CN113437531A - 一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，包括：若干连续周期性排列的超材料单元，超材料单元包括自上而下依次层叠设置的顶层谐振层、第一介质层、第二介质层和金属底板层，顶层谐振层包括第一金属贴片单元、薄膜电阻和4个第二金属贴片单元，第一金属贴片单元包括4个大小相等的扇环贴片，薄膜电阻包括4个大小相等的扇环薄膜电阻，第二金属贴片单元与扇环贴片一一对应连接，第一介质层内设置有若干个贯穿的金属化通孔。本发明的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，利用折叠形金属条带与通孔结合的设计，做到超小型化，从而抑制栅瓣的出现，降低斜入射下的双站RCS，大大提高斜入射隐身性能。
Description
技术领域
本发明属于天线隐身技术领域，具体涉及一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器。
背景技术
电磁吸波器是一种能在特定频率吸收入射来的电磁波的结构，常被用于目标物体的雷达散射截面(radar cross section，RCS)的缩减，减小电磁干扰，电磁兼容等各种重要场合，对提高军事作战能力和战场中的隐蔽起到至关重要的作用。
Salisbury屏是最早的电磁吸波器，该结构采用四分之一波长厚度的介质背接金属板来实现回波之间的光程差反相，从而实现反射波干涉相消以达到隐身的效果。但该结构工作频段很窄，不能满足宽频带隐身的需求。后来Jaumann吸波器被提出，该吸波器采用多层叠加的方式，实现多个频点的谐振，从而实现宽带隐身效果，但因此带来的是厚度的增加。电磁超材料的提出同时解决了传统电磁吸波器的厚度与吸波带宽的问题。
近年来，众多研究学者提出了大量的宽带、低剖面、多功能的电磁吸波器，为国内电磁隐身技术的发展提供了坚实的理论基础和设计实例，但都有各自存在的问题。例如，D.Kundu团队提出的一种用电阻膜图案实现的单层超材料吸波结构，其周期过大，在高频工作时，会导致栅瓣的出现。在某些角度入射的情况下，栅瓣甚至会与入射方向一致，导致单站RCS的上升。WeiqingZuo等人提出的一种集总电阻加载型的超材料吸波器，该结构通过紧凑的图案设计实现小型化结构，但是该结构集总电阻的引入提高了工艺复杂度，非常不利于平面集成化和批量化生产。同时，集总电阻型宽带吸波方案在高频引用受限，不利于该结构的思路在其他频带的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，包括：若干连续周期性排列的超材料单元，所述超材料单元包括自上而下依次层叠设置的顶层谐振层、第一介质层、第二介质层和金属底板层，所述顶层谐振层包括第一金属贴片单元、薄膜电阻和4个第二金属贴片单元，其中，
所述第一金属贴片单元包括4个大小相等的扇环贴片，所述薄膜电阻包括4个大小相等的扇环薄膜电阻，4个所述扇环贴片与4个所述扇环薄膜电阻连接形成圆环结构，且所述扇环贴片与所述扇环薄膜电阻间隔设置；
所述第二金属贴片单元与所述扇环贴片一一对应连接，4个所述第二金属贴片单元形成中心对称图形，其对称中心为所述圆环结构的中心；
所述第二金属贴片单元包括相互连接的矩形金属条带和折叠形金属条带，所述折叠形金属条带包括第一条带部、第二条带部和第三条带部，所述第一条带部的第一端靠近所述圆环结构，第二端与所述第二条带部的第一端连接且夹角为45°，所述第二条带部平行于所述超材料单元顶面正方形的边，所述第二条带部的第二端与所述第三条带部的第一端连接且夹角为45°，所述第三条带部的第二端靠近所述圆环结构；
所述矩形金属条带的第一端与所述扇环贴片垂直连接，连接点位于所述扇环贴片的对称轴上，另一端与所述第二条带部垂直连接，连接点位于所述第二条带部的中点处；
所述第一介质层内设置有若干个贯穿的金属化通孔，若干个所述金属化通孔的顶端分别与对应的所述第一条带部和所述第二条带部的端部连接。
在本发明的一个实施例中，所述薄膜电阻为石墨烯电阻膜，方阻取值范围为340Ohm/sq-400Ohm/sq。
在本发明的一个实施例中，所述圆环结构的外径R1的取值范围为0.0165λ0<R1<0.017λ0，内径R2的取值范围为0.009λ0<R2<0.0093λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本发明的一个实施例中，所述矩形金属条带的带宽W1的取值范围为0.0031λ0<W1<0.0036λ0，长度l3的取值范围为0.014λ0<l3<0.0143λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本发明的一个实施例中，所述第一条带部包括第一矩形子带和2个第一半圆形子带，2个所述第一半圆形子带分别位于所述第一矩形子带的两端部，所述第一半圆形子带的直径与所述第一矩形子带的带宽相等；
所述第三条带部包括第三矩形子带和2个第三半圆形子带，2个所述第三半圆形子带分别位于所述第三矩形子带的两端部，所述第三半圆形子带的直径与所述第三矩形子带的带宽相等。
