全極化單通帶雙側吸波頻帶複合超材料及天線罩的製作方法
2023-05-10 09:52:21
本發明涉及一種在不同頻段分別呈現一個透波頻帶和兩個吸波頻帶特性的複合超材料，用以保護天線的天線罩領域。屬於材料和天線罩技術領域。
背景技術：
超材料是一種人工周期性複合材料。通過對塗覆在介質基板表面的金屬箔的幾何形狀進行設計，甚至結合集中元器件或磁性材料以形成超材料結構來改變原介質基板的電磁特性。通過設計，一些超材料可以實現在特定頻段透波或吸波的功能。將這些超材料和天線結合起來，可以提高天線的工作性能。傳統天線罩是用幾層介質基板複合而成且形狀不一的介質罩。這種介質天線罩對在室外工作的天線起到物理保護作用-防風防雨。近年來，在天線罩對天線的電磁特性影響方面投入了更多關注和研究。天線罩不僅對天線起到物理保護，還可以實現電磁保護。天線罩的設計應儘量在天線工作頻帶內滿足損耗小，而在工作頻帶兩側應想方設法的減少其對來波的反射，所以在通帶兩側形成吸波的天線罩的設計將是天線罩的發展方向。天線罩設計好壞影響著天線雷達散射截面RCS(Radar Cross Section)的大小，具有超材料性質的天線罩在機體隱身方面有廣泛的需求。
目前，已有一些新型超材料天線罩的研究成果問世。相比通信系統，這些超材料天線罩在雷達系統中有更強的應用。在天線的工作頻帶內，天線罩對於天線來說是透明的，不影響天線的輻射性能或對天線的輻射性能影響很小；但在高於工作頻帶或者低於工作頻帶的地方，還有一個吸波頻帶，用來吸收對方雷達照射到天線的電磁波。因對方雷達輻射的電磁波被天線罩更多的是吸收而不是反射回去，因此天線罩-天線一體化結構的雷達散射截面RCS被大大地降低了，能更好地實現隱身。所以尋找一種在工作頻帶兩側均出現吸波帶的複合超材料天線罩，很大程度的降低天線的RCS，將顯得尤為重要。目前，國內外還沒有文獻顯示已有發明創新填補了這項技術空白。而超材料的現有技術中有通過在介質基板上加載電阻薄膜、集總元件、磁材料等途徑在通帶的高頻一側實現吸波特性。
頻率選擇表面FSS(Frequency Selective Surface)可以採取各種方式進行加載，例如電阻薄膜加載，集總元件加載，磁材料加載等。在文獻IEEE Trans.Antennas and Propagation,vol.60,no.6,pp.2740-2747,2012中由Filippo Costa and Agostino Monorchio所撰寫的「A Frequency Selective Radome With Wideband Absorbing Properties」一文中，如圖1所示，1為矩形圓環的電阻加載，2是厚度為d的泡沫空間，3則為有一定通帶的FSS，三者進行組合，此種結構的超材料在傳輸通帶的右側形成了吸收帶。在文獻Electronics letters vol:41,pp:2-4,2005中由A.E.Martynyuk,J.I.Martinez Lopez and N.A.Martynyuk撰寫的「Active frequency-selective surfaces based on loaded ring slot resonators」一文中，在FSS加載電阻元件，電容，二極體等，通過改變電阻值、電容值以及二極體之間的電壓可以改變FSS的傳輸/反射係數。在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.13,pp:114-117,2014中由Hang Zhou,Liwei Yang,Shaobo Qu,Kai Wang,Jiafu Wang,Hua Ma,and Zhuo Xu所撰寫的「Experimental Demonstration of An Absorptive/Transmissive FSS With Magnetic Material」一文中採用FSS加磁性材料，當傳輸埠朝向磁性吸收薄膜的時候會在傳輸通帶的右側形成吸收帶。