CN116111340A - 一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线罩设计制备方法技术领域，具体涉及一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，包括下列步骤：单元结构优选，获得L、X工作频段优化设计；利用场路协同设计，建立透波/防护状态电路模型，对LX双频段、高场强、高效防护进行性能模拟；进行激光刻蚀工艺；进行一体化成型工艺；插入损耗、防护效能测试。本发明利用十字形及其分形结构和互补结构谐振设计，获得极化不敏感、双频的透波电磁特性超表面，实现了L、X波段的工作频段设计。并且本发明与传统的强脉冲防护材料比较，功能从单一的电磁屏蔽功能扩展到透波/屏蔽双功能，满足雷达天线射频系统的收发功能，同时提升天线系统在高功率微波攻击环境下的屏蔽效能。

Description

一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法

技术领域

本发明属于天线罩设计制备方法技术领域，具体涉及一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法。

背景技术

针对无人机、发射车、阵地防护平台雷达射频系统易受高功率微波武器攻击，如CHAMP反电子设备高功率微波先进导弹，产生的强电磁脉冲功率密度达100GW以上，致使战场环境对雷达系统电子设备造成严重威胁。强电磁脉冲可以通过前门（如天线、传感器）和后门（如壳体上的孔、缝、线缆以及门窗）与电子设备耦合，当整套电子设备遭到电磁武器攻击，且攻击电磁波频率与天线工作频率相近时，会有大量的能量耦合进入到设备内部，毁伤电子系统器件，导致设备瘫痪。

在实际的战场中，作战单元之间、作战单元与指挥中心需要相互通信，作为接收电磁波的天线是必不可少的元素。天线必须暴露在电磁环境中，才能正常发挥电磁波收发功能。传统强脉冲防护技术主要采用导电金属外壳，将电子设备与外界隔离，但是大多数的电子设备都有诸如天线端口、通风口等与外界相连的部分，导电金属外壳会切断设备与空间电磁波的交换，不满足通信需求。

天线是强电磁脉冲耦合的重要通道，加载可调或可关断的天线罩，能够有效防止强电磁脉冲从天线耦合进入设备内部。许多学者利用变容二极管、PIN二极管以及MEMS器件等具有电磁敏感特性的器件，相继设计出了限幅超表面微波器件、频率选择表面材料（FSS）及能选超表面材料（ESS），可用作天线罩或放置到波导中，满足通信系统强电磁脉冲防护。

国防科技大学的张继宏等设计了一种用于波导高功率微波防护的能量选择（ESS）微波器件，通过反射超过导通值的电磁波来实现对敏感射频前端的防护。基于PIN二极管的非线性特性，实验验证在1.8GHz~2.2GHz内基于输入功率的非线性传输特性，对低功率信号的插入损耗不高于1.5 dB，高功率信号的防护效能10 dB。

中国工程物理研究院吴欢成等采用PIN二极管的Spice模型，利用三维电磁仿真软件对ESS进行了时域场路协同仿真，得到ESS材料。通过优化设计，使得透过电磁能量选择表面的场强更小，同时减小了尖峰泄漏，当场强达到1.2kV/m，防护效能达15 dB，ESS提高了通信系统在复杂电磁环境下的抗干扰和抗损伤能力。

山西大学高扬等提出了一种新型的ESS材料，单元由十字形贴片与在其四臂加载的矩形金属枝节构成，并在单元间加载PIN二极管，构成一种能量与频率双重选择的表面结构。当低功率信号入射时，该表面工作于透波模式，为FSS结构；当高功率脉冲入射时，该表面会自适应开启防护模式，屏蔽电磁波，为ESS结构。仿真结果表明，该ESS在防护模式下防护效能为-20 dB（0~3. 4 GHz），透射模式下-3 dB带宽可以达到1. 3 GHz(0~1. 3 GHz)，实现FSS与ESS功能切换。

综上所述，空间电磁脉冲防护技术主要有FSS技术和ESS技术，基于PIN二极管加载的FSS/ESS结构能够直接被入射强场激励，二极管适用于设计能量防护材料。但受防护材料导电层数少、谐振方式单一和结构尺寸限制，现阶段电磁脉冲防护材料工作频段大多在L或S波段，工作频段单一、防护效能不足，仍不能满足装备对高频段、强防护材料的需求。

