CN112688056B

CN112688056B - 超材料结构及具有其的微带天线

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Publication number: CN112688056B
Application number: CN201910990598.6A
Authority: CN
Inventors: 樊君; 张春波; 丛琳; 徐向华; 张昊; 阳开华; 杨帆
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2039-10-18
Also published as: CN112688056A

Abstract

本发明提供一种提供一种超材料结构及具有其的微带天线，该超材料结构包括至少一个介质层和设置在该介质层上的微结构层，所述微结构层以电阻浆料为原料，由多个周期排列的微结构贴片单元构成，其中，任意所述贴片单元包括六边形贴片，且所述六边形贴片的每条边均远离六边形贴片的中心向外延伸出一凸起部。本发明方案能够增强微带天线的隐身性能。

Description

超材料结构及具有其的微带天线

技术领域

本发明提供一种超材料结构及具有其的微带天线，属于电磁场与微波技术领域。

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。狭义上的超材料特指左手材料(Left-HandedMetamaterial，LHM)，又叫双负材料，即一种介电常数ε和磁导率μ均为负的人工周期介质材料。由于其具有天然材料所不具备的超常物理性质，成为应用物理、光学、微波以及材料工程等领域的研究热点。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。

超材料具有三个重要的特征：

(1)超微结构。超材料内部由大量亚波长或近波长的细微单元构成，具有复杂的结构和排布方式，设计参数很多；

(2)超材料具有超常的物理特性，往往是自然界中的材料所不具备的，如负折射特性、逆多普勒效应等等；

(3)超材料的性质往往不主要取决于构成材料的本征性质，而决定于其复杂的人工结构。

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。特别是随着武器装备智能化发展，武器平台上通信、探测等应用的天线数量不断增加，天线的隐身问题就凸显出来，由于天线工作的特殊性，它本身已经成为侦查与隐身的矛盾载体，一方面自身工作需要辐射和接收电磁波，而另一方面出于隐身需要，需尽量减小自身雷达回波，降低被探测到的概率。因此，能否成功地控制载体平台上众多天线的RCS已成为制约整个武器平台电磁隐身性能的关键。目前，尤其针对微带天线，其隐身问题越来越突出。

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中存在的不足，提供一种超材料结构及具有其的微带天线，本发明方案能够增强微带天线的隐身性能。

本发明的技术解决方案：

根据一方面，提供一种超材料结构，该超材料结构包括至少一个介质层和设置在该介质层上的微结构层，所述微结构层以电阻浆料为原料，由多个周期排列的微结构贴片单元构成，其中，任意所述贴片单元包括六边形贴片，且所述六边形贴片的每条边均远离六边形贴片的中心向外延伸出一凸起部。

进一步地，任意六边形贴片的边对应的凸起部均以所述边的两个端点为基准向外延伸得到。

进一步地，所述凸起部为多边形贴片结构。

进一步地，所述六边形贴片为正六边形贴片，所述凸起部为矩形的贴片结构。

进一步地，多个所述矩形的贴片结构相同。

进一步地，所述矩形的贴片结构为正方形的贴片结构。

进一步地，多个贴片单元采用三角网格排列。

进一步地，所述微结构层以特定方阻R的电阻浆料为原料并通过丝网印刷技术印制在所述至少一个介质层上。

进一步地，所述R＝1Ω/-50Ω/。

根据另一方面，还提供一种微带天线，所述微带天线包括金属贴片辐射单元、金属接地层和如上所述的超材料结构，其中，所述超材料结构包括第一介质层和第二介质层以及位于第一介质层和第二介质层之间的微结构层，且所述金属贴片辐射单元设置在第一介质层上，所述金属接地层设置在所述第二介质层上。

应用上述技术方案，设计超材料结构的微结构层周期排布的贴片单元阵列，使任意所述贴片单元包括六边形贴片且六边形贴片的每条边均远离六边形贴片的中心向外延伸出一凸起部，并结合超材料结构中微结构层自身电阻特性，不仅实现对电磁波优异的选择透过性且对雷达来波能够进行很好地吸收损耗，从而降低天线散射电磁波和微带天线(用于微带天线中时)X波段内RCS，改善微带天线电磁隐身效果。

综上，本发明利用上述周期排列超材料的微结构层阵列的电磁调控作用及微结构自身损耗，实现在不降低天线性能的同时降低天线RCS，达到增强微带天线隐身性能的效果，本发明可应用于微带天线及具有金属接地层的其它构件，用于改善结构隐身性能等方面应用需求。

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为现有微带天线示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的微带天线的俯视图；