加載集總原件形成吸波帶，加工複雜度大，製作精度有限。但是這些設計僅僅是在工作頻帶外單側(高頻)實現了吸波特性，而未實現吸波帶一側(低頻)，可以預見通帶低頻一側的RCS將不會得到有效抑制。現有技術中通過在非導電材料製成的介質基板上加載電阻薄膜、集總元件或磁材料等周期性結構實現了高頻側的吸波帶。但不能解決在低頻側實現吸波帶的情況以及同時實現兩側吸波的情況。而對於用作天線罩的超材料來說，為了更好的實現天線的隱身效果，實現兩側吸波是迫切需要解決的一個問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對現有複合超材料僅在透波通帶外高頻一側形成吸波特性的缺陷，提供一種全極化複合超材料。
為解決該問題本發明所採用的技術方案是一種全極化複合超材料，包括一塊非導電材料製成的介質基板和在所述介質基板上下表面各附著一層周期性超材料結構層，所述上下表面各附著的一層周期性超材料結構層分別為一層電阻薄膜層和一層金屬箔層；所述超材料被虛擬地劃分為多個周期性排布的正方形單元結構10；每個正方形單元結構包括介質基板11，及介質基板上下面的微單元結構。
進一步地，所述微單元結構指電阻薄膜層上的圓環狀電阻薄膜12和金屬箔層上頻率選擇表面周期結構13。
進一步地，所述電阻薄膜層上的圓環狀電阻薄膜12的圓心和正方形單元結構10的中心點重合。
所述金屬箔層上的金屬頻率選擇表面周期結構13由一個正方形金屬貼片14，貼片中心處的通孔15及四個圓形貼片和圓環對16組成；
進一步地，所述正方形金屬貼片14的中心點和正方形單元結構10的中心點重合。
進一步地，整個介質基板的厚度為4-6毫米，金屬箔的厚度為0.02-0.05毫米，電阻薄膜的厚度為0.02-0.05毫米。
進一步地，電阻薄膜的阻抗值為50-100歐姆/平方。
進一步地，介質基板相對介電常數為2-4。
進一步地，所述兩層周期性超材料結構層通過蝕刻工藝在介質基板表面上得以實現。
本發明還提供了一種天線罩，用於罩設在天線系統的輻射方向上，包括以上所述的全極化單通帶雙側吸波頻帶複合超材料。
本發明的有益效果是本發明中全極化單通帶雙側吸波頻帶複合超材料實現頻率選擇的金屬貼片層能使天線在Ku波段保持良好的輻射特性，能自由收發通信；同時，通過對阻性薄膜和金屬箔層在等面積情況下個數之比為1:4比例的應用，使得通帶兩側均實現了吸波特性。很好地吸收了入射到天線罩的來波，故使天線的RCS降低，實現天線的隱身目的。並且通過在PCB板上直接蝕刻的方式進行實物加工，降低了加工難度，提高了製作精度。相對於採用集總元件或磁性材料等吸波材料來產生吸波帶的方式來說，本此設計方法降低了成本。
附圖說明
圖1：FSS加載電阻薄膜的天線罩設計。
圖2：本發明中全極化單通帶雙側吸波頻帶複合超材料的單元結構示意圖。
圖3：本發明中全極化單通帶雙側吸波頻帶複合超材料中介質基板上表面的電阻薄膜層的單元結構示意圖。
圖4：本發明中全極化單通帶雙側吸波頻帶複合超材料中介質基板下表面的金屬箔層單元結構示意圖。
圖5：本發明中複合超材料天線罩的實物圖。
圖6：本發明中複合超材料天線罩T/R係數的實測值。
圖7：本發明中複合超材料天線罩罩在標準喇叭天線上實測的標準喇叭天線的增益值。
圖8：本發明中複合超材料天線罩反射電平的實測值。
圖中各符號對應的名稱為
1矩形圓環的電阻加載，2厚度為d的泡沫空間，3有一定通帶的FSS，4接收喇叭，10正方形單元結構，11介質基板，12圓環狀電阻薄膜，13頻率選擇表面周期結構，14正方形金屬貼片，15貼片中心處的通孔，16圓形貼片和圓環對，161圓形貼片，162圓環。
具體實施方式
