CN110911844A - 一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料，属于人工超材料技术领域。本发明吸透一体材料由阻抗层和频率选择表面层构成，其中阻抗层由分设于介质层两面中心且具有特殊结构的金属层构成，其中一层金属层以另一层旋转90°得到，金属层中心设计为交指结构；频率选择层有三层金属，实现三阶滤波器的效果。两者结合共同实现了宽带吸波‑透波‑吸波效果，且且本吸透一体材料透波带的矩形度高，透波带与吸波带的过渡带窄；除此之外，在水平极化波和垂直极化波入射下频率响应几乎相同，具有双极化特性。

Description

一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料

技术领域

本发明属于人工超材料技术领域，具体涉及一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料。

背景技术

现代军事中，电磁隐身技术是评估军事装备的重要指标之一。实现电磁隐身的传统手段有如下几种：1.在军事装备外壳上添加吸波材料，使得军事装备可以吸收敌方雷达发射的电磁波，减少反射；2.基于电磁散射理论为军事装备设计特殊的外形，使其雷达散射截面降低。然而，这两种方法都不适用于天线隐身。天线是军事装备的重要散射源之一，但在天线表面涂抹吸波材料或改变天线外形都会影响天线的正常工作。

一种可行的天线隐身手段是利用频率选择表面制作天线罩。频率选择表面是一种空间滤波器，在天线的工作频段实现透波，不影响天线的正常工作；在其他频段实现全反射，反射入射的电磁波。设计频率选择表面的外形，可以将照射到天线上的电磁波反射至其他方向，消减前向雷达散射截面。然而，随着多站雷达和雷达组网技术的发展，仅消减前向雷达散射截面是不够的，反射至其他方向的电磁波仍可能被敌方雷达侦测到。

吸透一体材料可以在天线的工作频段实现透波，同时在其他频段实现吸波。用吸透一体材料制作天线罩，既不会影响天线的正常工作，又能吸收其他频段的入射电磁波，实现天线隐身。根据吸收频段和透波频段的分布，可以将吸透一体材料分为以下类别：1.高频吸收、低频透波型；2.高频透波、低频吸收型；3.在透波频段的左右频段均能吸收的吸收-透波-吸收型。对于吸收-透波-吸收型吸透一体材料，根据透波频段的宽窄可以分为窄带透波和宽带透波两类。根据加工方式和材料结构可以分为二维结构和三维结构两类。对于窄带透波的吸波-透波-吸波型人工电磁材料，国内外已有较多研究，但由于大部分军事装备的天线工作频带都有一定带宽，因此宽带透波的吸透一体材料更具实际意义。目前已有宽带透波的吸波-透波-吸波型人工电磁材料，但大都采用了三维结构，加工难度较高，且为单极化材料。

因此，亟需研究一种具有二维双极化的宽带吸波-透波-吸波型吸透一体材料。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料，该材料由阻抗层和频率选择表面层构成，两者共同实现了宽带吸波-透波-吸波效果，且在水平极化波和垂直极化波入射下频率响应几乎相同，具有双极化特性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料，包括n×n个结构单元，所述结构单元包括阻抗层和频率选择表面层，所述阻抗层包括第一金属层、第一介质层和第二金属层，所述频率选择表面层由四个基本单元组成，所述基本单元从上至下依次为第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层和第五金属层，其特征在于，所述第一金属层的中心为交指结构，所述交指结构的两端分别连接一个矩形，所述矩形另一端与等腰梯形的上底边相连，所述矩形在靠近交指结构的位置开缝，用于焊接电阻；所述交指结构由七个宽度相同的金属条组成，从左往右依次一端与所述矩形相连，中间第四金属条两端与所述矩形相连，所述第四金属条与第三金属条、第五金属条之间的间距均为d₁，其余相邻金属条之间的间距为d₂；所述第二金属层由第一金属层以中心为原点旋转90°得到，所述第一金属层和第二金属层分别位于第一介质层上下两面的中心处；所述第三金属层和第五金属层为正方形，所述第四金属层为十字形；所述阻抗层与频率选择表面层尺寸相同，两者之间的间距为D，为中心频率的四分之一波长，中间填充介质为空气。

进一步地，所述结构单元的数目n≥8。

进一步地，所述第一金属层中矩形的宽度为3mm，长度为10.3mm；所述缝隙距离交指结构2mm，缝隙的宽度为0.5mm；所述等腰梯形的下底边长为9.5mm，高为1.5mm；所述金属条的宽度为0.2mm，中间第四金属条的长度为5mm，其余六根金属条的长度为4.1mm，所述交指结构中间第四金属条与两侧金属条之间的间距为d₁为0.3mm，其余相邻金属条之间的间距d₂为0.2mm；所述阻抗层与频率选择表面层之间的间距D为18mm。

