CN115117637B - 双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面及天线罩 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面，包括多个在平面上周期排列的复合吸波结构单元，每个复合吸波结构单元呈长方体形状，多个复合吸波结构单元在平面上连续拼接，所述复合吸波结构单元包括介质基板、第一贴片层和第二贴片层，所述第一表面与第二表面为平行设置的正方形，所述第一贴片层包括金属频选结构，所述第二贴片层包括金属石墨烯复合吸波结构；本发明提供的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面能使天线在9.7GHz和19.35GHz发生谐振，产生吸波段，从12.44GHz到17.54GHz的频带内保持较高的传输特性，能够在通带两侧实现吸波，同时满足双极化、低插损等优势，是一种对不同入射电磁波具有较强适应性的周期结构。
Description
技术领域
本发明属于超材料和天线罩技术领域，具体涉及一种在X(8GHz~12GHz)、Ku(12GHz~18GHz)和K波段(18GHz~27GHz)工作的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面及天线罩。
背景技术
频率选择表面是一种二维周期阵列结构，对入射到其表面的电磁波具有频率选择特性，可以使工作频带内的电磁波通过，将非工作频带内的电磁波反射到非来波方向上。目前，频率选择表面超材料结构（简称“频选结构”）越来越多地应用在了雷达通信系统的天线罩领域。在雷达系统的开发中，双/多站雷达应用逐渐增多，多个雷达接收机就能够接收到频选天线罩反射到其他方向的电磁波，导致频选的隐身功能丧失。若在频选结构的基础上加入具有吸波功能的石墨烯材料，由阻抗表面层和频选层复合成多层周期结构，可以应对双/多站雷达系统的侦测。将其放在开放空间中并用不同频率的电磁波对其进行照射，若入射电磁波的工作频率在通带内，该结构相当于电磁透明的，入射电磁波可以顺利通过该结构。若在该结构的阻带内，则入射电磁波会被吸收损耗，不能通过该结构的同时也不会反射到其他方向上。在雷达天线罩领域中，可以将该石墨烯结构和频选结构复合成吸透一体化超材料结构表面（简称“超构表面”），并加载到天线罩上，并借助天线罩的几何外形，使天线工作频带外的电磁信号被复合超构表面吸收，不被敌方雷达接收到，以实现雷达隐身的功能，同时也可以在电子对抗中起到抗干扰的效果。在无线安全领域中，该复合超构表面可用作特殊区域的隔离材料，使得特定频率的电磁波信号不会泄露到区域之外，且阻止其他信号进入到区域内，从而保证通信安全。
现有的一些复合超构表面采用纯阻抗表面层达到吸波要求，这种结构由于在该层仅加载吸波材料导致插损较高，吸波效果较差，难以实现抗干扰和高隔离；一些对称设计的复合超构表面难以实现各种不同极化电磁波照射时传输性能稳定的双极化特性；还有一些基于复合材料的频选吸波结构仅能实现通带一侧吸波，在应用上有其局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对X、Ku和K波段，现有频率选择表面难以实现低插损、宽通带、双极化、通带两侧吸波等缺陷，提供一种对不同入射电磁波具有较强适应性的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面，从而解决基于现有频选表面的天线罩不能很好地实现雷达天线的隐身这一问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面，包括多个在平面上周期排列的复合吸波结构单元，每个复合吸波结构单元呈长方体形状，多个复合吸波结构单元在平面上连续拼接，所述复合吸波结构单元包括介质基板、附着在介质基板第一表面上的第一贴片层和附着在介质基板第二表面上的第二贴片层，所述第一表面与第二表面为平行设置的正方形，所述第一贴片层包括频选结构，两组所述频选结构关于第一表面的对角线对称设置，所述频选结构包括长矩形贴片和短矩形贴片，所述长矩形贴片和短矩形贴片的间隙形成频率通带，所述第二贴片层包括吸波结构，所述吸波结构包括两条关于第二表面的对角线对称设置的长金属直导线，两条所述长金属直导线的一端通过L型石墨烯贴片连接，两个所述短矩形贴片靠近L型石墨烯贴片设置。
优选地，所述长矩形贴片与短矩形贴片的宽度相同，所述L型石墨烯贴片的宽度与长金属直导线的宽度相同。
优选地，两条所述长金属直导线的另一端均连接有短金属直导线，所述短金属直导线与长金属直导线的宽度相同。
优选地，所述长矩形贴片、短矩形贴片、长金属直导线、及短金属直导线为金箔、银箔或铜箔中的一种。
