和耶路撒冷十字，耶路撒冷十字嵌设在第一正方形环中心，每一臂均设有一个贴片电容；第四金属层设置在第三介质板与第五介质板之间，包括第二正方形环和正方形贴片，正方形贴片嵌设在第二正方形环中心，每一边均通过一个PIN管连接第二正方形环的对应边，四个PIN管管脚极性保持一致。本发明在Ku波段具备一个透波通带，且该通带可通过调控切换为屏蔽反射状态。

Description

一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构及天线罩。
背景技术
超材料指原本自然界中不存在，由人工设计、制造出来的，具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。随着研究的不断深入，超材料的研究已经从最初的微波波段扩展到光波波段和声波波段，包含的超材料除最初的左手材料外，还包括光子晶体、超磁性材料、频率选择表面等等。
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，极大的削弱了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结合低散射外形减小特定频段雷达散射截面积。但是，频率选择表面技术只能解决己方雷达工作频段外的隐身问题，对于己方雷达工作频段内的雷达波不具备隐身能力，因此，需要开展针对带内隐身问题的新型隐身技术。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，在Ku波段具备一个透波通带，且该通带可通过调控切换为屏蔽反射状态。
为了实现上述目的，本发明提供了一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，包括：
多个按正方形栅格周期性排列的超材料结构单元，每个栅格的超材料结构单元包括第一介质板、第二金属层、第三介质板、第四金属层和第五介质板，其中：
所述第二金属层设置在所述第一介质板与所述第三介质板之间，包括金属材质的第一正方形环和耶路撒冷十字；所述第一正方形环的中心与栅格的中心重合，边与栅格的边缘平行间隔设置；所述耶路撒冷十字嵌设在所述第一正方形环的中心，所述耶路撒冷十字的四臂中每一臂上均设有一个贴片电容；
所述第四金属层设置在所述第三介质板与所述第五介质板之间，包括金属材质的第二正方形环和正方形贴片；所述第二正方形环的中心与栅格的中心重合，边缘与栅格的边缘重合；所述正方形贴片嵌设在所述第二正方形环的中心，所述正方形贴片的四边中每一边均通过一个PIN管连接所述第二正方形环的对应边，四个所述PIN管的管脚极性保持一致。
优选地，设栅格周期为p，所述第一介质板的厚度h1范围为0.05p～0.1p。
优选地，所述第一正方形环的边长a1范围为6～7mm，线宽w1范围为0.2～0.8mm。
优选地，所述耶路撒冷十字相对的两条短边之间的距离a2范围为4～6mm。
优选地，每个所述贴片电容的电容值C1范围为0.2～2pF。
优选地，设栅格周期为p，所述第三介质板的厚度h2范围为0.05p～0.08p。
优选地，所述第二正方形环的线宽w2范围为0.2～0.8mm。
优选地，设栅格周期为p，所述第五介质板的厚度h3范围为0.05p～0.1p。
优选地，四个所述贴片电阻均位于所在臂的中心处。
本发明还提供了一种天线罩，采用如上述任一项所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构制作。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构及天线罩，本发明提供的超材料结构包括多个按正方形栅格周期性排列的超材料结构单元，其中每个栅格的超材料结构单元包括第一介质板、第二金属层、第三介质板、第四金属层和第五介质板，第二金属层加载贴片电容，第四金属层加载PIN管，第一、第三、第五介质板起到支撑及阻抗匹配的作用，第二、第四金属层起到调节电磁传输的作用，通过加载的PIN管可调控透波/屏蔽状态的切换，同时通过加载的贴片电容可调节等效阻抗，进而调整谐振频率。本发明提供的超材料结构及天线罩在Ku波段具备一个透波通带，并能够通过控制PIN管两端的电压，切换为屏蔽反射状态，同时，该超材料结构还在C波段和X波段各包含一个吸波频带，可以用于增强对该频段雷达波的隐身性能。
附图说明
图1是本发明实施例中一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构剖面示意图；
图2是本发明实施例中第二金属层周期性排列示意图；
图3是本发明实施例中第四金属层周期性排列示意图；
图4是本发明实施例中一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构在PIN管导通及断开状态下的传输特性曲线；
图5是本发明实施例中一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构在PIN管导通及断开状态下的反射特性曲线。
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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，包括：多个按正方形栅格周期性排列的超材料结构单元，其中每个栅格的超材料结构单元包括第一介质板、第二金属层、第三介质板、第四金属层和第五介质板。具体地：