进一步地，所述第一金属层和第二金属层缝隙处焊接的电阻阻值为100Ω。

进一步地，所述第一介质层的厚度为0.254mm，尺寸为30mm×30mm；所述第二介质层和第三介质层的厚度为1.524mm，尺寸为15mm×15mm；所述正方形第三金属层和第五金属层的边长为14.24mm，所述十字形第四金属层的长为15mm，宽为6mm。

进一步地，所述金属层的金属可以为铜、金、银等，所述第一介质层的材料为Rogers R O4350B；所述第二介质层和第三介质层的材料为Taconic RF-35。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明设计的结构单元中阻抗层和频率选择表面层的结合，使得反射系数在低于-10dB且透射系数低于-10dB的频带为1.65-3.27GHz和4.57-6.35GHz，具有宽带吸波特性；透射系数高于-1dB的带宽为3.70-4.23GHz，透波带宽较宽；且本吸透一体材料透波带的矩形度高，透波带与吸波带的过渡带窄。

2.本发明设计的吸透一体材料对称性高，在水平极化波和垂直极化波入射下频率响应几乎相同，具有良好的双极化特性。

3.本发明设计吸透一体材料采用两个二维结构组合而成，均可由印刷PCB板实现，成本低，加工简单，且材料单元尺寸小于六分之一波长，具有小型化的特性

附图说明

图1为本发明吸透一体材料结构单元示意图。

图2是阻抗层中第一金属层结构示意图。

图3是频率选择表面层的结构示意图。

图4为本发明吸透一体材料的结构单元为3×3排布的示意图。

图5为本发明吸透一体材料频率响应仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料，包括n×n个结构单元，所述结构单元如图1所示，所述结构单元包括阻抗层1和频率选择表面层6，所述频率选择表面层与阻抗层之间的间距D为18mm，中间为空气；所述阻抗层的尺寸为30mm×30mm，包括第一金属层2、第一介质层3和第二金属层4；所述第一金属层2和第二金属层4的结构相同，所述第二金属层由第一金属层以中心为原点旋转90°得到，所述第一金属层2和第二金属层4分别位于第一介质层3上下两面的中心处，所述第一介质层3的厚度为0.254mm，尺寸为30mm×30mm，材料为Rogers RO4350B；

所述第一金属层的结构如图2所示，第一金属层的中心为交指结构7，所述交指结构的两端分别连接一个矩形8，所述矩形另一端与等腰梯形9的上底边相连，所述矩形在靠近交指结构的位置开缝10，用于焊接电阻，实际焊接时选用0402封装的100欧姆电阻5；所述交指结构由七个宽度相同的金属条组成，宽度均为0.2mm，金属条从左往右依次一端与矩形相连，中间第四金属条两端与矩形相连，所述中间第四金属条的长度为5mm，其余六个金属条的长度均为4.1mm，中间第四金属条与左右相邻的第三金属条、第五金属条之间的间距d₁为0.3mm，其余相邻金属条之间的间距d₂均为0.2mm；所述矩形8的宽为3mm，等腰梯形的下底边长度为9.5mm，高为1.5mm，所述缝隙位置在距离交指结构2mm处，缝隙宽度为0.5mm。

所述频率选择表面层6的尺寸为30mm×30mm，由四个基本单元按照2×2排列组成，所述基本单元的结构如图3所示，尺寸为15mm×15mm，从上至下依次为第三金属层11、第二介质层12、第四金属层13、第三介质层14和第五金属层15；所述第三金属层11和第五金属层15均为边长为14.24mm的正方形，所述第二介质层12和第三介质层14的尺寸均为15mm×15mm，厚度均为1.524mm，介质材料为Taconic RF-35；所述第四金属层13为十字形，十字形长为15mm，宽为6mm。

上述尺寸均为经过计算及优化后的特定尺寸，如尺寸变化，吸/透效果会恶化，例如当中心交指结构的尺寸变化，则透波效果也会随之变化，透波带宽(S21大于-1dB)会缩小。

图4为结构单元按3×3排列示意图。但在实验时，利用喇叭天线产生入射场，在距离较远，且被测面足够大时，才能视入射场为准均匀平面波，因此设计本发明的结构单元按照大于8×8进行排列，以得到较准确的测试效果。本发明吸透一体材料在工作时，电磁波由阻抗层上方垂直入射时，平行于电场极化方向的金属结构等效为电感，垂直于电场极化方向的金属线等效为电容。频率选择表面相当与一个空间带通滤波器，在3.70～4.23GHz范围内，显示透波特性。