优选地，所述复合吸波结构单元的周期为8~12mm，所述介质基板的厚度为0.5mm，所述长矩形贴片、短矩形贴片、长金属直导线、L型石墨烯贴片及短金属直导线的厚度均为0.017mm，长矩形贴片的长度为3~5mm，短矩形贴片的长度为1.5~3mm，长矩形贴片的宽度为0.5~1.5mm，长矩形贴片和短矩形贴片的间隙为0.7~1.2mm，长金属直导线的宽度为0.05~0.25mm，长度为7~9mm；短金属直导线的长度为0.5~3mm，长金属直导线、短金属直导线与第二表面边缘的间距均为0.3~1.5mm，L型石墨烯贴片两边的长度均为0.3~1mm。
本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线系统的辐射方向上，由上述的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构组成。
优选地，所述复合吸波结构单元的周期为10mm；所述介质基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为3.66，介电损耗为0.004；所述长矩形贴片、短矩形贴片、长金属直导线、L型石墨烯贴片及短金属直导线的厚度均为0.017mm，长矩形贴片的长度为4mm，短矩形贴片的长度为2.5mm，长矩形贴片的宽度为1mm，长矩形贴片和短矩形贴片的间隙为1mm；长金属直导线的宽度为0.2mm，长度为8.6mm；短金属直导线的长度为1.1mm；长金属直导线、短金属直导线与第二表面边缘的间距均为0.4mm；L型石墨烯贴片132两边的长度均为0.6mm。
优选地，所述天线罩包括两层间隔设置的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间填充相对介电常数为1的硬质泡沫。
优选地，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间的间距为1~4mm。
优选地，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间的间距为1.5mm。
本发明的有益效果是，本发明中双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面能使天线在Ku波段从12.4GHz到17.5GHz的频带内保持良好的辐射特性，能自由收发通信；同时，在通带两侧：X波段从9.6GHz到9.8GHz的频带内、K波段从19.2GHz到19.5GHz的频带内有很好的吸波性能，使天线的RCS降低，实现天线的隐身目的。
附图说明
图1是本发明其中一实施例的结构示意图。
图2是图1所示实施例的复合吸波结构层的结构示意图。
图3（a）-（b）是第一贴片层的结构示意图；图3（a）为频选结构的结构示意图；图3（b）为频选结构的尺寸示意图。
图4（a）-（b）是第二贴片层的结构示意图；图4（a）为吸波结构的结构示意图；图4（b）为吸波结构的尺寸示意图。
图5为在三维高频电磁仿真软件CST的微波工作室中，当TE波和TM波分别正入射复合吸波结构1的电磁模型时，在频率1GHz到20GHz频率范围内得到其随频率变化的传输/反射系数T/R coefficients的仿真结果；TE波(即s波)：在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波，TM波(即p波)：在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。
图6是本发明另一实施例的结构示意图。
图7是图6所示实施例的双层复合吸波结构层的结构示意图。
图8为在三维高频电磁仿真软件CST的微波工作室中，当TE波和TM波分别正入射双层复合吸波结构单元的电磁模型时，在频率1GHz到20GHz频率范围内得到其随频率变化的传输/反射系数T/R coefficients的仿真结果。
图9（a）-（b）是当TE波是在石墨烯不同的特性参数设置下照射本发明正方形双层复合吸波结构单元时，测得的传输/反射系数T/R coefficients；图9（a）设置了不同的石墨烯电化学势，分别为0eV、0.05eV、0.1eV、0.15eV；图9（b）设置了不同的石墨烯的载流子弛豫时间，分别为0ns、0.05ns、0.1ns、0.15ns。
图10（a）-（b）是当TM波是在石墨烯不同的特性参数设置下照射本发明正方形双层复合吸波结构单元时，测得的传输/反射系数T/R coefficients；图10（a）设置了不同的石墨烯电化学势，分别为0eV、0.05eV、0.1eV、0.15eV；图10（b）设置了不同的石墨烯的载流子弛豫时间，分别为0ns、0.05ns、0.1ns、0.15ns。
