CN210692762U - 一种吸透波超材料结构及飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种吸透波超材料结构及飞行器，所述吸透波超材料结构包括至少一个第一微结构阵列、至少一个第二微结构阵列和第一介质层。所述至少一个第一微结构阵列、第一介质层和至少一个第二微结构阵列依次层叠在一起；每个第一微结构阵列包括多个吸波微结构，每个第二微结构阵列包括多个透波反射微结构。因此，可实现在X波段和Ku波段或者X波段对入射电磁波具有高吸波性能，以及可实现在P波段对入射电磁波具有高透波性能。

Description

一种吸透波超材料结构及飞行器

技术领域

本实用新型涉及电磁波领域，尤其涉及一种吸透波超材料结构及飞行器。

背景技术

雷达是目前发现空中目标的最有效的手段之一，因此飞行器自身的雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)是影响飞行器自身生存和突防能力的重要因素。现有飞行器大都采用隐身外形与隐身涂料或隐身外形与频率选择表面组合的天线罩来解决天线的RCS问题。但是，前者需要花费大量的时间和费用维护，后者在现在双(多)站雷达开始出现以后存在双(多)站RCS较大而被发现的情况。

目前，常见方案多采用正方形周期结构的多种功能层组合的方式实现吸透波一体化的功能。此种方案一般存在吸波带宽窄，可工作入射角小的缺陷。同时，此种方案周期结构尺寸一般较大，易出现栅瓣影响电性能。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种吸透波超材料结构，其包括：至少一个第一微结构阵列、至少一个第二微结构阵列、第一介质层；

所述至少一个第一微结构阵列、第一介质层和至少一个第二微结构阵列依次层叠在一起；每个第一微结构阵列包括多个吸波微结构，每个第二微结构阵列包括多个透波反射微结构。

进一步地，所述吸透波超材料结构包括：两个第一微结构阵列、第一介质层、第二介质层；三个第二微结构阵列、两个第三介质层；

两个第一微结构阵列中的一者、第二介质层、两个第一微结构阵列中的另一者、第一介质层、三个第二微结构阵列中的第一者、两个第三介质层中的一者、三个第二微结构阵列中的第二者、两个第三介质层中的另一者、三个第二微结构阵列中的第三者依次层叠在一起。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，所述多个透波反射微结构分别与多个吸波微结构对应设置，每个吸波微结构用于对第一频段的入射电磁波进行高吸波；

每个透波反射微结构用于将第二频段的入射电磁波反射至对应的吸波微结构以及对第二频段之外的频段的入射电磁波进行高透波。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，每个吸波微结构包括至少一个环形导电结构，每个环形导电结构具有至少一个电能消耗元件；

每个透波反射微结构包括多个导电几何结构，每个导电几何结构不具有电能消耗元件。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，所述电能消耗元件包括电阻。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层是相同的。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，每个吸波微结构包括第一环形导电结构、第二环形导电结构、至少一个第一电阻和至少一个第二电阻，所述第二环形导电结构设置于第一环形导电结构的内部；

所述第一环形导电结构开设有至少一个第一开口，所述至少一个第一电阻设置于所述至少一个第一开口内并与第一环形导电结构电连接；

所述第二环形导电结构开设有至少一个第二开口，所述至少一个第二电阻设置于所述至少一个第二开口内并与第二环形导电结构电连接。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，所述第一环形导电结构和第二环形导电结构都为圆环状或多边形的环状。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，每个透波反射微结构包括相同的多个导电结构；多个导电结构依次首尾连接在一起以构成近似多边形的结构；每个导电结构包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；

所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，每个透波反射微结构包括相同的六个导电几何结构；六个导电几何结构依次首尾连接在一起以构成近似正六边形的结构；每个导电几何结构包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同；