发明内容

针对上述传统的电磁防护技术对空间强脉冲进行防护的同时切断设备与空间电磁波的交换，不满足通信需求的技术问题，本发明提供了一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，满足L、X波段低插损透波和强脉冲防护多功能一体化设计，解决了系统正常接收和电磁脉冲防护的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，包括下列步骤：

S1、单元结构优选，获得L、X工作频段优化设计；

S2、利用场路协同设计，建立透波/防护状态电路模型，对LX双频段、高场强、高效防护进行性能模拟；

S3、进行激光刻蚀工艺；

S4、进行一体化成型工艺；

S5、插入损耗、防护效能测试。

所述S1中获得L、X工作频段优化设计的方法为：利用CST软件实现超表面天线罩几何结构建模，超表面天线罩包括双层匹配层、双层介质层、双层导电层和一层夹心层，第一层为匹配层，厚度h1介电常数为(1；第二层为超表面导电层，导电层表示电导率ρ1的导电薄膜上蚀刻出十字分形超表面单元；第三层为介质层，厚度h2介电常数为(2；第四层为夹心层，厚度h3介电常数为(3；第五层为低介电常数的介质层，厚度h4介电常数为(4；第六层为超表面导电层，导电层表示电导率ρ2的导电薄膜上蚀刻出互补的十字分形超表面单元；第七层为低介电常数的匹配层，厚度h5介电常数为(5；合成后的超表面天线罩结构；第一层超表面单元；第二层超表面单元；二极管采用BAR 63-04V，二极管数量2000个；其中，导电薄膜电导率ρ1、ρ2为6.3×10^7S/m；介质层介电常数(1、(2、(4、(5为3.3~4.3，介电常数(3为1.05，厚度h1（h5）、h2（h4）和h3分别为1mm±0.1mm、0.7mm±0.05mm、5mm±0.1mm，损耗角正切值分别为0.01、0.01、0.002。

所述S2中对LX双频段、高场强、高效防护进行性能模拟的方法为：建立透波/防护超表面天线罩场路协同设计模型，当防护频段位于L和X波段时，L波段（1GHz~2GHz）防护效能≥20dB，屏蔽效能峰值达30dB；X波段（9.5GHz~10GHz）屏蔽效能≥20dB，屏蔽效能峰值达34dB。

所述S3中进行激光刻蚀工艺的方法为：利用CAD绘图软件画出所需要的超表面图形，单元尺寸为15mm×15mm，周期数为20×20，整体尺寸为300mm×300mm；通过激光光绘机绘制成蓝白微结构工艺图，所述蓝白微结构工艺图的蓝色部分为激光刻蚀部分，所述蓝白微结构工艺图的白色部分为超表面结构图形；利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超表面结构单元。

所述S4中进行一体化成型工艺的方法为：采用模压成型或者热压罐成型工艺实现超表面结构多功能层对位技术，重点控制多层超表面结构的加工精度、各层间的对位精度。

所述S5中插入损耗、防护效能测试的方法为：参考测试标准GJB 8820-2015电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法、GJB 9257-2017高功率微波效应试验方法-窄带高功率微波辐照法对插入损耗、防护效能测试，工作频段位于L和X波段。

一种强脉冲防护分形超表面天线罩，包括第一层匹配层、第一层超表面导电层、第一层介质层、夹芯层、第二层介质层、第二层超表面导电层、第二层匹配层，所述第一层匹配层下方设置有第一层超表面导电层，所述第一层超表面导电层下方设置有第一层介质层，所述第一层介质层下方设置有夹芯层，所述夹芯层下方设置有第二层介质层，所述第二层介质层下方设置有第二层超表面导电层，所述第二层超表面导电层下方设置有第二层匹配层。