图11（a）-（b）为不同的介质基板11厚度条件下分别照射本发明正方形双层复合吸波结构单元时，测得的传输/反射系数T/R coefficients，介质基板厚度分别为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm；图11（a）设置了TE波入射；图11（b）设置了TM波入射。
在图中，1、复合吸波结构单元；11、介质基板；12、第一贴片层；13、第二贴片层；121、长矩形贴片；122、短矩形贴片；131、长金属直导线；132、L型石墨烯贴片；133、短金属直导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
如图1所示，本发明提供的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面，包括多个在平面上周期排列的复合吸波结构单元1，每个复合吸波结构单元1呈长方体形状，多个复合吸波结构单元1在平面上连续拼接。
如图2所示，所述复合吸波结构单元1包括介质基板11、附着在介质基板11第一表面上的第一贴片层12和附着在介质基板11第二表面上的第二贴片层13，所述第一表面与第二表面为平行设置的正方形，所述第一贴片层12包括频选结构，两组所述频选结构关于第一表面的对角线对称设置，所述频选结构包括长矩形贴片121和短矩形贴片122，所述长矩形贴片121和短矩形贴片122的间隙形成频率通带，所述第二贴片层13包括吸波结构，所述吸波结构包括两条关于第二表面的对角线对称设置的长金属直导线131，两条所述长金属直导线131的一端通过L型石墨烯贴片132连接，两个所述短矩形贴片122靠近L型石墨烯贴片132设置。所述复合吸波结构单元1的周期P为8~12mm，所述介质基板11的厚度为0.5mm，所述长矩形贴片121、短矩形贴片122、长金属直导线131、L型石墨烯贴片132及短金属直导线133的厚度均为0.017mm，
如图3（a）、图3（b）所示，一组频选结构印制在第一表面的右侧边缘，另一组频选结构印制在第一表面的底侧边缘，长矩形贴片121的长度L1为3~5mm，短矩形贴片122的长度L2为1.5~3mm，长矩形贴片121和短矩形贴片122的宽度均为W1，W1为0.5~1.5mm；以水平方向的频选结构为例，长矩形贴片121距离第一表面的左侧边缘的间距D1为0.1~1mm，长矩形贴片121距离第一表面的下端边缘的间距D4与D1相同，短矩形贴片122距离第一表面的右侧边缘的间距D2为1.5~3mm，长矩形贴片121和短矩形贴片122的间隙D3为0.7~1.2mm。
如图4（a）、图4（b）所示，两条所述长金属直导线131分别沿两组频选结构设置，由于金属导线连接不能形成吸波效果，故两条长金属直导线131的一端通过L型石墨烯贴片132连接；长金属直导线131、短金属直导线133及L型石墨烯贴片132的宽度均为W2，W2为0.05~0.25mm；长金属直导线131的长度L3为7~9mm，短金属直导线133的长度L4为0.5~3mm，长金属直导线131、短金属直导线133与第二表面边缘的间距均为D5，D5为0.3~1.5mm，L型石墨烯贴片132两边的长度均为L5，L5为0.3~1mm。
第一贴片层12中的四个不同金属矩形组合在一起，在长矩形贴片121和短矩形贴片122的间隙处形成了频率通带，两组频选结构关于第一表面的对角线对称，能实现当各种不同极化电磁波照射时，传输性能稳定的双极化特性；第二贴片层13中的两条长金属直导线131耦合了第一贴片层12透过的电磁波，并将之传导至L型石墨烯结构132进行吸收，L型石墨烯结构132能兼顾两种线极化，大幅度提高吸波率；同时，两个短矩形贴片122靠近L型石墨烯贴片132设置，对称性有利于实现稳定的双极化特性。
更具体的，两条所述长金属直导线131的另一端均连接有短金属直导线133，所述短金属直导线133与长金属直导线131的宽度相同，能进一步加强耦合效果。
更具体的，所述长矩形贴片121、短矩形贴片122、长金属直导线131、及短金属直导线133为金箔、银箔或铜箔中的一种。
一种天线罩，用于罩设在天线系统的辐射方向上，上述的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构组成。
本发明提供的天线罩由双极化高透射率和高吸波率石墨烯频率选择表面结构组成，能够在通带两侧实现吸波，同时满足双极化、低插损等优势，是一种对不同入射电磁波具有较强适应性的周期结构，使天线在9.7GHz和 19.35GHz发生谐振，产生吸波段，从12.44GHz到17.54GHz的频带内保持较高的传输特性
实施例一
