CN121663181A - 一种大角度透波超材料天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出了一种大角度透波超材料天线罩，其包括：第一预浸料层、第二预浸料层、芯材层、第一微结构层和第二微结构层；所述天线罩的各结构从外到内的叠层次序依次为第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层和第二微结构层；第一微结构层和第二微结构层均为带阻型微结构层。本发明所述天线罩，实现了大入射角度下具有带内宽带透波，同时在带外快速截止以降低整体的雷达散射截面(RCS)，从而满足高性能通信探测系统及隐身的需求。

Description

一种大角度透波超材料天线罩

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种大角度透波超材料天线罩。

背景技术

天线罩是雷达通信系统的常用重要部件之一，随着通信系统向宽频带趋势发展，对宽带天线罩的研究日益加强。在设计频率选择表面（FSS）宽带特性的同时，需满足不同入射角下整个频带内工作性能的稳定性，以提高天线系统的总体性能。对于传统FSS天线罩来说，往往它们的频率响应对电磁波的的入射角十分敏感，随着入射角的增加传输特性急剧恶化，在大入射角下仅能实现较窄的工作带宽。

现有天线罩的设计方法主要包括几何优化、材料选择、结构分层等。单一的几何优化难以克服大入射角带来的损耗和相位偏移；材料选择和分层设计在一定程度上可以增加一定的带宽，但在大入射角情况下由于不同层间的阻抗差异以及相位延迟，导致传输特性急剧恶化，在大入射角下无法实现宽带透波。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明实施例提出一种大角度透波超材料天线罩，解决了在大入射角度下具有带内宽带透波，以及带外快速截止以降低整体的雷达散射截面(RCS)的技术问题。

本发明实施例提供了一种大角度透波超材料天线罩，其包括：第一预浸料层、第二预浸料层、芯材层、第一微结构层和第二微结构层；所述天线罩的各结构从外到内的叠层次序依次为第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层和第二微结构层；其中，第一微结构层和第二微结构层均为带阻型微结构层。

较佳地，所述天线罩还包括第三预浸料层和第四预浸料层，所述天线罩的各结构从外到内的叠层次序依次为第三预浸料层、第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层、第二微结构层和第四预浸料层。

较佳地，所述第一微结构层和第二微结构层完全相同。

较佳地，所述第一微结构层和第二微结构层均包括基板以及设置于基板上的第一导电几何结构和六个第二导电几何结构，所述六个第二导电几何结构完全相同；

所述第一导电几何结构的形状为正六边形环，所述六个第二导电几何结构依次首尾连接在一起以构成近似六边形环；所述六个第二导电几何结构分别对应地设置于所述第一导电几何结构的六条边上；

每个第二导电几何结构包括第一直线段、完全相同的多个凸起曲线段、弯折曲线段，所述多个凸起曲线段依次首尾相邻设置，并且所述多个凸起曲线段均垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上；任意相邻的两个凸起曲线段之间形成有第一间隙，每个凸起曲线段的形状与正半周期的矩形波的形状完全相同；

所述多个凸起曲线段的一端与第一直线段垂直连接，所述多个凸起曲线段的另一端与弯折曲线段之间形成有第二间隙；所述弯折曲线段包括固定直线段和自由直线段，所述固定直线段的一端垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上，所述固定直线段的另一端与自由直线段垂直连接。

较佳地，任意相邻的两个凸起曲线段之间形成的第一间隙均完全相同。

较佳地，所述第三预浸料层、第一微结构层、第一预浸料层形成的结构与所述第四预浸料层、第二微结构层、第二预浸料层形成的结构相对于芯材层对称设置。

较佳地，所述第三预浸料层、第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层、第二微结构层和第四预浸料层中任意相邻的两个层之间采用胶膜进行粘接。

较佳地，所述第一预浸料层、第二预浸料层、第三预浸料层和第四预浸料层的介电常数均为3.3、损耗角正切均为0.005；所述胶膜的介电常数均为3.2、损耗角正切均为0.007；芯材层的介电常数为1.12、损耗角正切为0.068。

较佳地，所述第一预浸料层、第二预浸料层、第三预浸料层和第四预浸料层的材质均包括玻璃纤维预浸料或石英纤维预浸料，所述芯材层的材质包括PMI泡沫。

本发明的有益效果在于：

本发明实施例所述大角度透波超材料天线罩，采用两层微结构设计，上下两层带阻型微结构(即第一微结构层、第二微结构层)实现工作频带外的快速截止，以降低天线罩的雷达散射截面(RCS)；所述天线罩还能实现工作频带内的宽带透波，从而满足高性能通信探测系统及隐身的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的大角度透波超材料天线罩的结构示意图。