在所述六个导电几何结构中，依次首尾连接在一起的三个导电几何结构和依次首尾连接在一起的另外三个导电几何结构呈轴对称；或者

每个透波反射微结构包括相同的四个导电几何结构；四个导电几何结构依次首尾连接在一起以构成近似方形的结构；每个导电几何结构包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同；

在所述四个导电几何结构中，依次首尾连接在一起的两个导电几何结构和依次首尾连接在一起的另外两个导电几何结构呈轴对称。

进一步地，在所述吸透波超材料结构中，所述第一频段为X和Ku波段，所述第二频段之外的频段为P波段；或者

所述第一频段为X波段，所述第二频段之外的频段为P波段。

根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种飞行器，所述飞行器包括如上面描述的所述吸透波超材料结构。

本实用新型实施例提供了上述吸透波超材料结构和飞行器，可实现在X波段和Ku波段或者X波段对入射电磁波具有高吸波性能，以及可实现在P波段对入射电磁波具有高透波性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例之吸透波超材料结构的结构示意图。

图2是本实用新型实施例之第一微结构阵列中的吸波微结构的结构示意图。

图3是本实用新型实施例三个第二微结构阵列中的第一者之透波反射微结构的示意图。

图4是本实用新型实施例三个第二微结构阵列中的第二者之透波反射微结构的示意图。

图5是本实用新型实施例三个第二微结构阵列中的第三者之透波反射微结构的示意图。

图6是图1所示吸透波超材料结构的垂直极化透射曲线仿真示意图。

图7是图1所示吸透波超材料结构的垂直极化吸收曲线仿真示意图。

图8是图1所示吸透波超材料结构的平行极化透射曲线仿真示意图。

图9是图1所示吸透波超材料结构的平行极化吸收曲线仿真示意图。

具体实施方式

因此，为了解决背景技术中的问题，本实用新型提出了一种宽频宽角域极化无关的吸透波超材料结构，可以有效降低单站和双(多)站RCS。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型实施例中的吸透波超材料结构100的结构示意图。图2是本实用新型实施例之第一微结构阵列中的吸波微结构的结构示意图。图3是本实用新型实施例三个第二微结构阵列中的第一者之透波反射微结构的示意图。图4是本实用新型实施例三个第二微结构阵列中的第二者之透波反射微结构的示意图。图5是本实用新型实施例三个第二微结构阵列中的第三者之透波反射微结构的示意图。

请同时参阅图1，吸透波超材料结构100包括至少一个第一微结构阵列10、第一介质层20和至少一个第二微结构阵列40。所述至少一个第一微结构阵列10、第一介质层20和至少一个第二微结构阵列40依次层叠在一起；每个第一微结构阵列10包括多个吸波微结构12(如图2所示)，每个第二微结构阵列40包括多个透波反射微结构42(如图3所示)。

具体地，请同时参阅图2、图3、图4及图5，吸透波超材料结构100包括两个第一微结构阵列10、第一介质层20、第二介质层30、三个第二微结构阵列40和两个第三介质层50。

两个第一微结构阵列10中的一者、第二介质层30、两个第一微结构阵列10中的另一者、第一介质层20、三个第二微结构阵列40中的第一者、两个第三介质层50中的一者、三个第二微结构阵列40中的第二者、两个第三介质层50中的另一者、三个第二微结构阵列40中的第三者依次层叠在一起。

在本实施例中，所述第一介质层20、第二介质层30和第三介质层50都是相同的。

所述多个透波反射微结构42分别与多个吸波微结构12对应设置，每个吸波微结构12用于对第一频段的入射电磁波进行高吸波。在本实用新型实施例中，所述第一频段为X和Ku波段。

每个透波反射微结构42用于将第二频段的入射电磁波反射至对应的吸波微结构12以及对第二频段之外的频段的入射电磁波进行高透波。在本实用新型实施例中，所述第二频段之外的频段为P波段。

