CN114336086A - 一种用于天线rcs减缩的超宽带吸波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，包括由上至下设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、阻抗型频率选择表面、阻抗型频率选择表面衬底、介质层和导电反射层；阻抗型频率选择表面由N×N个导电单元构成，每个导电单元包括同心设置的导电外圆环和导电内圆环，每个导电圆环上均匀加载有4个电阻。采用上述结构的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，通过采用电阻加载双圆环作为阻抗型频率选择表面可以实现天线RCS的缩减，达到天线隐身的目的，且性能稳定，具有广阔的实际应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波吸收技术领域，尤其是涉及一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构。
背景技术
天线是现代电子设备信号发射和接受的重要部分，在隐身技术领域，天线的RCS减缩在现代电子对抗中降低整体系统RCS有直接的影响。同时考虑到在降低天线RCS时，还需要确保天线功能良好。
常见的RCS减缩技术有四种，第一种是加载铁氧体吸波材料，通过将铁氧体材料作为天线基板或者在天线上增加一层铁氧体覆盖层；第二种是进行天线结构微调，利用仿生原理、分性结构、缩小地板等方式减小天线RCS；第三种是频率选择表面，可将部分地板替换为金属带通频率选择表面或者阻抗吸波型频率选择表面通过将入射电磁波透射和吸收的方式减小天线RCS；第四种是相位相消表面；第五种是加载吸波结构，通过在天线周围、天线正上方加载吸波结构，吸收多余能量达到天线RCS减缩。
然而大部分的设计都有以下几个缺点：第一：只能实现窄带RCS减缩或者较浅的RCS减缩；第二，对天线本身的性能影响过大.这使得现有的设计难以满足实际应用的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，通过采用电阻加载双圆环作为阻抗型频率选择表面可以实现在垂直入射时，反射率低于-20dB的频段为6.0GHz到13.6GHz，且性能稳定，实现天线RCS的缩减，达到天线隐身的目的，具有广阔的实际应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，包括由上至下设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、阻抗型频率选择表面、阻抗型频率选择表面衬底、介质层和导电反射层；
阻抗型频率选择表面由N×N个导电单元构成，每个导电单元包括同心设置的导电外圆环和导电内圆环，每个导电圆环上均匀加载有4个电阻。
优选的，所述表面蒙皮介质层为FR4、PI、PEN、F4B或者其他ROGERS的板中的一种或其相互组合，所述表面蒙皮介质层的相对介电常数为2.5～5.5，所述表面蒙皮介质层的损耗正切角为0.0001～0.1，所述表面蒙皮介质层厚度为0.1～2.0mm。
优选的，所述阻抗匹配介质层的材质为PMI、PUR、PI、EPS中的一种或其相互组合，所述匹配介质层的相对介电常数为1.01～1.58，所述阻抗匹配介质层的厚度为1.3～8.0mm。
优选的，所述阻抗型频率选择表面的导电外圆环的外半径为5.9～10.1mm,导电外圆环的线宽度为0.3～0.8mm；导电内圆环的外半径为3.1～5.5mm,导电内圆环的线宽度为0.3～0.8mm；两个导电圆环上用于加载电阻的缝隙为0.1～2.1mm。
优选的，所述导电外圆环和所述导电内圆环的材质为金、银、铜金属或者碳材质中的一种，通过喷印或电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于所述抗型频率选择表面衬底上；
所述电阻为集总贴片电阻元件或者通过磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法获得的等效电阻。
优选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为FR4、PI、PEN、F4B或者其他ROGERS的板中的一种或其相互组合，相对介电常数为2.5～5.5，厚度为0.02～1.5mm。
优选的，所述介质层的材质为PMI、PUR、PI、EPS中的一种或其相互组合，所述介质层的相对介电常数为1.01～1.58，所述介质层的厚度为4.6～9.0mm。
优选的，所述导电反射层为铜、铝、银、碳材料或者其他导电性能好的电磁波反射材料。
优选的，所述表面蒙皮介质层、所述阻抗匹配介质层、所述阻抗型频率选择表面、所述阻抗型频率选择表面衬底、所述介质层和所述导电反射层通过热压工艺压制成型。
