CN111262039A - 基于电阻膜的宽带超材料吸波单元及吸波材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电阻膜的宽带超材料吸波单元及吸波材料，所述吸波单元由电阻膜加工而成，通过改变超材料吸波单元的结构和电阻膜的方阻来达到吸收电磁波的作用。当电磁波照射到该超材料吸波单元中时，能有效地被吸收和消耗掉，实现宽带吸波特性。将超材料吸波单元周期性排列组成吸波阵列，并将其与微带贴片天线相结合，在不改变微带贴片天线的辐射性能的前提下，可实现天线RCS的缩减，从而达到天线隐身的目的。

Description

基于电阻膜的宽带超材料吸波单元及吸波材料
技术领域
本发明涉及超材料吸波器领域，特别是一种基于电阻膜的宽带超材料吸波单元及吸波材料。
背景技术
电磁超材料吸波器是由电磁超材料和介质基板组成的复合结构，它能有效的吸收入射电磁波，达到完美吸波的效果。
超材料吸波器在近几年的研究中受到了极大的关注，它是一种新型的吸波材料，在军事和民用方面的电磁隐身技术领域有很好的应用前景。吸波材料一般由周期性吸波单元构成吸波阵列，吸波单元是通过设计亚波长微结构，有效调节其等效介电常数和等效磁导率，从而使其波阻抗与自由空间阻抗匹配，实现完美吸波的效果。但由于共振特性的影响，超材料吸波器的吸收带宽相对较窄，不能满足宽频吸波的要求，阻碍了其在隐身方面的应用。目前，拓展吸波器带宽的主要方式有：采用多层堆叠结构使多个共振峰连接在一起；加载集总元件对入射电磁波进行存储和消耗；同一平面内多单元结构周期性排列实现多频带完美吸波。
雷达散射截面是表征目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量，它是衡量目标隐身性能优劣的重要指标。在电磁隐身技术中，缩减雷达散射截面已经受到国内外研究者的高度重视。为了实现目标的低可探测性，***对天线隐身性能的要求也越来越高，缩减天线的RCS有很多的应用前景。
现有技术中，由于超材料吸波器的吸收带宽较窄，而展宽其带宽的方式一是会导致吸波器的厚度比较厚，不利于应用在武装设备等的隐身中；二是加载集总元件加工复杂且成本高，又不利于大规模应用。若采用电阻膜的方式，既减小了吸波器的厚度又避免了加载集总元件的复杂工艺，同时又能保证入射的电磁波被有效地吸收和衰减，实现宽带吸波的特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电阻膜的宽带超材料吸波单元及吸波材料，用于缩减天线的RCS，实现低可探测性，从而达到天线隐身的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于电阻膜的宽带超材料吸波单元，包括电阻膜、介质板和下表面金属；所述介质板为具有一定厚度的正方形介质板，在所述介质板上表面设置有电阻膜，所述电阻膜的中心与介质板的中心位于同一竖直线上，所述电阻膜为正方形电阻膜且电阻膜对称的两边开有直径为d的半圆，两个半圆的圆心连线平行于正方形介质板的某一对角线；在所述介质板下表面设置有与介质板大小相同的下表面金属。
还提供了一种基于电阻膜的宽带超材料吸波单元制成的吸波材料，由基于电阻膜的宽带超材料吸波单元等间距周期排列组成吸波阵列而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)吸波单元采用电阻膜设计，单元结构简单，剖面低；2)吸波单元具有宽频带吸波特性，例如，在介质板厚度为2.3mm，相对介电常数4.4时，吸波率为0.9以上的带宽为8.2GHz(中心频率为15GHz)，相对吸收带宽为54.7％，吸波效果覆盖整个Ku波段；3)吸波单元具有偏振不敏感特性，在11GHz～19GHz(中心频率为15GHz)频段内，TE与TM波的吸波特性完全吻合；4)吸波单元具有稳定的低入射角吸波特性，在电磁波入射角度小于30°时，该吸波单元能在工作频带范围保持稳定的吸波效果；5)吸波器运用于缩减天线的RCS，将吸波器与天线相结合，在不影响天线辐射性能的同时，可以大幅度地缩减天线RCS，实现天线的隐身效果。
附图说明
图1为本发明吸波单元结构示意图。
图2为本发明吸波单元俯视图。
图3为等效阻抗图。
图4为吸波率随频率变化。
图5为吸波单元顶层表面电流分布。
图6为吸波单元底层表面电流分布。
图7为不同直径d对应的吸波率。
图8为不同电阻膜阻值对应的吸波率。
图9为不同入射角对应的吸波率。
图10为吸波材料结构图。
图11为反射系数曲线。
图12为增益随频率变化曲线。
图13为15GHz处天线的辐射方向图(E面)。
图14为15GHz处天线的辐射方向图(H面)。
图15为加载吸波材料前后的RCS对比图(15GHz处单站RCS)。
