CN116826390A - 一种超宽带大角域超材料吸波体 - Google Patents

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吴雨明
徐涛
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Abstract

本申请属于目标RCS减缩领域，特别涉及一种超宽带大角域超材料吸波体，本申请提供了一种超宽带大角域超材料吸波体，从上至下分别包括：第一超材料结构层、第一介质基板、第二超材料结构层、第二介质基板以及铜片层；第一超材料结构层与第二超材料结构层分别包括多组单元结构，每个单元结构包括一个电阻薄膜，所述电阻薄膜的形状呈蝶形的周期分布，相邻组的电阻薄膜在第一轴线方向上相差半个所述周期，可在超宽带范围内实现对来自大角域电磁波的有效吸收，大幅提高目标RCS减缩性能，在RCS减缩领域具有重要的应用价值。

Description

一种超宽带大角域超材料吸波体
技术领域
本申请属于目标RCS减缩领域，特别涉及一种超宽带大角域超材料吸波体。
背景技术
超材料吸波体是一种具有电磁波吸收功能的人工电磁周期结构，属于一种微波器件，广泛应用于目标RCS减缩领域。
传统超材料吸波体能够在宽带范围内实现高吸收率的吸波性能，通过将超材料吸波体覆盖到目标表面，吸收入射到物体表面的电磁波，减少回波能量，实现目标RCS减缩。
国内外现有的吸波结构一般在宽带范围内实现稳定吸收率的角度不超过45°[1-2]。当电磁波入射角度超过45°往往伴随着吸收频带变窄的问题[3-5]，对于目标需要实现大角域RCS减缩的特定场景传统的吸波结构则难以发挥作用。
超材料吸波体技术研究起源于2008年，在隐身斗篷、天线RCS缩减等方面获得了一定的应用。根据吸波频带的不同，超材料吸波体一般可以分为单频、双频、宽带等几种不同的设计。最理想的超材料吸波体应该同时具备超宽带、高吸收率、宽角度、极化不敏感以及低剖面等特性，但现有的吸波材料往往难以同时满足所有的要求。实际上，对于不同的应用场景吸波材料所需要具备的特性会有所区别。面对敌方双/多机载雷达的空中探测时，来自目标大角域的雷达波仍可能被反射，无法实现目标隐身。因此，针对RCS减缩技术中目标大角域RCS减缩的特殊需求，此时就需要超材料吸波体具备大角域吸波特性，实现目标超宽带大角域RCS减缩。在目标RCS减缩角域只关注大角域的情况，针对于目标大角域进行的超宽带超材料吸波体设计是一种可行的实施方案。
从超宽带大角域超材料吸波体的特性来看，设计时需要同时考虑超宽带和大角域两方面特性。对来自大角域的电磁波，实现超宽带吸收性能。对目标实现大角域超宽带范围内的RCS减缩。国内外现有的超材料吸波体存在工作带宽宽但吸收角度较小或者虽然吸收角度大但工作带宽窄等缺点，难以应用到目标宽带大角域RCS减缩领域中。由此，本发明提出一种应用于大角域RCS减缩的超宽带超材料吸波体。
[1]Y.Z.Wang,X.H.Xu,C.H.Chao,and M.Z.Wang,S.J.Wang,“Reserch progressof electromagnetic metamaterial absorbers,”Acta.Phys.Sin.,vol.69,pp.134101,2020.
[2]J.Yu,W.Jiang,and S.X.Gong,“Wideband angular stable absorber basedon spoof surface plasmonpolariton for RCS reduction,”IEEE AntennasWirel.Propag.Lett.,vol.19,pp.1058-1062,2020.
[3]Y.Shen,Y.Pang,J.Wang,H.Ma,Z.Pei,and S.Qu.
“Origami-inspired metamaterial absorbers for improving the larger-incident angle absorption,”J.Phys.D.Appl.Phys.,vol.48,pp.445008,2015.
[4]T.Shi,M.C.Tang,D.Yi,L.Lei,M.Li,J.F.Wang,and C.W.Qiu,“Near-omnidirectional broadband metamaterial absorber forTM-Polarized wave based onradiation pattern synthesis,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.70,pp.420-429,2022.
[5]L.Zhang,H.Lu,P.Zhou,J.Xie,and L.Deng,“Oblique incidenceperformanceof microwave absorbers based on magnetic polymer composites,”IEEETrans.Magn.,vol.51,pp.7100604,2015.