因此，本发明采用上述结构的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，具有以下有益效果：
(1)本发明采用纤维增强复合材料的多层结构，可为不同的应用模式带来足够的机械稳定性。
(2)材质为PMI、PUR、PI、EPS中的一种或其相互组合的阻抗匹配介质层和采用FR4、PI、PEN、F4B或者其他ROGERS的板中的一种或其相互组合的表面蒙皮介质层作为阻抗匹配罩提高了结构整体吸波性能。
(3)通过采用电阻加载双圆环作为阻抗型频率选择表面可以实现在垂直入射时，反射率低于-20dB的频段为6.0GHz到13.6GHz，且性能稳定，吸波结构加载到X波段的雷达天线上时，天线的雷达截面显着减小，同时天线的辐射性能几乎不变，具有高性能超宽带吸波特性，实现天线RCS的缩减，达到天线隐身的目的。
(4)具有偏振不敏感特性，电磁波垂直入射时TE波和TM波的特性相互吻合。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构截面结构示意图。
图2是本发明一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构示意图。
图3是本发明阻抗型频率选择表面结构单元示意图。
图4是本发明的吸波结构在电磁波垂直入射时，阻抗型频率选择表面双圆环单元加载不同阻值的电阻所得到的TE波反射率随频率变化图。
图5是本发明的吸波结构在电磁波垂直入射时，阻抗型频率选择表面双圆环单元加载不同阻值的电阻所得到的TM波反射率随频率变化图。
图6是本发明的吸波结构在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，电磁波垂直入射时频点为6GHz时吸波结构表面电流分布图。
图7是本发明的吸波结构在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，电磁波垂直入射时频点为9.5GHz时吸波结构表面电流分布图。
图8是本发明的吸波结构在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，电磁波垂直入射时频点为13GHz时吸波结构表面电流分布图。
图9是本发明的吸波结构在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，是本发明不同入射角对应TE波吸波率随频率变化图。
图10是本发明的吸波结构在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，是本发明不同入射角对应TM波吸波率随频率变化图。
图11是本发明应用实例中所选用微带天线结构图。
图12是本发明应用实例中，将吸波结构加载到天线周围的示意图。
图13是本发明应用实例中，吸波结构加载前后天线回波损耗对比图。
图14是本发明应用实例中，吸波结构加载前后9.5Ghz处天线的方向性对比图。
图15是是本发明应用实例中，吸波结构加载前后天线在8-11GHz增益对比图。
图16是本发明应用实例中，微带天线在加载吸波结构之后的微带天线RCS扫描示意图。
图17是本发明应用实例中，微带天线在吸波结构加载前后单站RCS随频率变化对比图。
图18是本发明应用实例中，微带天线在吸波结构加载前后在8GHz时，RCS随入射角变化对比图。
图19是本发明应用实例中，微带天线在吸波结构加载前后在9GHz时，RCS随入射角变化对比图。
图20是本发明应用实例中，微带天线在吸波结构加载前后在10GHz时，RCS随入射角变化对比图。
图21是本发明应用实例中，微带天线在吸波结构加载前后在11GHz时，RCS随入射角变化对比图。
图22是本发明应用实例中，微带天线在吸波结构加载前后在12GHz时，RCS随入射角变化对比图。
附图标记
1、表面蒙皮介质层；2、阻抗匹配介质层；3、阻抗型频率选择表面；4、阻抗型频率选择表面衬底；5、介质层；6、导电反射层；7、导电外圆环；8、导电内圆环；9、导电内圆环加载的电阻，10导电外圆环加载的电阻；11、长方形贴片；12、长臂馈线；13、第一段阻抗匹配线；14、第二段阻抗匹配线；15、与馈线相衔接的金属贴片。
具体实施方式
实施例
图1是本发明一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构截面结构示意图，如图1所示，包括由上至下设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、阻抗型频率选择表面、阻抗型频率选择表面衬底、介质层和导电反射层。表面蒙皮介质层、所述阻抗匹配介质层、所述阻抗型频率选择表面、所述阻抗型频率选择表面衬底、所述介质层和所述导电反射层通过真空热压工艺压制成型。图2是本发明一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构示意图，图3是本发明阻抗型频率选择表面结构单元示意图，如图2-3所示，阻抗型频率选择表面3的导电单元包括同心设置的导电外圆环和导电内圆环，每个导电圆环上均匀加载有4个电阻，导电外圆环7上均匀加载有4个电阻10，导电内圆环8上也均匀加载了4个电阻9。在本实施例的吸波结构中共包括13×13个导电单元，结构单元的周期为20.2mm。