如圖2所示，為本發明所提供的超材料的微單元結構，包括一塊非導電材料製成的介質基板11和在所述介質基板上下表面的兩層周期性超材料結構層的微單元結構10，分別為圓環狀電阻薄膜12和正方形金屬頻率選擇表面13。本實施例中，介質基板使用的是Taconic公司的TSM-DS3非導電材料，整個介質基板的厚度為4-6毫米，介質基板相對介電常數為2-4。圓環狀電阻薄膜的表面電阻率為50歐姆/平方。金屬箔層可以選擇金屬箔中的金箔或銀箔或銅箔任一種材料，金屬箔的厚度為0.02-0.05毫米，電阻薄膜的厚度為0.02-0.05毫米。
如圖3所示為電阻薄膜層的單元結構示意圖，圓形電阻薄膜12的幾何中心與正方形單元結構10的幾何中心重合。所述圓環狀電阻薄膜12的內半徑為3-7毫米，圓環寬度為1-3毫米。
如圖4所示為金屬貼片層的單元結構示意圖，正方形金屬貼片14的邊長為12-20毫米，貼片14的幾何中心與正方形單元結構10的幾何中心重合。貼片14中心處的通孔15的半徑為1-3毫米，通孔15的幾何中心與正方形單元結構10的幾何中心重合。在X方向和Y方向上，每個圓形貼片和圓環對16的中心點離正方形單元結構10的中心點的距離均相等，為3-5毫米。每個圓形貼片和圓環對16裡圓形貼片161的半徑為0.3-1毫米，圓環162的內半徑為1-1.5毫米，圓環的寬度為0.4-1.2毫米，圓形貼片161和圓環162之間的縫隙為0.3-0.7毫米。
如圖5所示，根據以上的微單元結構加工出來的複合超材料天線罩的實物大小為300×300×5mm3。沿X方向和Y方向，各含有16個正方形單元結構。在測試過程中，首先在收發天線之間不放天線罩，測出一組透射/反射係數作為標準參考值。當收發天線之間不放置天線罩時，透射係數被矢量網絡分析儀歸一化設置為0dB，反射係數被設置為-30dB。以歸一化傳輸/反射係數為基準，測出本天線罩的傳輸/反射係數。該圖中透射係數為從發射天線輻射出的電磁波透過天線罩被接收天線接收到的電平值。反射係數為接收天線埠處反射回的電平值。如圖6所示，由於標準喇叭天線和自由空間匹配良好，因此從5.6GHz以上反射係數均小於-10dB。從15.2GHz到18GHz，透射係數均大於-2dB。
由圖6可知，該複合超材料天線罩的通帶頻帶為15.2GHz到18GHz，因此用一個在此頻段內工作的標準喇叭進行天線罩-天線一體化結構輻射特性的測試工作。天線工作頻帶內的中心頻點16.6GHz，故自由空間中波長為18毫米。將複合超材料天線罩置於標準喇叭天線輻射前方一個自由空間波長處。複合超材料天線罩金屬頻率選擇表面層面對被罩標準喇叭天線方向。由此測出來的帶罩標準喇叭天線和不帶罩標準喇叭天線的增益隨頻率變化的曲線。如圖7所示，從15.9GHz到17.7GHz，帶罩天線和不帶罩天線的增益差小於2dB。在16.9GHz，不帶罩天線的增益只比帶罩天線的增益高1.5dB。
由於實驗條件的限制，不能直接測出天線罩的單站雷達散射截面，只能測出用於計算單站雷達散射截面所需的反射電場電平值來代替。當收發天線放在複合超材料天線罩的同一側，天線罩的環形電阻薄膜層面向收發天線時，從發射天線輻射出的電磁波照射到天線罩後被反射回來，由接收天線截獲到反射電場的電平值。用同樣面積的金屬平板代替天線罩，測到金屬平板的反射電場電平值作為比較。
如圖8所示，在3.9GHz～30GHz的頻帶範圍內，複合超材料天線罩在三個頻段內出現了吸波特性：3.9GHz～10.9GHz，12.7GHz～19.5GHz,和21.5GHz～27.7GHz。其中，在8.53GHz處，天線罩的反射電場電平值比金屬平板的低16.5dB；在16.55GHz處，天線罩的反射電場電平值比金屬平板的低11.8dB；在25.05GHz，天線罩的反射電場電平值比金屬平板的低13.8dB。由此可以看出，在天線罩的兩個吸波頻帶內，天線罩能很好地吸收來波，從而降低了天線的雷達散射截面(RCS)，使天線很好地隱身。即使在天線工作的通帶內，天線罩對減小天線雷達散射截面仍然有相當大的貢獻。
進一步地，應當指出，本發明並不局限於以上特定實施例，本領域技術人員可以在權利要求的保護範圍內做出任何變形或改進，均落在本發明的保護範圍之內。