所述第一层超表面导电层上的导电薄膜上蚀刻有第一层超表面单元，所述第二层超表面导电层上的导电薄膜上蚀刻有第二层超表面单元。

所述第一层超表面单元采用十字分形结构，所述第二层超表面单元与第一层超表面单元为互补结构。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明利用十字形及其分形结构和互补结构谐振设计，获得极化不敏感、双频的透波电磁特性超表面，实现了L、X波段的工作频段设计。并且本发明与传统的强脉冲防护材料比较，功能从单一的电磁屏蔽功能扩展到透波/屏蔽双功能，满足雷达天线射频系统的收发功能，同时提升天线系统在高功率微波攻击环境下的屏蔽效能。本发明实现天线罩工作频段拓展及性能提升，透波状态L、X波段插入损耗≤1dB；防护状态高功率微波场强为20kV/m时，在L波段屏蔽效能为27.3dB，在X波段屏蔽效能为30.3dB。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的制备流程图；

图2本发明的剖面图；

图3为本发明第一层超表面单元的结构示意图；

图4为本发明第二层超表面单元的结构示意图；

图5为本发明透波状态场路设计示意图；

图6为本发明防护状态场路设计示意图；

图7为本发明防护性能模拟曲线。

其中：1为第一层匹配层，2为第一层超表面导电层，3为第一层介质层，4为夹芯层，5为第二层介质层，6为第二层超表面导电层，7为第二层匹配层，8为第一层超表面单元，9为第二层超表面单元。

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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实施例中，如图1所示，包括下列步骤：

利用CST软件实现超表面天线罩几何结构建模，如图2-4所示。超表面天线罩包括双层匹配层、双层介质层、双层导电层和一层夹心层。第一层为第一层匹配层1，厚度h1介电常数为(1；第二层为第一层超表面导电层2，第一层超表面导电层2表示电导率ρ1的导电薄膜上蚀刻出第一层超表面单元8；第三层为第一层介质层3，厚度h2介电常数为(2；第四层为夹心层4，厚度h3介电常数为(3；第五层为低介电常数的第二层介质层5，厚度h4介电常数为(4；第六层为第二层超表面导电层6，第二层超表面导电层6表示电导率ρ2的导电薄膜上蚀刻出互补的第二层超表面单元9；第七层为低介电常数的第二层匹配层7，厚度h5介电常数为(5；合成后的超表面天线罩结构；第一层超表面单元8；第二层超表面单元9；二极管采用BAR 63-04V，二极管数量2000个。其中，导电薄膜电导率ρ1、ρ2为6.3×10^7S/m；介质层介电常数(1、(2、(4、(5为3.3~4.3，介电常数(3为1.05，厚度h1（h5）、h2（h4）和h3分别为1mm±0.1mm、0.7mm±0.05mm、5mm±0.1mm，损耗角正切值分别为0.01、0.01、0.002。

为了探究防护状态变化情况，建立透波/防护超表面天线罩场路协同设计模型如图5、图6所示。图5、图6给出透波状态、防护状态的电路图。图7表示防护性能模拟曲线，当防护频段位于L和X波段时，L波段（1GHz~2GHz）防护效能≥20dB，屏蔽效能峰值达30dB；X波段（9.5GHz~10GHz）屏蔽效能≥20dB，屏蔽效能峰值达34dB。

激光刻蚀技术：利用CAD绘图软件画出所需要的超表面图形，单元尺寸为15mm×15mm，周期数为20×20，整体尺寸为300mm×300mm；通过激光光绘机绘制成蓝白微结构工艺图（蓝色部分为激光刻蚀部分，白色部分为超表面结构图形）；利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超表面结构单元，如图5所示。

一体化成型技术：采用模压成型或者热压罐成型工艺实现超表面结构多功能层对位技术。重点控制多层超表面结构的加工精度、各层间的对位精度，严格控制升温曲线、升压曲线、温度和保温时间，降温、降压速度等，并进行相关工艺参数优化研究，以消除加工误差对透波/防护雷达天线罩性能的影响。

参考测试标准GJB 8820-2015《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》、GJB 9257-2017《高功率微波效应试验方法-窄带高功率微波辐照法》对插入损耗、防护效能测试，工作频段位于L和X波段。透波状态测试结果：L、X波段插入损耗≤1dB（1.4GHz-1.7GHz、9.5GHz-10GHz）；防护状态测试结果：高功率微波场强为20kV/m时，在L波段屏蔽效能为27.3dB，在X波段屏蔽效能为30.3dB。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、单元结构优选，获得L、X工作频段优化设计；