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种超宽带大角域超材料吸波体，从上至下分别包括：第一超材料结构层、第一介质基板、第二超材料结构层、第二介质基板以及铜片层；
第一超材料结构层与第二超材料结构层分别包括多组单元结构，每个单元结构包括一个电阻薄膜，所述电阻薄膜的形状包括：第一梯形、第二梯形以及连接第一梯形上底与第二梯形上底的矩形；每组单元结构沿第一轴线周期分布，所述第一轴线垂直于第一对称轴，所述第一对称轴为第一梯形对称于第二梯形的对称轴；
多组单元结构沿第二轴线方向分布，相邻组的电阻薄膜在第一轴线方向上相差半个所述周期。
优选的是，所述电阻薄膜的材料包括但不限于氧化铟锡。
优选的是，介质基板b1的厚度t1为2、4mm的介质板，相对介电常数ε为2、94，损耗角正切为0、0012。介质基本b2的厚度t2为2、4mm的介质板，相对介电常数ε为2、94，损耗角正切为0、0012。
优选的是，所述单元结构沿第一对称轴方向的长度py＝7、2mm，所述单元结构沿第二对称轴方向的长度px＝4mm。
优选的是，所述电阻薄膜沿第一对称轴方向的长度lx＝6、9mm，所述单元结构沿第二对称轴方向的长度ly＝3、8mm，所述矩形长w＝0、6mm，矩形宽d＝0、3mm。
优选的是，所述矩形与第一梯形上底以及第二梯形上底的的连接处采用直线过渡。
优选的是，所述电阻薄膜的方欧为40欧姆/□。
优选的是，所述矩形位于所述单元结构的几何中心。
优选的是，第一超材料结构层与第二超材料结构层的单元结构由上至下的分布方式相同。
优选的是，所述超材料吸波体吸收电磁波的入射角度与所述超材料吸波体表面夹角包括60°、70°和80°
本申请的优点包括：(1)本发明采用双层二维超材料结构的方式，通过优化的蝶形形状的电阻薄膜及其方阻值，由蝶形结构的单元通过三角排布的阵列形式组成。每相邻两行之间错开半个单元周期，两行之间的缝隙形成折线的形状，充分利用布阵空间，实现超宽带大角域电磁波的稳定高效吸收，可以覆盖雷达常用频段，并且结构简单易于制备。
(2)本发明设计的超宽带大角域超材料吸波体具有在大角域范围超宽带的工作特性，相比于目前国内研制的常规超材料吸波体，具有更宽的带宽，适用于目标大角域RCS减缩。加载到目标表面，可在超宽带范围内实现对来自大角域电磁波的有效吸收，大幅提高目标RCS减缩性能，在RCS减缩领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本申请的一种超宽带大角域超材料吸波体的立体结构一个单元的示意图，其中，为了方便说明各层结构所处的位置，介质层做了一定透明化处理。
图2是本申请的超宽带大角域超材料吸波体一个单元的顶视图。
图3是本申请的超宽带大角域超材料吸波体的层次结构示意图。
图4是本申请的超宽带大角域超材料吸波体阵列排布示意图。
图5是本申请实施例1中的超宽带大角域超材料吸波体吸收率曲线图。
具体实施方式
为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示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，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。
本申请提出一种针对于大角域入射波的超宽带大角域超材料吸波结构，在保证超宽带工作的同时，抑制来自大角域入射波的回波能量，提高目标大角域范围内的RCS减缩性能，为未来大角域隐身技术做铺垫。
包括若干个三角周期排布的二维超材料单元。该结构包括介质基板、附着在基板上的超材料结构、覆铜板组成。参照附图1所示。特点如下：超宽带大角域超材料吸波体由两层超材料结构层、两层介质基板、一层铜片叠加粘接组成。从上直下为超材料结构层a1、介质基板b1、超材料结构层a2、介质基板b2以及铜片层c组成。每层的介质板均选用厚度为2.4mm的介质板，相对介电常数ε为2.94，损耗角正切为0.0012。其中，超材料结构层a1为蝶形形状的ITO(氧化铟锡)电阻薄膜，超材料结构层a2也为蝶形形状的ITO(氧化铟锡)电阻薄膜。
实施例1：
如图1、图2所示，一种结构简单的超宽带大角域超材料吸波体单元，包括介质基板、附着在基板上的超材料结构、覆铜板组成。特点如下：超宽带大角域超材料吸波体由两层超材料结构层、两层介质基板、一层铜片叠加粘接组成。从上往下为超材料结构层a1、介质基板b1、超材料结构层a2、介质基板b2以及铜片层c组成。介质基板b1的厚度t1为2.4mm的介质板，相对介电常数ε为2.94，损耗角正切为0.0012。介质基本b2的厚度t2为2.4mm的介质板，相对介电常数ε为2.94，损耗角正切为0.0012。超材料结构层a1为蝶形形状的ITO(氧化铟锡)电阻薄膜，超材料结构层a2也为蝶形形状的ITO(氧化铟锡)电阻薄膜。单元结构的周期尺寸为px＝4mm，py＝7.2mm。