图2为图1所示微结构层的结构示意图。

图3为图1所示天线罩在TM模式下的透波曲线示意图。

图4为图1所示天线罩在TE模式下的透波曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种大角度透波超材料天线罩，其旨在实现天线罩在大入射角度下具有带内宽带透波，以及带外快速截止以降低天线罩整体的雷达散射截面(RCS)，从而满足高性能通信探测系统及隐身的需求。

图1是根据本发明实施例的大角度透波超材料天线罩100的结构示意图。如图1所示，大角度透波超材料天线罩100包括第一预浸料层12、第二预浸料层15、芯材层14、第一微结构层10和第二微结构层16。天线罩100的各结构从外到内的叠层次序依次为第一微结构层10、第一预浸料层12、芯材层14、第二预浸料层15和第二微结构层16；其中，第一微结构层10和第二微结构层16均为带阻型微结构层。

进一步地，考虑到天线罩100的宽频特性以及带外的快速截止特性，本发明采用A夹层进行设计，其中包含两层微结构层以及介质层，介质层包括预浸料层(介电常数3.3、损耗角正切0.005)、胶膜(介电常数3.2、损耗角正切0.007)以及PMI(介电常数1.12、损耗角正切0.068)。如图1所示，大角度透波超材料天线罩100还包括第三预浸料层18和第四预浸料层19。天线罩100的各结构从外到内的叠层次序依次为第三预浸料层18、第一微结构层10、第一预浸料层12、芯材层14、第二预浸料层15、第二微结构层16和第四预浸料层19。

在本实施例中，第一预浸料层12、第二预浸料层15、第三预浸料层18和第四预浸料层19的材质均包括但不限于玻璃纤维预浸料或石英纤维预浸料，芯材层14的材质包括但不限于PMI泡沫。

第一微结构层10和第二微结构层16完全相同。

第三预浸料层18、第一微结构层10、第一预浸料层12、芯材层14、第二预浸料层15、第二微结构层16和第四预浸料层19中任意相邻的两个层之间采用胶膜进行粘接。

在本实施例中，第一预浸料层12、第二预浸料层15、第三预浸料层18和第四预浸料层19的介电常数均为3.3、损耗角正切均为0.005。胶膜的介电常数均为3.2、损耗角正切均为0.007。芯材层14的介电常数为1.12、损耗角正切为0.068。

在本实施例中，第三预浸料层18的厚度为0.35mm，第一预浸料层12的厚度为0.2mm，第二预浸料层15的厚度为0.2mm，第四预浸料层19的厚度为0.35mm。芯材层14的厚度为4mm。

如图2所示，在本实施例中，第一微结构层10和第二微结构层16均包括基板以及设置于基板上的第一导电几何结构120和六个第二导电几何结构140。六个第二导电几何结构140完全相同。

基板的材质包括但不限于PI膜。

第一导电几何结构120的形状为正六边形环。六个第二导电几何结构140依次首尾连接在一起以构成近似六边形环。六个第二导电几何结构140分别对应地设置于第一导电几何结构120的六条边上。

每个第二导电几何结构140包括第一直线段142、完全相同的多个凸起曲线段144、弯折曲线段146，多个凸起曲线段144依次首尾相邻设置，并且多个凸起曲线段144均垂直地设置在第一导电几何结构120的对应边上；任意相邻的两个凸起曲线段144之间形成有第一间隙，每个凸起曲线段144的形状与正半周期的矩形波的形状完全相同。

多个凸起曲线段144的一端与第一直线段142垂直连接，多个凸起曲线段144的另一端与弯折曲线段146之间形成有第二间隙。弯折曲线段146包括固定直线段和自由直线段，固定直线段的一端垂直地设置在第一导电几何结构120的对应边上，固定直线段的另一端与自由直线段垂直连接。

在本实施例中，多个凸起曲线段144的数量包括但不限于3个；任意相邻的两个凸起曲线段144之间形成的第一间隙均完全相同。

在本实施例中，呈正六边形环的第一导电几何结构120的边长c为3.9mm。第一导电几何结构120的线宽g为0.22mm。第二导电几何结构140的线宽a为0.09mm。弯折曲线段146的自由直线段的长度b为0.75mm。呈正六边形环的第一导电几何结构120的过中心对角线的长度d为7.8mm。每个凸起曲线段144的形状与正半周期的矩形波的形状完全相同。凸起曲线段144的高电平持续线段长度f为0.42mm，凸起曲线段144从零电平上升到高电平的线段长度e为0.76mm。