复合吸波结构单元1的周期P为10mm；所述介质基板11的非导电材料采用的是Rogers公司的RO4350，相对介电常数为3.66，介电损耗为0.004，介质基板11的厚度为0.5mm，相对介电常数为3.66，介电损耗为0.004；所述长矩形贴片121、短矩形贴片122、长金属直导线131、L型石墨烯贴片132及短金属直导线133的厚度均为0.017mm，长矩形贴片121的长度L1为4mm，短矩形贴片122的长度L2为2.5mm，长矩形贴片121的宽度W1为1mm，长矩形贴片121距离第一表面边缘的间距D1=D4=0.5mm，短矩形贴片122距离第一表面边缘的间距D2为2mm，长矩形贴片121和短矩形贴片122的间隙D3为1mm；长金属直导线131的宽度W2为0.2mm，长度L3为8.6mm；短金属直导线133的长度L4为1.1mm；长金属直导线131、短金属直导线133与第二表面边缘的间距均为D5，D5为0.4mm；L型石墨烯贴片132两边的长度均为L5，L5为0.6mm。
在三维高频电磁仿真软件CST的微波工作室中，用TE波和TM波分别正入射复合吸波结构1的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数（T/R coefficients）的仿真结果，如图5所示，从图中可以看到单层的复合吸波结构在11.3GHz-19GHz范围内形成稳定双极化通带，在通带的两侧产生了一定的吸波效果，但吸波率较低。
实施例二
请一并参阅图6、图7，本实施例提供的技术方案与实施例一基本相同，不同之处在于：采用两层间隔设置的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构组成，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间填充相对介电常数为1的硬质泡沫，在本实施例中硬质泡沫为PMI泡沫，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间的间距为1~4mm。
更具体的，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间的间距为1.5mm。
图8为在CST中，用TE波和TM波分别正入射双层复合吸波结构单元的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数（T/R coefficients）的仿真结果。相较于单层的复合吸波结构1，从图中可以看到双层结构具备良好的吸透波性能。在9.6-9.8GHz和19.2-19.5GHz 频带范围内实现了吸波，吸波频带带宽分别为 0.2GHz和 0.3GHz，中心频率约为9.7GHz和 19.35GHz，吸波率接近 100%。在12.4GHz-17.5GHz频带范围内透波，传输频带带宽约为 5.1GHz。该模型在传输频带的插入损耗极小，可以达到仅 0.3dB的损失。且TE和TM波的反射曲线完全重合，TE和TM波的传输曲线完全重合，此结构可实现双极化。
图9（a）、图9（b）是当频率在1GHz-20GHz频率范围内以TE波正入射双层复合吸波结构单元时，在不同的石墨烯特性参数条件下得到其随频率变化的传输/反射系数（T/Rcoefficients）的仿真结果；图9（a）是弛豫时间为0.1ns，电化学势由0eV改变至0.15eV，步进为0.05eV时，该双层复合吸波结构单元的吸透性能的变化。从图中可以看出随着石墨烯电化学势的变化，双层复合吸波结构单元的吸透性能几乎不受影响；图9（b）是电化学势为0eV，石墨烯的弛豫时间由0ns改变至0.15ns，步进为0.05ns时，该双层复合吸波结构单元的吸透性能的变化。随着弛豫时间的改变，模型的吸透性能同样不受石墨烯弛豫时间的影响，较为稳定。
图10（a）、图10（b）是当频率在1GHz-20GHz频率范围内以TM波正入射双层复合吸波结构单元时，在不同的石墨烯特性参数条件下得到其随频率变化的传输/反射系数（T/Rcoefficients）的仿真结果；图10（a）是弛豫时间为0.1ns，电化学势由0eV改变至0.15eV，步进为0.05eV时，该双层复合吸波结构单元的吸透性能的变化；图10（b）是电化学势为0eV，石墨烯的弛豫时间由0ns改变至0.15ns，步进为0.05ns时，该双层复合吸波结构单元的吸透性能的变化。从图中可以看出其结果与TE波结果几乎完全一致，双层复合吸波结构单元的性能不受石墨烯电化学势和弛豫时间的影响，再次说明了该结构双极化的优良特性。