如图3所示，从上至下分别包括：第一超材料结构层a1、第一介质基板b1、第二超材料结构层a2、第二介质基板b2以及铜片层c；第一超材料结构层a1与第二超材料结构层a2分别包括多组单元结构，每个单元结构包括一个电阻薄膜，所述电阻薄膜的形状包括：第一梯形、第二梯形以及连接第一梯形上底与第二梯形上底的矩形；每组单元结构沿第一轴线周期分布，所述第一轴线垂直于第一对称轴，所述第一对称轴为第一梯形对称于第二梯形的对称轴；
多组单元结构沿第二轴线方向分布，相邻组的电阻薄膜在第一轴线方向上相差半个所述周期。
结合附图便于理解的是，所述的超材料结构层a1为蝶形形状的电阻薄膜，外形似领结，具有中心对称性。蝶形电阻薄膜的总长lx＝6.9mm，总宽ly＝3.8mm。蝶形结构中间有一块矩形区域，矩形以单元结构中心为中心，矩形长w＝0.6mm，矩形宽d＝0.3mm。矩形区域边缘至蝶形结构最边缘采用直线过渡。此外，电阻薄膜的方欧为40欧姆/□。
如图4所示，超材料吸波体图形由蝶形结构的单元通过三角排布的阵列形式组成。每相邻两行之间错开半个单元周期，两行之间的缝隙形成折线的形状。
下表给出本发明1个实施例的参数，表中，单位为mm。
表1超材料吸波体参数图
参数 px py lx ly t1 t2
数值 4 7.2 3.8 6.9 2.4 2.4
参数 w d
数值 0.6 0.3
仿真获得，所述单元的吸收率随电磁波的频率变化的曲线图分别如图5所示。入射角度的定义：超材料吸波结构水平面置于XOY面时，入射波传播方向与Z轴的夹角。从图中可知，在60°、70°和80°三个大角度入射，该超材料吸波体实现了电磁波的超宽带有效吸收，对电磁波的平均吸收超过90％。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，从上至下分别包括：第一超材料结构层(a1)、第一介质基板(b1)、第二超材料结构层(a2)、第二介质基板(b2)以及铜片层(c)；
第一超材料结构层(a1)与第二超材料结构层(a2)分别包括多组单元结构，每个单元结构包括一个电阻薄膜，所述电阻薄膜的形状包括：第一梯形、第二梯形以及连接第一梯形上底与第二梯形上底的矩形；每组单元结构沿第一轴线周期分布，所述第一轴线垂直于第一对称轴，所述第一对称轴为第一梯形对称于第二梯形的对称轴；
多组单元结构沿第二轴线方向分布，相邻组的电阻薄膜在第一轴线方向上相差半个所述周期。
2.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述电阻薄膜的材料包括但不限于氧化铟锡。
3.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，介质基板b1的厚度t1为2、4mm的介质板，相对介电常数ε为2、94，损耗角正切为0、0012。介质基本b2的厚度t2为2、4mm的介质板，相对介电常数ε为2、94，损耗角正切为0、0012。
4.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述单元结构沿第一对称轴方向的长度py＝7、2mm，所述单元结构沿第二对称轴方向的长度px＝4mm。
5.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述电阻薄膜沿第一对称轴方向的长度lx＝6、9mm，所述单元结构沿第二对称轴方向的长度ly＝3、8mm，所述矩形长w＝0、6mm，矩形宽d＝0、3mm。
6.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述矩形与第一梯形上底以及第二梯形上底的的连接处采用直线过渡。
7.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述电阻薄膜的方欧为40欧姆/□。
8.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述矩形位于所述单元结构的几何中心。
9.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，第一超材料结构层(a1)与第二超材料结构层(a2)的单元结构由上至下的分布方式相同。
10.如权利要求1所述的超宽带大角域超材料吸波体，其特征在于，所述超材料吸波体吸收电磁波的入射角度与所述超材料吸波体表面夹角包括60°、70°和80°。
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CN112229815A (zh) * 2020-10-14 2021-01-15 中国科学院半导体研究所 一种蝶形超材料光学传感器

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