可选地，在其它实施例中，所述第一微结构层和第二微结构层均包括基板以及设置于基板上的第一导电几何结构和四个第二导电几何结构，所述四个第二导电几何结构完全相同。

所述第一导电几何结构的形状为正四边形环，所述四个第二导电几何结构依次首尾连接在一起以构成近似四边形环；所述四个第二导电几何结构分别对应地设置于所述第一导电几何结构的四条边上。

每个第二导电几何结构包括第一直线段、完全相同的多个凸起曲线段、弯折曲线段，所述多个凸起曲线段依次首尾相邻设置，并且所述多个凸起曲线段均垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上；任意相邻的两个凸起曲线段之间形成有第一间隙，每个凸起曲线段的形状与正半周期的矩形波的形状完全相同。

所述多个凸起曲线段的一端与第一直线段垂直连接，所述多个凸起曲线段的另一端与弯折曲线段之间形成有第二间隙；所述弯折曲线段包括固定直线段和自由直线段，所述固定直线段的一端垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上，所述固定直线段的另一端与自由直线段垂直连接。

现有技术中的传统单层FSS在实现宽角稳定性和宽频特性时存在矛盾。增加微结构单元复杂度以拓展带宽往往会恶化宽角稳定性；而追求宽角稳定性通常需牺牲带宽或增加结构层数，导致设计复杂、成本上升和插损增加。

本发明所述天线罩100相对于现有技术的创新性如下：天线罩100的谐振原理是每个微结构单元等效为一个LC谐振电路；天线罩100提供一种基于对称共形耦合单元的FSS阵列，其单元主体为微结构的多层叠加嵌套；通过在不同层设置不同形状和/或不同尺寸的微结构的耦合结构，或者通过在不同层设置相同形状和尺寸的微结构的耦合结构，而且通过边缘场耦合形成额外的寄生谐振回路，从而拓展带宽；而微结构的六边形排列布局，具有更好的宽角稳定性。在可选的其它实施例中，微结构的四边形排列布局，也可以具有较好的宽角稳定性。

图3为图1所示天线罩在TM模式下的透波曲线示意图。图4为图1所示天线罩在TE模式下的透波曲线示意图。仿真结果如图3和图4所示，透波统计结果如表1所示。

表1

由上述表1所示结果可见，本发明实施例公开了一种大入射角度下的宽频透波超材料天线罩100，本发明所示天线罩100采用A夹层两层微结构设计，上下两层带阻型微结构10、16(即图1所示第一微结构层10、第二微结构层16)实现了带外快速截止，降低了天线罩100的RCS。经仿真计算，如上述表1所示，在入射角为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°时，TE和TM模式下天线罩100均能实现工作频带0-1GHz内的平均透波率均大于80%(具体地，TM模式下天线罩100甚至能实现工作频带0-4GHz内的平均透波率均大于80%)；以及TE和TM模式下天线罩100均能实现工作频带外8-18GHz的快速截止。本发明所述天线罩100对电磁波的入射角度不加限制，对较大范围的入射角(例如0°~60°范围的入射角)仍然具有很好的工作频带内透波及工作频带外的快速截止性能。

在此需要说明的是，关于高透波的定义，目前在科研和工程上对于高透波没有定量的定义，这个概念也确实难以在数值上进行定义。当然，普遍意义且在没有其他限制条件的情况下，一般认为透波率高于-1dB(80%)为高透波。

具体地举例，如图3和图4所示，天线罩100在入射角为60°时，1)透波区: TE透波率大于80%的透波区带宽为1GHz，TM透波率大于80%的透波区带宽为4GHz；2)截止区:TE和TM模式下均能实现8-18GHz频带-5dB以上的带外截止。这意味着在保证低RCS的情况下有效扩大天线的覆盖范围，确保天线系统的高效通信。

本发明提出了一种基于微结构设计的大角度宽带透波天线罩设计(即大角度透波超材料天线罩100)，其主要应用于卫星通信、雷达系统、航空航天器天线罩、无线传感器网络和电磁兼容等领域。其优势在于能够在大入射角下仍保持较宽的带宽，有效扩大天线的工作覆盖范围，从而提高天线系统的整体性能。另外在军事应用方面，考虑到隐身需求，本发明所述天线罩100兼顾带内有效带通的情况下设计带外快速截止以满足其隐身需求。