在此需要说明的是，关于高透波和高吸波的定义，目前在科研和工程上对于高透波和高吸波没有定量的定义，这两个概念也确实难以在数值上进行定义。目前常见的解释是高透波和高吸波的这个高水平都是相对的定义，需要有一个参考标准。这个参考标准因为实际科研和工程中需要解决的问题的不同而不同。例如纯介质天线罩在频域内的透波曲线呈波浪形震荡，某些情况下其透波率会在10％(-10dB)到接近100％(0dB)之间波动，而加载超材料后的天线罩可以做到工作频段内透波率始终高于70％(-1.55dB)，可以使得天线在工作频段内工作距离下降50％的情况(依据公式其工作距离与透波率平方成正比)下可以正常使用，我们可以认为这是高透波天线罩。也有部分民用领域的例子追求尽可能高的透波率而将透波率高于80％(-1dB)甚至高于90％(-0.46dB)认为是高透波。高吸波同理，以本专利为例子，在X波段，水平极化下透波率接近-30dB，在没有吸收的情况下其反射达到了99.9％。在增加吸波结构之后，反射率下降到-15dB(3.2％)以下，吸收率高于95％，我们可以认为他是高吸收。而在其他情况下，例如本身反射率为20％(-7dB)，在增加吸收后其反射降至10％(-10dB)，尽管吸收率仅有3dBm，绝对吸收率10％，但这一反射率降低为RCS带来了明显的改善，我们在一定程度上也可认为这是高吸收。

当然，普遍意义且在没有其他限制条件的情况下，一般还是会认为透波率高于-1dB(70％-80％)为高透波，而吸收率高于70％-80％为高吸收。

具体地，每个吸波微结构12包括至少一个环形导电结构，每个环形导电结构具有至少一个电能消耗元件120。所述电能消耗元件120用于以电能消耗的方式对第一频段的入射电磁波进行高吸波。在一个非限定的实施例中，电能消耗元件120为电阻。

每个透波反射微结构42包括多个导电几何结构，每个导电几何结构不具有电能消耗元件。

更加具体地，每个吸波微结构12包括第一环形导电结构120、第二环形导电结构140、至少一个第一电阻122和至少一个第二电阻142，所述第二环形导电结构140设置于第一环形导电结构120的内部。

第一环形导电结构120开设有至少一个第一开口，所述至少一个第一电阻122设置于所述至少一个第一开口内并与第一环形导电结构120电连接。

第二环形导电结构140开设有至少一个第二开口，所述至少一个第二电阻142设置于所述至少一个第二开口内并与第二环形导电结构140电连接。

在本实用新型实施例中，第一环形导电结构120和第二环形导电结构140都为圆环状或多边形的环状。

每个透波反射微结构42包括相同的多个导电几何结构420；多个导电几何结构420依次首尾连接在一起以构成近似多边形的结构；每个导电几何结构420包括第一导电线422、第一凸起曲线段424、第二凹陷曲线段425、第三凸起曲线段426和第二导电线428。所述第一导电线422、第一凸起曲线段424、第二凹陷曲线段425、第三凸起曲线段426和第二导电线428依次垂直的首尾连接在一起。

所述第一凸起曲线段424和第三凸起曲线段426中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段425的形状与负半周期的方波的形状相同。

在一个非限定的具体实施例中，每个透波反射微结构42包括相同的六个导电几何结构420；六个导电几何结构420依次首尾连接在一起以构成近似正六边形的结构；每个导电几何结构420包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同。

在所述六个导电几何结构420中，依次首尾连接在一起的三个导电几何结构420和依次首尾连接在一起的另外三个导电几何结构420呈轴对称。

在本实施例中，具体的，在六个导电几何结构420中，每两个相邻的导电几何结构420之间的夹角为120度。

在另一个非限定的具体实施例中，每个透波反射微结构包括相同的四个导电几何结构420；四个导电几何结构420依次首尾连接在一起以构成近似方形的结构；每个导电几何结构420包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同；

