CN104682013A - 一种宽角度极化不敏感的低rcs超材料吸波器 - Google Patents

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司黎明
冯佳琦
张庆乐
胡伟东
金宇婷
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Abstract

本发明涉及一种宽角度极化不敏感的低雷达散射截面(RCS)超材料吸波器，该***适用于大幅度降低目标回波，实现目标隐身特性。该吸波器的基本单元是由旋转对称的四个双开口谐振环组成，在工作频带内该超材料单元的透射数为0，反射系数最小为-18.75dB，吸波率最大为98.8％，达到完美吸波效果。本发明可以吸收±60°范围内的TE、TM极化入射波，在工作频带内RCS最大减缩量可达12.35dB，实现雷达目标的有效隐身。

Description

一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器
技术领域
本发明涉及一种宽角度极化不敏感的低雷达散射截面(RCS)超材料吸波器，该***适用于大幅度降低目标回波，实现目标隐身等特性。
背景技术
随着现代超宽带、超视距雷达技术水平的发展，雷达目标的存活、突防能力已受到严重威胁。为了迅速提高雷达目标的低可探测性，人们就各种目标隐身技术进行了深入研究，实现隐身的关键是最大程度地降低目标的雷达散射截面(RCS)。
为此，研究人员进行了大量的研究并提出了几种有效的方法。目前降低RCS的基本途径主要有以下三种：直接吸收入射波，抵消由目标产生的电磁场和引导入射波绕目标传播。直接吸收入射电磁波是目标隐身中最基本也是应用最为广泛的方法。最早的雷达吸波材料是Salisbury吸收层，后发明了希尔伯特曲线吸波材料，但是它们的尺寸较大、结构太厚，不利于满足小型化的需求。近年来，基于超材料的吸波器被提出来，并引起了广泛关注。2008年Landy[Landy N I,Sajuyigbe S,Mock J J,et al.Perfectmetamaterial absorber,Physical Review Letters,2008,100(20):207402.]等人提出基于超材料的完美吸波体，但是这种超材料吸波器对入射角和极化敏感。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，针对目标的隐身问题，提出一种宽角度极化不敏感的超材料吸波器，并将其应用于RCS减缩，该超材料吸波器结构紧凑、成本低、结构简单。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器，该吸波器由一个以上的基本单元组成，一个基本单元包括金属地板、FR4介质基板和旋转对称的四个双开口谐振环；FR4介质基板固定在金属地板的上面，旋转对称的四个双开口谐振环固定在FR4介质基板的上面；双开口谐振环包括一个外层开口谐振环和内层开口谐振环；
该基本单元的透射系数为0；
基本单元在9.85GHz频点处的反射系数为-20.35dB；
基本单元的吸波率为98.8％，达到完美吸波效果；
吸波器在频段内RCS减缩量最大可达12.35dB。
有益效果
本发明具有排列紧凑和对入射角度、对极化不敏感的特性，超材料吸波器在9.85GHz垂直入射吸收峰值为98.8％；
入射波在±60°范围内，其吸波率在9.85GHz均大于75％；
可以吸收±60°范围内的TE、TM极化入射波，实现X波段内RCS最大减缩量达12.35dB，实现雷达目标的有效隐身。
附图说明
图1是本发明的旋转对称的四个双开口谐振环的结构示意图；
图2是本发明的超材料单元的特性阻抗参数；
图3(a)是本发明的超材料吸波器TE模式任意角度入射吸波率；
图3(b)是本发明的超材料吸波器TM模式任意角度入射吸波率；
图4(a)是本发明的50mm×50mm超材料吸波器与等大尺寸金属平板TE模式激励下的单站RCS；
图4(b)是本发明的50mm×50mm超材料吸波器与等大尺寸金属平板TM模式激励下的单站RCS；
图5是本发明的50mm×50mm超材料阵与等尺寸金属平板在9.74GHz的TM模式激励下各角度的RCS；
图6为实施例中的吸波器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例
一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器，如图6所示，该吸波器由10×10个基本单元组成，一个基本单元包括金属地板、FR4介质基板和旋转对称的四个双开口谐振环，FR4介质基板粘接在金属地板的上面，旋转对称的四个双开口谐振环粘接在FR4介质基板的上面；双开口谐振环包括一个外层开口谐振环和内层开口谐振环；金属地板为金属铜板；
旋转对称的四个双开口谐振环的结构示意图如图1所示；
FR4介质基板的介电常数为4.4，厚度h＝0.8mm，外层开口谐振环边长l＝2.22mm，金属线宽w＝2mm，双开口谐振环间距d＝0.2mm，外层开口谐振环和内层开口谐振环的开口距离均为g＝0.3mm，一个基本单元的边长a＝5mm。
对上述的吸波器进行特性阻抗的参数提取、吸波率参数的提取和单站RCS的仿真；
吸波器的基本单元在9～11GHz范围内的特性阻抗参数的提取的结果如图2所示，由图2可知，在9.85GHz阻抗实部的提取值为0.85，虚部为-0.167，表明在该频点与空气匹配良好。
不同角度TE模式电磁波入射超材料吸波器基本单元的吸波率如图3(a)所示。由图3(a)可知，在9.85GHz吸波率为98.8％，在9.68～10.03GHz范围内吸波率在50％以上，即半功率吸波相对带宽为3.6％。在±60°范围内，吸波率均在80％以上。
不同角度TM模式电磁波入射超材料吸波器的基本单元的吸波率如图3(b)所示，由图3(b)可知，在9.85GHz吸波率为98.7％，在9.68～10.03GHz范围内吸波率在50％以上，即半功率吸波相对带宽为3.6％。在±60°范围内，吸波率均在75％以上。
图4(a)是本发明的超材料吸波器与同样大小尺寸的金属铜板在9～11GHz范围内在0度TE模式电磁波入射的RCS。在9.7GHz处超材料吸波器RCS相对于同样大小尺寸的金属铜板的RCS减缩达8.17dB。图4(b)是本发明的超材料吸波器与同样大小尺寸的金属铜板在9～11GHz范围内在0度TM模式电磁波入射的RCS。可以发现，在9.74GHz处RCS减缩量达12.35dB。
图5是本发明的超材料吸波器与同样大小尺寸的金属铜板在9.74GHz入射波在-75°～75°范围内TM模式电磁波入射的RCS。可以看出在±15°范围内和±30°入射时均有明显的RCS减缩效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器，其特征在于：该吸波器由一个以上的基本单元组成，一个基本单元包括金属地板、FR4介质基板和旋转对称的四个双开口谐振环，FR4介质基板固定在金属地板的上面，旋转对称的四个双开口谐振环固定在FR4介质基板的上面；双开口谐振环包括一个外层开口谐振环和内层开口谐振环。
2.根据权利要求1所述的一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器，其特征在于：介质基板的介电常数为4.4，厚度h＝0.8mm，外层开口谐振环边长l＝2.22mm，金属线宽w＝2mm，基本单元的边长a＝5mm，双开口谐振环间距d＝0.2mm，开口距离g＝0.3mm。
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