本实施例中表面蒙皮介质层1为相对介电常数为4.3、损耗正切角为0.0025左右的FR4、PI、ROGERS或者其他类似的板，厚度为0.3mm。
阻抗匹配介质层2为相对介电常数为1.05的PMI、PI或者其他类似泡沫，厚度为3.0mm。
阻抗型频率选择表面衬底4为相对介电常数为3.3的PI膜，厚度为0.15mm。
通过磁控溅射的方法，在阻抗型频率选择表面衬底4上沉积金属银材质的导电外圆环7和导电内圆环8，导电外圆环7的外半径为8mm，导电外圆环7的线宽度为0.5mm；导电内圆环的外半径为5.2mm，导电内圆环的线宽度为0.5mm。在导电外圆环7上均匀加载4个电阻10和导电内圆环8上均匀加载4个电阻9，电阻的总数量是8个，导电外圆环7和导电内圆环8用于加载电阻缝隙为0.3mm。
介质层5为相对介电常数在1.05的PMI、PI或者其他类似泡沫，厚度为6.8mm。
导电反射层6为铜，且厚度为0.035mm。
将上述6层材料通过真空热压即可获得电阻加载正六边形环超宽带吸波结构。
使用仿真软件对本实施例中的吸波结构进行分析。如图4-图5所示，在垂直入射时，仿真结果表明吸收体的反射率低于-20dB的频段为6.0GHz到13.6GHz。如图6所示，在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，电磁波垂直入射时频点为6GHz时吸波结构表面TE波电流分布图所示，其方向两侧的内外圆环电流大小与相近分布，外环电流分布中，电流相对较大，与大环针对低频吸波设计思路一致，TM波与TE波除电流方向的区别之外，其他表现一致。如图7所示，在外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，电磁波垂直入射时频点为9.5GHz时吸波结构表面TE、TM波电流分布图，可以看到外环电流更大，内环电流相较于6GHz，电流减小但是依旧有明显电磁能转变为内能的贡献。如图8所示，外部圆环加载电阻阻值为370Ω，内部圆环加载电阻为250Ω时，电磁波垂直入射时频点为13GHz时，吸波结构表面TE、TM波电流分布图，可以看到此时内环电流更大，外环电流相对更小，恰好与6GHz处内外环表现相反。整体来看，从低频吸波到高频吸波，双环表现是有规律的渐变过程，其中外环主要在低频吸波起到更重要的作用，内环在高频吸波起到主导作用。
如图9和图10所示，本实施例的吸波结构在30°入射角范围内，TE波有很宽的大于90％的吸波带宽。
应用实例1
将实施例1中的吸波结构，应用到微带线天线；本应用例中微带线天线结构，如图11所示。
正面天线主体部分，每个长方形贴片长度为11.8mm-12.2mm，在长边方向两个长方形金属铁片距离为35.2mm-35.4mm；每个长方形贴片宽度为9mm-10mm，在短边方向两个长方形金属贴片的距离为37mm-38mm。
天线基底尺寸为94mm(±2mm)*94mm(±2mm)*0.7(±0.05mm)，金属地在天线基板背面。
馈线网络在天线背板后面的第二块基板上，基板的尺寸为94mm(±2mm)*94mm(±2mm)*0.7(±0.05mm)。工字形的馈线网络中，两个长臂馈线长为47.4mm-47.8mm，宽度为0.5mm-0.7mm。连接两个长臂馈线的第一段阻抗匹配线，长为5.2mm-5.6mm，宽为1.0mm-1.4mm。第二段阻抗匹配微带线长为17.6mm-18.0mm，宽为0.5mm-0.7mm。与馈源相衔接的金属贴片长为5.2mm-5.6mm，宽为0.8mm-1.2mm。
最后，是将实施例1中的吸波结构与所述微带天线结合，如图12所示。
吸波结构加载微带线天线的性能测试：
如图13所示，本应用例中微带天线在加载了吸波结构之后，回波损耗最低点从9.5GHz便宜到了9.8GHz，仅仅偏移了0.3GHz，在实际应用中可通过改变天线尺寸、基板厚度、更换较大介电常数基板等方式进行适当的微调。
如图14所示，通过对比实例中天线本身在9.5GHz的方向图和加载了吸波结构之后在9.8GHz天线的方向图，可以发现吸波结构加载前后，天线前向辐射几乎没有变化，并且在加载吸波结构之后天线无用的后向辐射减少。
如图15所示，本应用例中微带天线在加载了吸波结构之后，增益有些许的减小，但是由于天线本身的增益足够大，完全不影响天线正常工作。
如图16所示，本应用例中，天线本体和加载吸波结构之后的对比图。
如图17所示，实例中微带天线在加载吸波结构前后，theta＝0°，phi＝0°时，在5GHz-13GHz频段RCS变化图。可以看到，在所示频段内该结构平均RCS减缩大于10dB，在6.75GHz-8.4GHz频段减缩大于20dB，尤其是在8GHz减缩大30dB，真正实现了宽带高性能RCS减缩的目的。