图3示出了根据本发明实施例提供的微带天线的侧视图；

图4示出了根据本发明实施例提供的超材料结构的局部示意图；

图5示出了实施例1微带天线加载隐身材料(超材料结构)前后方向图；

图6示出了实施例1微带天线加载隐身材料(超材料结构)前后X波段的RCS曲线；

图7示出了实施例2微带天线加载隐身材料(超材料结构)前后方向图；

图8示出了实施例2微带天线加载本发明隐身材料(超材料结构)前后X波段的RCS曲线。

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2、4所示，根据本发明实施例，提供一种超材料结构，该超材料结构包括至少一个介质层和设置在该介质层上的微结构层，所述微结构层以电阻浆料为原料，由多个周期排列的FSS贴片单元构成，其中，任意所述贴片单元包括六边形贴片，且所述六边形贴片的每条边均远离六边形贴片的中心向外延伸出一凸起部。

这样，通过设计超材料结构的微结构层周期排布的FSS贴片单元阵列，使任意所述贴片单元包括六边形贴片且六边形贴片的每条边均远离六边形贴片的中心向外延伸出一凸起部，并结合超材料结构中微结构层自身电阻特性，不仅实现对电磁波优异的选择透过性且对雷达来波能够进行很好地吸收损耗，从而降低天线散射电磁波和微带天线(用于微带天线中时)X波段内RCS，改善微带天线电磁隐身效果。

在本发明一种可能的实现方式中，所述微结构层以特定方阻R的电阻浆料为原料并通过丝网印刷技术印制在所述至少一个介质层上。其中，具体的丝网印刷技术为本领域公知手段，在此不再详细赘述。

优选的，为了保证所述超材料结构对雷达来波能够进行更好地吸收损耗，上述电阻浆料的方阻R为R＝1Ω/-50Ω/。

可选的，任意六边形贴片的边对应的凸起部均以所述边的两个端点为基准向外延伸得到。即所述凸起部是以对应的六边形贴片的边的整条边长为基准向外延伸得到。

优选的，所述凸起部为多边形贴片结构，更优选为正多边形贴片结构。通过此种设计，更够更好的与六边形贴片相配合以更好保证微带天线X波段内RCS的下降。

可选的，所述六边形贴片为正六边形贴片，所述凸起部为矩形的贴片结构。

需要说明的是，图2、4所示的单元中的六边形贴片及凸起部分别以正六边形和矩形为例描述的，本发明实施例不作限定。

优选的，多个所述矩形的贴片结构相同。

更优选的，所述矩形的贴片结构为正方形的贴片结构。

可选的，多个贴片单元采用三角网格排列。

如图4所示，在一种可能的实现方式中，多个FSS贴片单元采用三角网格排列，相邻单元中心间距为p，单元为(正六边形贴片以及叠加六个边上的矩形贴片结构，矩形贴片结构均相同)类似雪花状的六臂单元，其中，臂长为l，臂宽为w，六臂单元中心与周期单元中心重合。

上述参数具有如下比例关系，所述臂长l＝0.4p～0.5p，臂宽w＝0.1p～0.2p。通过该比例关系配合能够更好实现微带天线X波段内RCS的下降。

此外，本领域技术人员应当理解，上述各个参数的具体值还可以在所述值域内根据仿真进行调整以获取最优的效果。

如图2-3所述，本发明实施例还提供一种微带天线，所述微带天线包括金属贴片辐射单元、金属接地层和如上所述的超材料结构，其中，所述超材料结构包括第一介质层和第二介质层以及位于第一介质层和第二介质层之间的微结构层，且所述金属贴片辐射单元设置在第一介质层上，所述金属接地层设置在所述第二介质层上。

本发明实施例提供的微带天线区别于现有技术中的微带天线，现有技术中的微带天线如图1所示，由矩形金属贴片辐射单元、介质基底层及金属接地层构成。而本发明则是通过在两层介质基底层中间加入如上实施例所述的微结构层，基于上述微结构层特性实现在不降低天线性能的同时减小天线RCS，达到增强微带天线隐身性能的效果。

优选的，如图3所示，本发明实施例的微结构层置于天线贴片与金属接地层之间，距离天线贴片距离为c，距离金属接地层距离为d。其中，c＝0.1p～0.6p；d＝0.4p～0.8p，通过该比例关系配合能够更好实现微带天线的隐身性能。