在本发明的一个实施例中，所述折叠形金属条带的带宽W2的取值范围为0.007λ0<W2<0.008λ0，所述第一条带部和所述第三条带部的长度一致，长度l2的取值范围为0.018λ0<l2<0.019λ0，所述第二条带部的长度l1的取值范围为0.051λ0<l1<0.055λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本发明的一个实施例中，所述金属化通孔的半径R3的取值范围为0.022λ0<R3<0.028λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本发明的一个实施例中，所述第一介质层的相对介电常数为2.2，其厚度h1的取值范围为0.031λ0<h1<0.035λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本发明的一个实施例中，所述第二介质层的相对介电常数为1，其厚度h2的取值范围为0.048λ0<h2<0.055λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，利用折叠形金属条带与通孔结合的设计，做到超小型化，从而抑制栅瓣的出现，降低斜入射下的双站RCS，大大提高斜入射隐身性能。
2.本发明的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，超材料单元的每一层结构中均采用了中心对称的图案设计，使得该超材料吸波器对入射电磁波极化方向不敏感，并且在TE波0°-45°和TM波0°-45°的斜入射情况下仍能够保持稳定的吸波性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种超材料单元的立体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的顶层谐振层的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器的反射系数曲线与吸波率曲线图；
图5是本发明实施例提供的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器在不同极化下入射角度从0度增加至45度对应的反射系数仿真曲线图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请结合参见图1-图3，图1是本发明实施例提供的一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器的立体结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种超材料单元的立体结构示意图；图3是本发明实施例提供的顶层谐振层的结构示意图。如图所示，本实施例的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，包括若干连续周期性排列的超材料单元1，可选地，超材料单元1呈m*n的连续矩阵排列，其中，m≥2，n≥2，如图1所示，在本实施例中，超材料单元1呈3*3的连续矩阵排列。需要说明的是，在本实施例中，超材料单元1的单元周期p＝5mm。
如图2所示，超材料单元1包括自上而下依次层叠设置的顶层谐振层10、第一介质层20、第二介质层30和金属底板层40。
具体地，如图3所示，顶层谐振层10包括第一金属贴片单元、薄膜电阻和4个第二金属贴片单元。其中，第一金属贴片单元包括4个大小相等的扇环贴片101，薄膜电阻包括4个大小相等的扇环薄膜电阻102，4个扇环贴片101与4个扇环薄膜电阻102连接形成圆环结构，且扇环贴片101与扇环薄膜电阻102间隔设置。第二金属贴片单元与扇环贴片101一一对应连接，4个第二金属贴片单元102形成中心对称图形，其对称中心为圆环结构的中心。
可选地，第一金属贴片单元和第二金属贴片单元的材料为铜，其电导率为5.8×109S/m。薄膜电阻为石墨烯电阻膜，方阻取值范围为340Ohm/sq-400Ohm/sq。
在本实施例中，圆环结构的外径R1的取值范围为0.0165λ0<R1<0.017λ0，内径R2的取值范围为0.009λ0<R2<0.0093λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
需要说明的是，本实施例的超材料吸波器的吸波带宽3.75-7.00GHz，吸波带中心频率f0对应的波长λ0＝60mm。
在本实施例中，圆环结构的外径R1＝1mm，内径R2＝0.55mm。
进一步地，第二金属贴片单元包括相互连接的矩形金属条带103和折叠形金属条带104，折叠形金属条带104包括第一条带部1041、第二条带部1042和第三条带部1043，第一条带部1041的第一端靠近圆环结构，第二端与第二条带部1042的第一端连接且夹角为45°，第二条带部1042平行于超材料单元1顶面正方形的边，第二条带部1042的第二端与第三条带部1043的第一端连接且夹角为45°，第三条带部1043的第二端靠近圆环结构。矩形金属条带103的第一端与扇环贴片101垂直连接，连接点位于扇环贴片101的对称轴上，另一端与第二条带部1042垂直连接，连接点位于第二条带部1042的中点处。