S2、利用场路协同设计，建立透波/防护状态电路模型，对LX双频段、高场强、高效防护进行性能模拟；

S3、进行激光刻蚀工艺；

S4、进行一体化成型工艺；

S5、插入损耗、防护效能测试。

2.根据权利要求1所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，其特征在于：所述S1中获得L、X工作频段优化设计的方法为：利用CST软件实现超表面天线罩几何结构建模，超表面天线罩包括双层匹配层、双层介质层、双层导电层和一层夹心层，第一层为匹配层，厚度h1介电常数为(1；第二层为超表面导电层，导电层表示电导率ρ1的导电薄膜上蚀刻出十字分形超表面单元；第三层为介质层，厚度h2介电常数为(2；第四层为夹心层，厚度h3介电常数为(3；第五层为低介电常数的介质层，厚度h4介电常数为(4；第六层为超表面导电层，导电层表示电导率ρ2的导电薄膜上蚀刻出互补的十字分形超表面单元；第七层为低介电常数的匹配层，厚度h5介电常数为(5；合成后的超表面天线罩结构；第一层超表面单元；第二层超表面单元；二极管采用BAR 63-04V，二极管数量2000个；其中，导电薄膜电导率ρ1、ρ2为6.3×10^7S/m；介质层介电常数(1、(2、(4、(5为3.3~4.3，介电常数(3为1.05，厚度h1（h5）、h2（h4）和h3分别为1mm±0.1mm、0.7mm±0.05mm、5mm±0.1mm，损耗角正切值分别为0.01、0.01、0.002。

3.根据权利要求1所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，其特征在于：所述S2中对LX双频段、高场强、高效防护进行性能模拟的方法为：建立透波/防护超表面天线罩场路协同设计模型，当防护频段位于L和X波段时，L波段（1GHz~2GHz）防护效能≥20dB，屏蔽效能峰值达30dB；X波段（9.5GHz~10GHz）屏蔽效能≥20dB，屏蔽效能峰值达34dB。

4.根据权利要求1所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，其特征在于：所述S3中进行激光刻蚀工艺的方法为：利用CAD绘图软件画出所需要的超表面图形，单元尺寸为15mm×15mm，周期数为20×20，整体尺寸为300mm×300mm；通过激光光绘机绘制成蓝白微结构工艺图，所述蓝白微结构工艺图的蓝色部分为激光刻蚀部分，所述蓝白微结构工艺图的白色部分为超表面结构图形；利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超表面结构单元。

5.根据权利要求1所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，其特征在于：所述S4中进行一体化成型工艺的方法为：采用模压成型或者热压罐成型工艺实现超表面结构多功能层对位技术，重点控制多层超表面结构的加工精度、各层间的对位精度。

6.根据权利要求1所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩设计制备方法，其特征在于：所述S5中插入损耗、防护效能测试的方法为：参考测试标准GJB 8820-2015电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法、GJB 9257-2017高功率微波效应试验方法-窄带高功率微波辐照法对插入损耗、防护效能测试，工作频段位于L和X波段。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩，其特征在于：包括第一层匹配层（1）、第一层超表面导电层（2）、第一层介质层（3）、夹芯层（4）、第二层介质层（5）、第二层超表面导电层（6）、第二层匹配层（7），所述第一层匹配层（1）下方设置有第一层超表面导电层（2），所述第一层超表面导电层（2）下方设置有第一层介质层（3），所述第一层介质层（3）下方设置有夹芯层（4），所述夹芯层（4）下方设置有第二层介质层（5），所述第二层介质层（5）下方设置有第二层超表面导电层（6），所述第二层超表面导电层（6）下方设置有第二层匹配层（7）。

8.根据权利要求7所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩，其特征在于：所述第一层超表面导电层（2）上的导电薄膜上蚀刻有第一层超表面单元（8），所述第二层超表面导电层（6）上的导电薄膜上蚀刻有第二层超表面单元（9）。

9.根据权利要求8所述的一种强脉冲防护分形超表面天线罩，其特征在于：所述第一层超表面单元（8）采用十字分形结构，所述第二层超表面单元（9）与第一层超表面单元（8）为互补结构。

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