为了对本发明提供的超材料结构及具有其的微带天线有更进一步了解，下面以具体实施例进行详细说明：

本发明实施例微带天线结构如图2-4所示，所述微带天线包括金属贴片辐射单元、金属接地层和如上所述的超材料结构，其中，所述超材料结构包括第一介质层和第二介质层以及位于第一介质层和第二介质层之间的微结构层，且所述金属贴片辐射单元设置在第一介质层上，所述金属接地层设置在所述第二介质层上，超材料结构中，微结构层以电阻浆料为原料并通过丝网印刷技术印制在介质层上，其由多个三角网格排列的FSS贴片单元构成，其中，任意所述贴片单元包括正六边形贴片，且所述六边形贴片的每条边且以所述边的两个端点为基准均远离正六边形贴片的中心向外延伸出一矩形结构贴片，六个矩形结构贴片相同。

实施例1

微带天线采用正方形贴片天线，贴片尺寸为a＝b＝8.5mm，介质基底厚度h＝2mm，介质介电常数为ε_r＝2.2，损耗角正切为δ＝0.0009，在不改变天线结构参数的前提下在介质基底中加入特殊设计的隐身超材料结构，当p＝3.5mm时，结构其余参数取为c＝0.14p＝0.5mm，d＝0.43p＝1.5mm，l＝0.43p＝1.5mm，w＝0.14p＝0.5mm，微结构材料方阻R为10Ω/□，加入隐身结构前后的天线辐射方向图如图5所示，天线工作频率为10GHz，加入隐身结构前后的E面和H面方向图基本一致，隐身结构对天线工作性能影响很小。加入隐身结构前后的天线X波段RCS如图6所示，加入隐身结构后可使微带天线RCS平均降低2dB，增强了微带天线隐身性能。

实施例2

微带天线采用长方形贴片天线，贴片尺寸为a＝8.5mm，b＝10mm，介质基底厚度h＝2.5mm，介质介电常数为ε_r＝2.2，损耗角正切为δ＝0.0009，在不改变天线贴片及介质基底参数的前提下在介质基底中加入特殊设计的隐身超材料结构层，当p＝3.2mm时，结构其余参数取为c＝0.31p＝1mm，d＝0.47p＝1.5mm，l＝0.44p＝1.4mm，w＝0.1p＝0.3mm，微结构材料方阻R为10Ω/□，加入隐身结构前后的天线辐射方向图如图7所示，天线工作频率为8GHz，加入隐身结构前后E面和H面方向图基本一致，增益下降0.2dB，隐身结构对天线工作性能影响很小。加入隐身结构前后的天线X波段RCS如图8所示，加入隐身结构后可使微带天线RCS平均降低3dB，增强了微带天线隐身性能。

可见，本发明与现有技术相比至少具有以下优势：

(1)本发明的超材料结构一方面利用周期排布的微结构阵列实现对电磁波选择透过性，另一方面利用微结构电阻材料自身电阻对雷达来波进行吸收损耗，从而降低天线散射电磁波，改善微带天线电磁隐身效果；

(2)本发明特殊结构及结构之间的比例关系配合实现了微带天线X波段内RCS的下降，改善了微带天线金属贴片及金属结构X波段隐身性能；

(3)本发明可应用于微带天线及具有金属接地层的其它构件，用于改善结构隐身性能等方面应用需求。

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

1.一种微带天线，其特征在于，所述微带天线包括金属贴片辐射单元、金属接地层和超材料结构，其中，所述超材料结构包括第一介质层和第二介质层以及位于第一介质层和第二介质层之间的微结构层，且所述金属贴片辐射单元设置在第一介质层上，所述金属接地层设置在所述第二介质层上，所述微结构层以电阻浆料为原料，由多个周期排列的微结构贴片单元构成，其中，任意所述贴片单元由六边形贴片构成，且所述六边形贴片的每条边均远离六边形贴片的中心向外延伸出一凸起部。

2.根据权利要求1所述的一种微带天线，其特征在于，任意六边形贴片的边对应的凸起部均以所述边的两个端点为基准向外延伸得到。

3.根据权利要求2所述的一种微带天线，其特征在于，所述凸起部为多边形贴片结构。

4.根据权利要求3所述的一种微带天线，其特征在于，所述六边形贴片为正六边形贴片，所述凸起部为矩形的贴片结构。

5.根据权利要求4所述的一种微带天线，其特征在于，多个所述矩形的贴片结构相同。

6.根据权利要求5所述的一种微带天线，其特征在于，所述矩形的贴片结构为正方形的贴片结构。

7.根据权利要求1所述的一种微带天线，其特征在于，多个微结构贴片单元采用三角网格排列。