阻抗层中心的交指结构相当于电容-电感谐振电路，在谐振点附近，材料显示透波特性。电容值越小，透波带越宽。通过调节电容和电感值，使得谐振频点在4GHz，且在3.70～4.23GHz范围内透波。阻抗层和频率选择表面层均为透波，材料整体在3.70～4.23GHz范围内达到S21≥-1dB，显示透波特性。此外，本频率选择表面有三层金属结构，相当于三阶滤波器，透波频带矩形度较好，因此吸透一体材料透波频带矩形度也较好，减小了吸波带到透波带之间过渡带的范围。这点的优势在于：吸透一体材料主要应用于天线隐身，其中透波带与天线工作频带重合，因此天线的辐射场可以低损耗地透出去；吸波带在天线工作频段以外，吸收外来的雷达波；过渡带中，透射效果和吸收效果都很差，既不能使天线正常工作，又不能吸收外来雷达波，隐身效果较差，因此过渡带应尽量窄。在1.65～3.27GHz和4.57～6.35GHz范围内，偏离了交指谐振结构的谐振频点，因此交指谐振结构作用较小。阻抗层平行于电场极化方向的矩形相当于电感，两相邻单元的梯形宽边之间的缝隙相当于电容，再加上焊接的电阻，组成电阻-电感-电容串联电路，通过调节该串联电路的参数值，可以使其阻抗特性与空气良好匹配。此时频率选择表面显示全反射特性，与上方阻抗层组合成为电路模拟吸收体，增强阻抗层所处位置的电场强度，强电场在阻抗层激励起电流，流经电阻时会被电阻吸收，将电能转换为热能耗散，实现吸波的效果(S11≤-10dB且S21≤-10dB)。阻抗层最上层金属层和最下层金属层形状尺寸相同，朝向呈正交，保证了本吸透一体材料在两种垂直极化的入射场下显示相同的吸波/透波特性。

如图5所示，分别利用TE波和TM波入射本吸透一体材料，以模拟两种正交极化波入射。进行电磁仿真，横坐标为频率，纵坐标为S参数。可以看出在TE波入射和TM波入射时，S参数曲线一致性较好，证明本吸透一体材料有较好的双极化特性。在3.70～4.23GHz范围内，两种极化的S21均大于-1dB，显示透波特性。在1.65～3.27GHz和4.57～6.35GHz范围内，两种极化的S11均小于-10dB，且S21均小于-10dB，显示吸波特性。透波带与左边吸波带之间的过渡带宽为3.27～3.70GHz，与右边吸波带之间过渡带宽为4.23～4.57GHz，过渡带较窄。本吸透一体材料的尺寸为30mm×30mm，最大工作波长为181mm，单元尺寸小于六分之一波长，具有小型化特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种具有宽带透波窗口的吸透一体材料，其特征在于，所述吸透一体材料包括n×n个结构单元，所述结构单元包括阻抗层和频率选择表面层，所述阻抗层包括第一金属层、第一介质层和第二金属层，所述频率选择表面层由四个基本单元组成，所述基本单元从上至下依次为第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层和第五金属层，其特征在于，所述第一金属层的中心为交指结构，所述交指结构的两端分别连接一个矩形，所述矩形另一端与等腰梯形的上底边相连，所述矩形在靠近交指结构的位置开缝，用于焊接电阻；所述交指结构由七个宽度相同的金属条组成，中间第四金属条两端与所述矩形相连，所述第四金属条与第三金属条、第五金属条之间的间距均为d₁，其余相邻金属条之间的间距为d₂；所述第二金属层由第一金属层以中心为原点旋转90°得到，所述第一金属层和第二金属层分别位于第一介质层上下两面的中心处；所述第三金属层和第五金属层为正方形，所述第四金属层为十字形；所述阻抗层与频率选择表面层尺寸相同，两者之间的间距为D，为中心频率的四分之一波长，中间填充介质为空气。

2.如权利要求1所述具有宽带透波窗口的吸透一体材料，其特征在于，所述结构单元的数目n≥8。

3.如权利要求1所述具有宽带透波窗口的吸透一体材料，其特征在于，所述第一金属层中矩形的宽度为3mm，长度为10.3mm；所述缝隙距离交指结构2mm，缝隙的宽度为0.5mm；所述等腰梯形的下底边长为9.5mm，高为1.5mm；所述金属条的宽度为0.2mm，中间第四金属条的长度为5mm，其余六根金属条的长度为4.1mm，所述交指结构中间第四金属条与两侧金属条之间的间距为d₁为0.3mm，其余相邻金属条之间的间距d₂为0.2mm；所述阻抗层与频率选择表面层之间的间距D为18mm。

4.如权利要求1所述具有宽带透波窗口的吸透一体材料，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层缝隙处焊接的电阻阻值为100Ω。

5.如权利要求1所述具有宽带透波窗口的吸透一体材料，其特征在于，所述第一介质层的厚度为0.254mm，尺寸为30mm×30mm；所述第二介质层和第三介质层的厚度为1.524mm，尺寸为15mm×15mm；所述正方形第三金属层和第五金属层的边长为14.24mm，所述十字形第四金属层的长为15mm，宽为6mm。

6.如权利要求1所述具有宽带透波窗口的吸透一体材料，其特征在于，所述金属层的金属可以为铜、金或银；所述第一介质层的材料为Rogers RO4350B；所述第二介质层和第三介质层的材料为Taconic RF-35。

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