本发明所述天线罩100在进行大入射角下的宽频透波设计时，随着入射角的增大，传统透波材料和方法往往导致阻抗匹配变差、多重反射和干涉效应增强，以及高阶模的激发，这些因素共同作用使得透波性能急剧下降，因此，设计时需要精确调控材料的电磁特性，采用全新的复杂结构设计，以实现宽频带内对大入射角度的高透波率一致性，经过仿真实验证明，本发明所述天线罩100的技术方案，相比现有技术，取得了显著的技术效果(即实现了宽角稳定性和宽频特性)，克服了现有技术缺陷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大角度透波超材料天线罩，其特征在于，包括：第一预浸料层、第二预浸料层、芯材层、第一微结构层和第二微结构层；所述天线罩的各结构从外到内的叠层次序依次为第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层和第二微结构层；其中，第一微结构层和第二微结构层均为带阻型微结构层。

2.根据权利要求1所述的天线罩，其特征在于，还包括第三预浸料层和第四预浸料层，所述天线罩的各结构从外到内的叠层次序依次为第三预浸料层、第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层、第二微结构层和第四预浸料层。

3.根据权利要求2所述的天线罩，其特征在于，所述第一微结构层和第二微结构层完全相同。

4.根据权利要求3所述的天线罩，其特征在于，所述第一微结构层和第二微结构层均包括基板以及设置于基板上的第一导电几何结构和六个第二导电几何结构，所述六个第二导电几何结构完全相同；

所述第一导电几何结构的形状为正六边形环，所述六个第二导电几何结构依次首尾连接在一起以构成近似六边形环；所述六个第二导电几何结构分别对应地设置于所述第一导电几何结构的六条边上；

每个第二导电几何结构包括第一直线段、完全相同的多个凸起曲线段、弯折曲线段，所述多个凸起曲线段依次首尾相邻设置，并且所述多个凸起曲线段均垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上；任意相邻的两个凸起曲线段之间形成有第一间隙，每个凸起曲线段的形状与正半周期的矩形波的形状完全相同；

所述多个凸起曲线段的一端与第一直线段垂直连接，所述多个凸起曲线段的另一端与弯折曲线段之间形成有第二间隙；所述弯折曲线段包括固定直线段和自由直线段，所述固定直线段的一端垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上，所述固定直线段的另一端与自由直线段垂直连接。

5.根据权利要求4所述的天线罩，任意相邻的两个凸起曲线段之间形成的第一间隙均完全相同。

6.根据权利要求3所述的天线罩，其特征在于，所述第一微结构层和第二微结构层均包括基板以及设置于基板上的第一导电几何结构和四个第二导电几何结构，所述四个第二导电几何结构完全相同；

所述第一导电几何结构的形状为正四边形环，所述四个第二导电几何结构依次首尾连接在一起以构成近似四边形环；所述四个第二导电几何结构分别对应地设置于所述第一导电几何结构的四条边上；

每个第二导电几何结构包括第一直线段、完全相同的多个凸起曲线段、弯折曲线段，所述多个凸起曲线段依次首尾相邻设置，并且所述多个凸起曲线段均垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上；任意相邻的两个凸起曲线段之间形成有第一间隙，每个凸起曲线段的形状与正半周期的矩形波的形状完全相同；

所述多个凸起曲线段的一端与第一直线段垂直连接，所述多个凸起曲线段的另一端与弯折曲线段之间形成有第二间隙；所述弯折曲线段包括固定直线段和自由直线段，所述固定直线段的一端垂直地设置在第一导电几何结构的对应边上，所述固定直线段的另一端与自由直线段垂直连接。

7.根据权利要求2所述的天线罩，其特征在于，所述第三预浸料层、第一微结构层、第一预浸料层形成的结构与所述第四预浸料层、第二微结构层、第二预浸料层形成的结构相对于芯材层对称设置。

8.根据权利要求2所述的天线罩，其特征在于，所述第三预浸料层、第一微结构层、第一预浸料层、芯材层、第二预浸料层、第二微结构层和第四预浸料层中任意相邻的两个层之间采用胶膜进行粘接。

9.根据权利要求8所述的天线罩，其特征在于，所述第一预浸料层、第二预浸料层、第三预浸料层和第四预浸料层的介电常数均为3.3、损耗角正切均为0.005；所述胶膜的介电常数均为3.2、损耗角正切均为0.007；芯材层的介电常数为1.12、损耗角正切为0.068。

10.根据权利要求2所述的天线罩，其特征在于，所述第一预浸料层、第二预浸料层、第三预浸料层和第四预浸料层的材质均包括玻璃纤维预浸料或石英纤维预浸料，所述芯材层的材质包括PMI泡沫。