如图18-22所示，微带天线在吸波结构加载前后不同频点，RCS随theta变化对比图，可以看到吸波结构加载微带线天线在不同频点不同入射角对RCS减缩均有正向作用。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：包括由上至下设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、阻抗型频率选择表面、阻抗型频率选择表面衬底、介质层和导电反射层；
阻抗型频率选择表面由N×N个导电单元构成，每个导电单元包括同心设置的导电外圆环和导电内圆环，每个导电圆环上均匀加载有4个电阻。
2.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述表面蒙皮介质层为环氧玻璃布层压板(FR4)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚四氟乙烯玻璃布复合板(F4B)或者其他罗杰斯(ROGERS)板中的一种或其相互组合，所述蒙皮介质层的相对介电常数为2.5～5.5，所述蒙皮介质层的损耗正切角为0.0001～0.1，所述蒙皮介质层的厚度为0.1～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述阻抗匹配介质层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMI)、聚氨酯(PUR)、聚酰亚胺(PI)或者聚乙烯(EPS)泡沫中的一种或其相互组合，所述阻抗匹配介质层的相对介电常数为1.01～1.58，所述阻抗匹配介质层的厚度为1.3～8.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述阻抗型频率选择表面的导电外圆环的外半径为5.9～10.1mm,导电外圆环的线宽度为0.3～0.8mm；导电内圆环的外半径为3.1～5.5mm,导电内圆环的线宽度为0.3～0.8mm；两个导电圆环上用于加载电阻的缝隙为0.1～2.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述导电外圆环和所述导电内圆环的材质为金、银、铜金属或者碳材质中的一种，通过喷印或电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于所述抗型频率选择表面衬底上；
所述电阻为集总贴片电阻元件或者通过磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法获得的等效电阻。
6.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述阻抗型频率选择表面衬底为FR4、PI、PEN、F4B或者其他ROGERS的板中的一种或其相互组合，相对介电常数为2.5～5.5，厚度为0.02～1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述介质层的材质为PMI、PUR、PI、EPS中的一种或其相互组合，所述相对介电常数为1.01～1.58，所述介质层的厚度为4.6～9.0mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述导电反射层为铜、铝、银、碳材料或者其他导电性能好的电磁波反射材料。
9.根据权利要求1所述一种用于天线RCS减缩的超宽带吸波结构，其特征在于：所述表面蒙皮介质层、所述阻抗匹配介质层、所述阻抗型频率选择表面、所述阻抗型频率选择表面衬底、所述介质层和所述导电反射层通过热压工艺压制成型。
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- 2022-01-06 CN CN202210009079.9A patent/CN114336086A/zh not_active Withdrawn
Cited By (3)
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| CN115473051A (zh) * | 2022-10-20 | 2022-12-13 | 中南大学 | 一种电磁吸波结构 |
| CN115473051B (zh) * | 2022-10-20 | 2023-07-18 | 中南大学 | 一种电磁吸波结构 |
| CN115674819A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 湖南博翔新材料有限公司 | 一种宽带吸波材料及其制备方法 |
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