可选地，矩形金属条带103的带宽W1的取值范围为0.0031λ0<W1<0.0036λ0，长度l3的取值范围为0.014λ0<l3<0.0143λ0，折叠形金属条带104的带宽W2的取值范围为0.007λ0<W2<0.008λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本实施例中，矩形金属条带103的带宽W1＝0.2mm，长度l3＝0.85mm，折叠形金属条带104的带宽W2＝0.45mm。
进一步地，第一条带部1041包括第一矩形子带和2个第一半圆形子带，2个第一半圆形子带分别位于第一矩形子带的两端部，第一半圆形子带的直径与第一矩形子带的带宽相等；第三条带部1043包括第三矩形子带和2个第三半圆形子带，2个第三半圆形子带分别位于第三矩形子带的两端部，第三半圆形子带的直径与第三矩形子带的带宽相等。
在本实施例中，第一条带部1041和第三条带部1043的长度一致，可选地，长度l2的取值范围为0.018λ0<l2<0.019λ0，第二条带部1042的长度l1的取值范围为0.051λ0<l1<0.055λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本实施例中，第一条带部1041和第三条带部1043的长度l2＝1.1mm，第二条带部1042的长度l1＝3.2mm。
进一步地，第一介质层20内设置有若干个贯穿的金属化通孔201，若干个金属化通孔201的顶端分别与对应的第一条带部1041和第二条带部1042的端部连接。可选地，金属化通孔201的半径R3的取值范围为0.022λ0<R3<0.028λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本实施例的超材料单元1中设置有16个金属化通孔201，金属化通孔201的半径R3＝0.15mm。
可选地，第一介质层20的相对介电常数为2.2，其厚度h1的取值范围为0.031λ0<h1<0.035λ0，第二介质层30的相对介电常数为1，其厚度h2的取值范围为0.048λ0<h2<0.055λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
在本实施例中，第一介质层20选用F4B(聚四氟乙烯)材料，其的厚度h1＝2mm，第二介质层30为空气层，其厚度h2＝3mm。
本实施例的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，利用折叠形金属条带与通孔结合的设计，做到超小型化，从而抑制栅瓣的出现，降低斜入射下的双站RCS，大大提高斜入射隐身性能。
对于周期性结构，当周期过大时，斜入射下的阵列因子除主瓣方向外在其他也会出现峰值，这些峰值称之为栅瓣，这些栅瓣会导致双站RCS的上升，增加被雷达探测到的概率。栅瓣出现的频率与结构的周期p的大小成反比，也就是说，结构周期p越小，栅瓣出现的频点越高，在本实施例中，利用折叠形金属条带与通孔结合的设计，做到超小型化，通过小型化的单元结构来推迟栅瓣，使得在工作频带内，没有栅瓣出现，从而降低斜入射下的双站RCS，大大提高斜入射隐身性能。
另外，超材料单元的每一层结构中均采用了中心对称的图案设计，使得该超材料吸波器对入射电磁波极化方向不敏感，并且在TE波0°-45°和TM波0°-45°的斜入射情况下仍能够保持稳定的吸波性能。
实施例二
本实施例通过仿真实验对实施例一的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器的性能进行验证说明。
1.仿真条件：
本实施例的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器中，超材料单元1呈m*n的连续矩阵排列，m和n均为无限大，利用商业仿真软件HFSS_19.2对该超材料吸波器的反射系数进行仿真。
2.仿真内容与结果：
仿真1，在垂直入射条件下以TE极化对该超材料吸波器进行仿真，得到反射系数曲线，并根据反射系数计算得到吸波率曲线，如图4所示，图4是本发明实施例提供的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器的反射系数曲线与吸波率曲线图，由图4可知：吸波器的吸波带为3.75-7.00GHz，该频带内反射系数均小于-10dB，相对带宽为60.5％。
仿真2，分别在TE极化和TM极化下，对入射角从0°增加至45°时，超材料吸波器进行仿真，得到反射系数曲线，如图5所示，图5是本发明实施例提供的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器在不同极化下入射角度从0度增加至45度对应的反射系数仿真曲线图。其中，图5中的(a)图为在TE极化下得到的反射系数曲线，(b)图为在TM极化下得到的反射系数曲线。从(a)图可以看出：在TE极化下，入射角度范围为0°<θ<45°时，吸波器吸波效果良好，在45度入射下依然有吸波效果，从(b)图可以看出：在TM极化下，入射角度范围为0°<θ<45°时，吸波器的吸波效果基本保持良好，说明该超材料吸波器具有良好的极化稳定性。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，包括：若干连续周期性排列的超材料单元(1)，所述超材料单元(1)包括自上而下依次层叠设置的顶层谐振层(10)、第一介质层(20)、第二介质层(30)和金属底板层(40)，所述顶层谐振层(10)包括第一金属贴片单元、薄膜电阻和4个第二金属贴片单元，其中，