第二金属层设置在第一介质板与第三介质板之间，第二金属层包括金属材质的第一正方形环和耶路撒冷十字。请参阅图2，图2示出了四个第二金属层按正方形栅格周期性排列，如图2所示，第一正方形环的中心与其所在的栅格的中心重合，第一正方形环的边与栅格对应的边缘平行间隔设置，即第一正方形环的边与栅格的边缘之间存在一定的间隔，而没有重合。耶路撒冷十字嵌设在第一正方形环的中心。如图2所示，耶路撒冷十字包括四个两两互相垂直的金属臂，四臂构成十字的主体，每个臂的前端位于栅格的中心处，末端均设有与其垂直的短边。耶路撒冷十字的四臂、四个短边与栅格对应的边缘平行，四臂中每一臂上均设有一个贴片电容。一个超材料结构单元共有四个贴片电容，四个贴片电容优选对称加载在耶路撒冷十字的四臂上，进一步地，四个贴片电阻优选均位于其所在臂的中心处。
第四金属层设置在第三介质板与第五介质板之间，第四金属层包括金属材质的第二正方形环和正方形贴片。请参阅图3，图3示出了四个第四金属层按正方形栅格周期性排列，如图3所示，第二正方形环的中心与栅格的中心重合，第二正方形环的边缘与栅格对应的边缘重合，第二正方形环的边长尺寸与栅格的边长尺寸相同。正方形贴片嵌设在第二正方形环的中心，正方形贴片的中心与栅格的中心重合，正方形贴片的边与栅格对应的边缘平行。正方形贴片的四边中每一边均通过一个PIN管连接第二正方形环的对应边，也即最近边。四个PIN管的管脚极性保持一致，即四个PIN管的正极均连接正方形贴片，负极均连接第二正方形环，或四个PIN管的负极均连接正方形贴片，正极均连接第二正方形环。PIN管设置在第二正方形环与正方形贴片之间的方环间隙中。一个超材料结构单元共有四个PIN管，四个PIN管优选对称加载在正方形贴片的四边上。
需要说明的是，本发明的第一介质板、第三介质板和第五介质板可以采用单一材料，也可以采用复合材料制作；可以选择同种材料，也可以选择不同种材料，在此不再进一步限定。
本发明提供的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，由介质层(对应第一介质板、第三介质板和第五介质板)、加载贴片电容的金属微结构层(对应第二金属层)、加载PIN管的金属微结构层(对应第四金属层)组成，其中介质层起到支撑微结构层及阻抗匹配的作用，金属微结构层起到调节电磁传输的作用，加载PIN管用于调控超材料结构透波状态的切换，同时通过加载贴片电容调节超材料结构等效阻抗，进而调整谐振频率。同时，微结构单元的对称性设计，可保证超材料结构良好的双极化工作特性。
工作时，通过控制各PIN管的导通与断开完成超材料结构透波、屏蔽(也即隐身)状态的切换。当PIN管处于断开状态时，该超材料结构在Ku波段实现对电磁波的反射，结合低散射外形实现隐身；而当在PIN管两端加载电压控制其导通时，该超材料结构在Ku波段实现对电磁波的透过。该超材料结构可用于雷达天线罩中，通过控制结构透波、隐身状态的切换实现雷达带内隐身与透波状态的按需调控，解决带内隐身问题。
优选地，设超材料结构单元的栅格周期为p，第一介质板的厚度h1范围为0.05p～0.1p。
优选地，第一正方形环的边长a1范围为6～7mm，线宽w1范围为0.2～0.8mm。
优选地，如图2所示，耶路撒冷十字相对的两条短边之间的距离a2范围为4～6mm。进一步地，耶路撒冷十字的短边的长度a3范围优选为2.5～3.5mm。
每个贴片电容的电容值C1优选范围为0.2～2pF，进一步地，四个贴片电容优选电容值相同，可保持电流分布的均匀性，改善极化稳定性。
优选地，第三介质板的厚度h2范围为0.05p～0.08p。
优选地，如图3所示，第二正方形环的线宽w2范围为0.2～0.8mm。
优选地，第五介质板的厚度h3范围为0.05p～0.1p。
为保证较好的电磁调制效果，第二金属层和第四金属层可采用金、银、铜等导电性好的金属材料，厚度优选为10～20μm。
在本发明的一些优选实施方式中，第一介质板、第五介质板可采用石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料，介电常数为3.1，损耗角正切值为0.008，第三介质板可采用FR4材料，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。
优选地，超材料结构单元的栅格周期p＝10mm，结构参数包括：a1＝7mm，w1＝0.5mm，a2＝5mm，b1＝7mm，w2＝0.5mm，贴片电容的电容值为C1＝0.2pF，PIN管型号为Bar6403WE6327，第一、第三、第五介质板的厚度分别为h1＝0.5mm，h2＝0.6mm，h3＝0.5mm。请参阅图4和图5，图4示出了PIN管导通与断开时，上述本发明提供的超材料结构的电磁波传输系数(S21)曲线，当PIN管处于导通状态时，在Ku波段14.5GHz附近出现一个透波通带，当PIN管处于断开状态时，Ku波段通带消失，处于屏蔽状态；图5示出了PIN管导通与断开时，上述本发明提供的超材料结构的电磁波反射系数(S11)曲线，当PIN管处于导通状态时，该超材料结构在Ku波段14.5GHz附近反射率很低，处于透波状态，当PIN管处于断开状态时，该超材料结构在Ku波段反射率高，处于屏蔽状态。同时，无论是在PIN管导通或是断开的状态下，上述超材料结构在C波段和X波段各存在一个吸收频带，分别在6.6GHz和9.3GHz，该频段内反射系数和传输系数都较低，电磁波被吸收损耗掉。