在所述四个导电几何结构420中，依次首尾连接在一起的两个导电几何结构420和依次首尾连接在一起的另外两个导电几何结构420呈轴对称。

在本实施例中，具体的，在四个导电几何结构420中，每两个相邻的导电几何结构420之间的夹角为90度。

本实用新型实施例还公开了一种飞行器，其特征在于：所述飞行器包括如上面描述的所述吸透波超材料结构100。

本实用新型设计了一种在P波段高透波，X和Ku波段高吸波的宽角域极化无关的超材料结构。如图1所示，本实用新型包含透波反射层(也即包括多个透波反射微结构的第二微结构阵列40)和吸波层(也即包括多个吸波微结构的第一微结构阵列10)两部分。透波反射层可以通过改变各个透波反射微结构的线形、金属占空比等参数调整透波反射微结构的等效电容与等效电感，从而调整透波反射微结构的电磁响应，最终改变透波与反射的频段。其中，金属占空比是指金属面积与介质层面积的比值。

吸波层(也即包括多个吸波微结构的第一微结构阵列10)可以通过调节加载电阻122和/或142的位置和阻值调节吸波能力。而透波反射层和吸波层之间填充的介质厚度(也即第一介质层20的厚度)，透波反射层内部的第二介质层30的厚度以及吸波层内部的第三介质层50的厚度可以调节形成驻波的频率从而改变吸波频段。

透波反射层(也即包括多个透波反射微结构42的第二微结构阵列40)如图3或图4或图5所示，由3层周期结构(也即三层透波反射微结构42)组成。3层周期结构(也即三层透波反射微结构42)如图3至图5所示，其中h1＝0.42-0.44mm，h2＝0.47-0.49mm,d1＝0.54-0.56mm，d2＝1-1.2mm；h3＝0.38-0.40mm，h4＝0.43-0.45mm，d3＝0.49-0.51mm，d4＝0.9-1.1mm；h5＝0.30-0.32mm，h6＝0.35-0.37mm，d5＝0.39-0.41mm，d6＝0.7-0.9mm，dw＝0.03-0.05mm。吸波层(也即包括多个吸波微结构12的第一微结构阵列10)与透波反射层相似，包含2层周期结构(也即两层吸波微结构12)，如图2所示，其中d7＝1.21-1.23mm，d8＝2.78-2.80mm，w1＝0.4-0.6mm，w2＝0.3-0.5mm。电阻122或142的阻值等于190-210Ω。填充在各层之间的低介电常数介质材料厚度如图7所示，其中，h7＝4.9-5.1mm，h8＝2.9-3.1mm。仿真结果如图6至图9所示，透波及吸波统计结果如表1所示。

表1

由结果可见本实用新型实施例中在P波段有较高的透波率而在X波段有良好的吸波性能，这仅是本实用新型的一个例子不代表本实用新型仅能在此参数下使用。通过调节各参数，可以自由的调节吸收范围，这一范围可以涵盖目前常用的电磁波频段。且此例仅列举了结构的一个单元，不代表本实用新型仅包含一个单元，具体单元数需根据具体应用场景决定。

本实用新型可应用于天线罩系统，提高天线罩电性能，改善飞行器生存能力。

本实用新型的吸收频带可以通过调节参数而改变，可以实现在不同频带吸波的功能。

本实用新型最难的部分是如何实现宽频带宽角域吸波与透波的结合。为了实现宽频带宽角域的吸波功能，同时避免栅瓣的出现，本实用新型使用了小型化的周期结构，这会导致金属占空比的急剧上升，且在越大入射角时越实用新型显。这一现象的结果会导致透波率的下降。

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

本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (12)