所述第一金属贴片单元包括4个大小相等的扇环贴片(101)，所述薄膜电阻包括4个大小相等的扇环薄膜电阻(102)，4个所述扇环贴片(101)与4个所述扇环薄膜电阻(102)连接形成圆环结构，且所述扇环贴片(101)与所述扇环薄膜电阻(102)间隔设置；
所述第二金属贴片单元与所述扇环贴片(101)一一对应连接，4个所述第二金属贴片单元(102)形成中心对称图形，其对称中心为所述圆环结构的中心；
所述第二金属贴片单元包括相互连接的矩形金属条带(103)和折叠形金属条带(104)，所述折叠形金属条带(104)包括第一条带部(1041)、第二条带部(1042)和第三条带部(1043)，所述第一条带部(1041)的第一端靠近所述圆环结构，第二端与所述第二条带部(1042)的第一端连接且夹角为45°，所述第二条带部(1042)平行于所述超材料单元(1)顶面正方形的边，所述第二条带部(1042)的第二端与所述第三条带部(1043)的第一端连接且夹角为45°，所述第三条带部(1043)的第二端靠近所述圆环结构；
所述矩形金属条带(103)的第一端与所述扇环贴片(101)垂直连接，连接点位于所述扇环贴片(101)的对称轴上，另一端与所述第二条带部(1042)垂直连接，连接点位于所述第二条带部(1042)的中点处；
所述第一介质层(20)内设置有若干个贯穿的金属化通孔(201)，若干个所述金属化通孔(201)的顶端分别与对应的所述第一条带部(1041)和所述第二条带部(1042)的端部连接。
2.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述薄膜电阻为石墨烯电阻膜，方阻取值范围为340Ohm/sq-400Ohm/sq。
3.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述圆环结构的外径R1的取值范围为0.0165λ0<R1<0.017λ0，内径R2的取值范围为0.009λ0<R2<0.0093λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
4.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述矩形金属条带(103)的带宽W1的取值范围为0.0031λ0<W1<0.0036λ0，长度l3的取值范围为0.014λ0<l3<0.0143λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
5.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述第一条带部(1041)包括第一矩形子带和2个第一半圆形子带，2个所述第一半圆形子带分别位于所述第一矩形子带的两端部，所述第一半圆形子带的直径与所述第一矩形子带的带宽相等；
所述第三条带部(1043)包括第三矩形子带和2个第三半圆形子带，2个所述第三半圆形子带分别位于所述第三矩形子带的两端部，所述第三半圆形子带的直径与所述第三矩形子带的带宽相等。
6.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述折叠形金属条带(104)的带宽W2的取值范围为0.007λ0<W2<0.008λ0，所述第一条带部(1041)和所述第三条带部(1043)的长度一致，长度l2的取值范围为0.018λ0<l2<0.019λ0，所述第二条带部(1042)的长度l1的取值范围为0.051λ0<l1<0.055λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
7.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述金属化通孔(201)的半径R3的取值范围为0.022λ0<R3<0.028λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
8.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述第一介质层(20)的相对介电常数为2.2，其厚度h1的取值范围为0.031λ0<h1<0.035λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
9.根据权利要求1所述的超小型化的角度不敏感的超材料吸波器，其特征在于，所述第二介质层(30)的相对介电常数为1，其厚度h2的取值范围为0.048λ0<h2<0.055λ0，其中，λ0是吸波带中心频率f0对应的波长。
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