在本发明的另一个优选实施方式中，第一、第三、第五介质板材料不变，超材料结构单元的栅格周期为p＝9.6mm，结构参数包括：a1＝6.8mm，w1＝0.4mm，a2＝4.5mm，b1＝6.5mm，w2＝0.4mm，贴片电容的电容值为C1＝0.5pF，PIN管型号为Bar6403WE6327，第一、第三、第五介质板的厚度分别为h1＝0.8mm，h2＝0.7mm，h3＝0.8mm。同样的，该超材料结构在Ku波段可以实现一个通过PIN管导通状态进行开关控制的透波通带，同时在C波段和X波段各存在一个吸收频带。
特别地，本发明还提供了一种天线罩，采用如上述任一项实施方式所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构制作。
使用时，若需要反射电磁波，则调节各PIN管两端的电压，使得各PIN管处于断开状态，结合低散射外形实现隐身；若需要透射电磁波，则调节各PIN管两端的电压，使得各PIN管处于导通状态。
综上所述，本发明提供了一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构及天线罩，本发明的透波/屏蔽状态可切换的超材料结构利用PIN管导通/断开状态电阻差异，通过在超材料结构单元中焊接PIN管实现微结构单元的重构，通过结合超材料结构单元的电磁传输调控作用与PIN管导通/断开状态电阻差异，实现超材料结构透波/隐身状态的快速切换，为解决天线罩带内隐身问题提供了解决途径。同时，本发明在第二、第四金属层采用对称性设计，可有效改善周期结构极化稳定性，第二金属层间贴片电容的加入，可以起到调节结构阻抗特性的作用，使得超材料结构整体的厚度大幅减小。
并且，本发明的超材料结构相比于常见的可调超材料结构，隐身状态是在PIN管断开状态实现，而透波状态是在PIN管导通状态实现的，这种调控方式更符合工程应用需求，只在雷达开机工作时使PIN管处于导通状态，而在其它状态时PIN管不通电，处于断开状态，相应的天线罩也一直处于隐身状态，节省能耗。
此外，本发明的超材料结构除在Ku波段可提供一个可以开关的透波通带外，在C波段及X波段各提供一个电磁吸收频段，对于吸收频段内电磁波，不论是PIN管处于导通还是断开状态，电磁波的反射和传输系数都很小，大部分被的超材料结构吸收损耗掉了，用于天线罩时可以有效降低散射回波，实现对该频段电磁波的隐身。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于，包括：多个按正方形栅格周期性排列的超材料结构单元，每个栅格的超材料结构单元包括第一介质板、第二金属层、第三介质板、第四金属层和第五介质板，其中：
所述第二金属层设置在所述第一介质板与所述第三介质板之间，包括金属材质的第一正方形环和耶路撒冷十字；所述第一正方形环的中心与栅格的中心重合，边与栅格的边缘平行间隔设置；所述耶路撒冷十字嵌设在所述第一正方形环的中心，所述耶路撒冷十字的四臂中每一臂上均设有一个贴片电容；
所述第四金属层设置在所述第三介质板与所述第五介质板之间，包括金属材质的第二正方形环和正方形贴片；所述第二正方形环的中心与栅格的中心重合，边缘与栅格的边缘重合；所述正方形贴片嵌设在所述第二正方形环的中心，所述正方形贴片的四边中每一边均通过一个PIN管连接所述第二正方形环的对应边，四个所述PIN管的管脚极性保持一致，所述PIN管断开状态实现反射状态，所述PIN管导通状态实现透波状态。
2.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
设栅格周期为p，所述第一介质板的厚度h1范围为0.05p～0.1p。
3.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
所述第一正方形环的边长a1范围为6～7mm，线宽w1范围为0.2～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
所述耶路撒冷十字相对的两条短边之间的距离a2范围为4～6mm。
5.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
每个所述贴片电容的电容值C1范围为0.2～2pF。
6.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
设栅格周期为p，所述第三介质板的厚度h2范围为0.05p～0.08p。
7.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
所述第二正方形环的线宽w2范围为0.2～0.8mm。
8.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
设栅格周期为p，所述第五介质板的厚度h3范围为0.05p～0.1p。
9.根据权利要求1所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，其特征在于：
四个所述贴片电容均位于所在臂的中心处。
10.一种天线罩，其特征在于：采用如权利要求1-9任一项所述的Ku波段透波/屏蔽状态可切换的超材料结构制作。
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基于拓扑优化设计的宽频吸波复合材料;莫漫漫;《物理学报》;20181030;全文 *

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CN112332105A (zh) 2021-02-05

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