1.一种吸透波超材料结构，其特征在于，所述吸透波超材料结构包括：

至少一个第一微结构阵列；

至少一个第二微结构阵列；以及

第一介质层；

所述至少一个第一微结构阵列、第一介质层和至少一个第二微结构阵列依次层叠在一起；每个第一微结构阵列包括多个吸波微结构，每个第二微结构阵列包括多个透波反射微结构。

2.如权利要求1所述的吸透波超材料结构，其特征在于，所述吸透波超材料结构包括：

两个第一微结构阵列；

第一介质层；

第二介质层；

三个第二微结构阵列；

两个第三介质层；

两个第一微结构阵列中的一者、第二介质层、两个第一微结构阵列中的另一者、第一介质层、三个第二微结构阵列中的第一者、两个第三介质层中的一者、三个第二微结构阵列中的第二者、两个第三介质层中的另一者、三个第二微结构阵列中的第三者依次层叠在一起。

3.如权利要求1或2所述的吸透波超材料结构，其特征在于：所述多个透波反射微结构分别与多个吸波微结构对应设置，每个吸波微结构用于对第一频段的入射电磁波进行高吸波；

每个透波反射微结构用于将第二频段的入射电磁波反射至对应的吸波微结构以及对第二频段之外的频段的入射电磁波进行高透波。

4.如权利要求1或2所述的吸透波超材料结构，其特征在于：

每个吸波微结构包括至少一个环形导电结构，每个环形导电结构具有至少一个电能消耗元件；

每个透波反射微结构包括多个导电几何结构，每个导电几何结构不具有电能消耗元件。

5.如权利要求4所述的吸透波超材料结构，其特征在于：所述电能消耗元件包括电阻。

6.如权利要求2所述的吸透波超材料结构，其特征在于：所述第一介质层、第二介质层和第三介质层是相同的。

7.如权利要求1或2所述的吸透波超材料结构，其特征在于：每个吸波微结构包括第一环形导电结构、第二环形导电结构、至少一个第一电阻和至少一个第二电阻，所述第二环形导电结构设置于第一环形导电结构的内部；

所述第一环形导电结构开设有至少一个第一开口，所述至少一个第一电阻设置于所述至少一个第一开口内并与第一环形导电结构电连接；

所述第二环形导电结构开设有至少一个第二开口，所述至少一个第二电阻设置于所述至少一个第二开口内并与第二环形导电结构电连接。

8.如权利要求7所述的吸透波超材料结构，其特征在于：所述第一环形导电结构和第二环形导电结构都为圆环状或多边形的环状。

9.如权利要求1或2所述的吸透波超材料结构，其特征在于：每个透波反射微结构包括相同的多个导电结构；多个导电结构依次首尾连接在一起以构成多边形的结构；每个导电结构包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；

所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同。

10.如权利要求1或2所述的吸透波超材料结构，其特征在于：每个透波反射微结构包括相同的六个导电几何结构；六个导电几何结构依次首尾连接在一起；每个导电几何结构包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同；

在所述六个导电几何结构中，依次首尾连接在一起的三个导电几何结构和依次首尾连接在一起的另外三个导电几何结构呈轴对称；或者

每个透波反射微结构包括相同的四个导电几何结构；四个导电几何结构依次首尾连接在一起；每个导电几何结构包括第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线，所述第一导电线、第一凸起曲线段、第二凹陷曲线段、第三凸起曲线段和第二导电线依次垂直的首尾连接在一起；所述第一凸起曲线段和第三凸起曲线段中的每一者的形状都与正半周期的方波的形状相同，所述第二凹陷曲线段的形状与负半周期的方波的形状相同；

在所述四个导电几何结构中，依次首尾连接在一起的两个导电几何结构和依次首尾连接在一起的另外两个导电几何结构呈轴对称。

11.如权利要求3所述的吸透波超材料结构，其特征在于：所述第一频段为X和Ku波段，所述第二频段之外的频段为P波段；或者

所述第一频段为X波段，所述第二频段之外的频段为P波段。

12.一种飞行器，其特征在于：所述飞行器包括如权利要求1-11中任意一项所述的吸透波超材料结构。

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