图11（a）、图11（b）是在1GHz-20GHz的频率范围内分别以TE波和TM波照射双层复合吸波结构单元，更改介质基板的厚度得到的反射和传输系数图。图11（a）为TE波入射图；图11（b）为TM波入射图。在两图中，介质基板厚度范围均设置为0.3mm到0.6mm，在CST中按照0.1mm的步进进行扫频。当厚度为0.3mm时，吸波带为10GHz-10.3GHz和19.6GHz-19.8GHz，通带位于12.7GHz-19.3GHz，中心频率为16GHz；当厚度为0.4mm时，吸波带为9.8GHz-10GHz和19.6GHz-19.8GHz，通带位于12.8GHz-19GHz，中心频率为15.9GHz；当厚度为0.5mm时，吸波带为9.6GHz-9.9GHz和19.3GHz-19.5GHz，通带位于12GHz-19GHz，中心频率为15.5GHz；当厚度为0.6mm时，吸波带为9.4GHz-9.9GHz和19GHz-19.4GHz，通带位于11.8GHz-18.9GHz，中心频率为15.35GHz；可以看出，随着介质基板厚度增加，吸波带和透波带都会向低频搬移，可以对双层复合吸波结构单元的吸透性能做出调整。
综上，为了达到更好的吸波效果，设置两层相同的复合吸波结构层能进一步拓宽提高吸波频带的吸波率。由于设置三层甚至更多的复合吸波结构单元，透波效果不佳，因此，本实施例优选双层复合吸波结构单元。
以上实施例仅用于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 (7)
1.一种双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构，其特征在于：包括多个在平面上周期排列的复合吸波结构单元，每个复合吸波结构单元呈长方体形状，多个复合吸波结构单元在平面上连续拼接，所述复合吸波结构单元包括介质基板、附着在介质基板第一表面上的第一贴片层和附着在介质基板第二表面上的第二贴片层，所述第一表面与第二表面为平行设置的正方形，所述第一贴片层包括频选结构，两组所述频选结构关于第一表面的对角线对称设置，所述频选结构包括长矩形贴片和短矩形贴片，所述长矩形贴片和短矩形贴片的间隙形成频率通带，所述第二贴片层包括吸波结构，所述吸波结构包括两条关于第二表面的对角线对称设置的长金属直导线，两条所述长金属直导线的一端通过L型石墨烯贴片连接，两个所述短矩形贴片靠近L型石墨烯贴片设置；
所述长矩形贴片与短矩形贴片的宽度相同，所述L型石墨烯贴片的宽度与长金属直导线的宽度相同；
两条所述长金属直导线的另一端均连接有短金属直导线，所述短金属直导线与长金属直导线的宽度相同；
所述复合吸波结构单元的周期为8~12mm，所述介质基板的厚度为0.5mm，所述长矩形贴片、短矩形贴片、长金属直导线、L型石墨烯贴片及短金属直导线的厚度均为0.017mm，长矩形贴片的长度为3~5mm，短矩形贴片的长度为1.5~3mm，长矩形贴片的宽度为0.5~1.5mm，长矩形贴片和短矩形贴片的间隙为0.7~1.2mm，长金属直导线的宽度为0.05~0.25mm，长度为7~9mm；短金属直导线的长度为0.5~3mm，长金属直导线、短金属直导线与第二表面边缘的间距均为0.3~1.5mm，L型石墨烯贴片两边的长度均为0.3~1mm。
2.如权利要求1所述的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构，其特征在于：所述长矩形贴片、短矩形贴片、长金属直导线、及短金属直导线为金箔、银箔或铜箔中的一种。
3.一种天线罩，用于罩设在天线系统的辐射方向上，其特征在于：由权利要求1或2所述的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构组成。
4.如权利要求3所述的天线罩，其特征在于：所述复合吸波结构单元的周期为10mm；所述介质基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为3.66，介电损耗为0.004；所述长矩形贴片、短矩形贴片、长金属直导线、L型石墨烯贴片及短金属直导线的厚度均为0.017mm，长矩形贴片的长度为4mm，短矩形贴片的长度为2.5mm，长矩形贴片的宽度为1mm，长矩形贴片和短矩形贴片的间隙为1mm；长金属直导线的宽度为0.2mm，长度为8.6mm；短金属直导线的长度为1.1mm；长金属直导线、短金属直导线与第二表面边缘的间距均为0.4mm；L型石墨烯贴片132两边的长度均为0.6mm。
5.如权利要求3或4所述的天线罩，其特征在于：所述天线罩包括两层间隔设置的双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构，两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间填充相对介电常数为1的硬质泡沫。
6.如权利要求5所述的天线罩，其特征在于：两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间的间距为1~4mm。
7.如权利要求6所述的天线罩，其特征在于：两层所述双极化吸透一体石墨烯频选复合超构表面结构之间的间距为1.5mm。
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