图16为加载吸波材料前后的RCS对比图(单站RCS随频率变化)。
图中：介质板1；电阻膜2；下表面金属3。
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详细的说明。
一、吸波单元
吸波单元的结构如图1和图2所示，该吸波单元由电阻膜2、介质板1以及下表面金属3构成。介质板1为具有一定厚度的正方形介质板1，在介质板1上表面设置有电阻膜2，电阻膜2的中心与介质板1的中心位于同一竖直线上，电阻膜2为正方形电阻膜2且电阻膜2对称的两边开有直径为d的半圆，两个半圆的圆心连线平行于正方形介质板1的某一对角线；在介质板1下表面设置有与介质板1大小相同的下表面金属3，下表面金属3作为吸波单元的反射面。
吸波单元的图案层采用电阻膜2，一是电阻膜2具有导电性，可以通过调整图案形状来控制电磁场的分布；二是可以调节电阻膜2的阻值来获得较高的欧姆损耗，从而有效的衰减电磁波，达到宽带吸波的性能。通过吸波单元的S参数推算出其等效阻抗如图3所示，可以看出等效阻抗的实部接近1，虚部在0附近，说明吸波单元具有良好的阻抗匹配特性。由图4吸波率随频率变化曲线图可知，该吸波单元在11—19GHz(中心频率为15GHz)频率范围内，TE和TM波的吸波率均在90％以上，吸波带宽达到8.2GHz(中心频率为15GHz)，由此可得出本发明的吸波单元具有宽带吸波特性。此外，由于TE和TM波曲线重合，还可得出吸波单元具有偏振不敏感特性。
吸波单元的表面电流分布如图5、图6所示。可以看到顶部表面电流和底部表面电流反向平行，这里可以引起很强的磁共振。顶部电阻膜2图案层、中间介质板层和底层金属地板的耦合可引起很强的电共振。因此，通过合理设计吸波单元结构的几何形状和尺寸，可将电共振与磁共振在同一频带内重叠，引起强烈的电磁共振，从而有效地吸收入射电磁波，实现宽频带吸波特性。
由以上分析可知，吸波器的吸波率与电阻膜图2案层的尺寸结构和电阻膜2阻值有关。本发明中，吸波单元结构半圆直径d对吸波单元吸波率有显著影响，如图7所示，随着直径d的增大，吸波器的吸波带宽逐渐减小，吸收峰值也逐渐减小。由于吸收峰值对应的频点随直径d的增大逐渐右移。电阻膜2阻值对吸波效果也有明显的影响，电阻膜2的方阻值对吸波率的影响如图8所示，从图8可以看出，不同的方阻值对吸波率的影响很大，随着方阻值的增大吸波率逐渐下降，说明电阻膜2的方阻值对吸波器的吸波性能起决定作用，电磁能量的损耗主要是由电路谐振引起的，对于介质板的介质损耗可以忽略不计。
对吸波器的入射角进行分析，如图9所示，从图中可以看出，电磁波入射角度从0°到30°的变化过程中，在11～19GHz(中心频率为15GHz)频率范围内，吸收率均在90％以上且变化不大，因此在入射角度小于30°的情况下，该吸波器能够在工作频段内保持良好的吸波效果，具有低入射角度的吸波稳定性。
二、吸波材料在天线中的应用
将吸波单元等间距周期排列组成吸波阵列，即吸波材料，结构如图10所示。将一工作在15GHz的微带贴片天线，放置在距离吸波材料10mm的正上方，本发明可减小天线的RCS。数值模拟结果如图11-16所示，图11为天线的反射系数曲线，可以看出原始天线的S参数与加载了吸波材料的S参数几乎完全重合，说明加载了吸波材料对天线的谐振频率几乎没有影响。图12为天线工作频带内的增益随频率的变化，加载了吸波材料的天线增益稍微有点下降，但下降的幅度很小，在接受范围内。图13和图14分别为在中心频率15GHz处加载吸波材料前后天线的方向图，不论是E面还是H面的方向图，两者也几乎重合。因此，加载吸波材料几乎不影响天线的辐射性能。图15和图16为为加载吸波材料前后的单站RCS图。在12-18GHz的工作频率范围内，RCS均出现了缩减，其中谐振频率15GHz处，缩减量最大为11dB，因此，将吸波材料与微带贴片天线结合，在不影响天线的工作性能下可实现天线RCS的缩减。

Claims (2)

1.一种基于电阻膜的宽带超材料吸波单元，其特征在于，包括电阻膜(2)、介质板(1)和下表面金属(3)；所述介质板(1)为具有一定厚度的正方形介质板(1)，在所述介质板(1)上表面设置有电阻膜(2)，所述电阻膜(2)的中心与介质板(1)的中心位于同一竖直线上，所述电阻膜(2)为正方形电阻膜(2)且电阻膜(2)对称的两边开有直径为d的半圆，两个半圆的圆心连线平行于正方形介质板(1)的某一对角线；在所述介质板(1)下表面设置有与介质板(1)大小相同的下表面金属(3)。
2.根据权利要求1所述基于电阻膜的宽带超材料吸波单元制成的吸波材料，其特征在于，由基于电阻膜的宽带超材料吸波单元等间距周期排列组成吸波阵列而成。
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