CN113594706B - 一种低剖面低rcs的宽带吸波超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及雷达通信***中的人工电磁材料领域，具体涉及一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料。为解决单元尺寸大，工作频带窄的问题，本发明的吸波超材料为三层结构，从上至下依次为损耗层、介质基底和金属地板，所述损耗层由阵列的N×M个损耗层单元组成；所述损耗层单元包含一个方形环和四个四分之一金属圆弧，所述方形环由四条两端衔接矩形金属贴片的L形金属条带对称放置而成，并由贴片电阻连接成一个方形环，所述四个四分之一金属圆弧放置在损耗层单元的四个顶角，与相邻损耗层单元的四分之一金属圆弧组成一个完整的金属圆环。

Description

一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料
技术领域
本发明涉及雷达通信***中的人工电磁材料领域，具体涉及一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料。
背景技术
随着雷达探测技术的发展，降低目标的雷达散射截面(RCS)技术已成为现在研究的重点。而超材料由于其在自然界中不常见的特殊性质，使其在反雷达探测技术领域具有深刻的意义和开阔的发展空间。
吸波体是有效的吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，通过不同的吸波机制，将入射波转换为其他形式的能量，使其反射波被大大减少，达到了降低RCS的目的。传统型的吸波体普遍存在：体积大、剖面高、稳定性较差、耗材等缺点。而吸波型超材料，可以在一定频段内将入射波吸收转变为热能损耗掉，使得目标的RCS大大降低。若将此种类型超材料应用于缩减天线雷达散射截面的技术中，那么可以在保持天线本身辐射性能的同时，实现良好的RCS减缩，因此该研究同样在天线RCS缩减方面具有重要意义。但吸波超材料本身具有单元尺寸大，工作频带窄的特点，因此发明一种兼顾宽带与小型化性能的吸波超材料仍是一个有待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，简化了吸波超材料单元结构，使超材料保持低剖面的同时，能够在宽带范围内实现良好吸收的效果。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料为三层结构，从上至下依次为损耗层、介质基底和金属地板，损耗层印制于介质基底上表面，金属地板印制于介质基底下表面，以实现辐射与RCS减缩特性，所述损耗层由阵列的N×M个损耗层单元组成，通过阵列排布损耗层单元构成组合式环形谐振器，来实现宽带吸波；所述损耗层单元包含一个方形环和四个四分之一金属圆弧，所述方形环由四条两端衔接矩形金属贴片的L形金属条带对称放置而成，并由贴片电阻连接成一个方形环，所述四个四分之一金属圆弧放置在损耗层单元的四个顶角，与相邻损耗层单元的四分之一金属圆弧组成一个完整的金属圆环。
进一步，所述N≥10，M≥10。
进一步，所述L形金属条带中相互垂直的两金属段长度均为1.9mm，宽度为0.15mm，所述矩形金属贴片的长为0.6mm、宽为0.5mm，所述贴片电阻的长为1mm，宽为0.5mm。
进一步，所述四分之一的金属圆弧内环半径为2mm，环宽为0.2mm。
进一步，所述介质基底采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3.2mm的FR4环氧树脂材料。
进一步，所述金属地板、矩形金属贴片、L形金属条带和金属圆环的材料均为铜。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
为产生多个谐振点，使吸波超材料实现宽带吸收。L形金属条带的加载使得吸波超材料具有了高阻抗特性，其产生了谐振频点为7.6GHz的吸波带；而加入的四个四分之一金属圆弧，改变了吸波单元在高频处的表面电流分布，使得吸波超材料在谐振频点为11.7GHz处产生新的吸波带；通过矩形金属贴片的加载，实现了L形金属条带与贴片电阻的阻抗匹配；而贴片电阻的加入，令低频吸波段与高频吸波带相连通形成宽频吸波带，在整个吸波频带内入射电磁波都会被有效转化为热能耗散掉，吸波超材料因此达到宽带缩减RCS的效果。
本发明所提出的低剖面低RCS的宽带吸波超材料，通过损耗层中所提出的组合式环形谐振器，可以在7.38-13.86GHz的频率范围内吸收率达到90％以上，并且相对同尺寸金属板有10dB以上的RCS缩减，覆盖整个X波段，并且吸波超材料整体厚度仅为3.2mm，结构、用料简单，易与天线共形，有利于吸波超材料在商业***中的应用。
附图说明
图1是本发明的一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料的结构示意图，其中图1a为所述材料的俯视图，图1b为所述材料的侧视图；
图2是本发明中吸波超材料损耗层单元结构示意图，其中图2a为损耗层单元的俯视图，图2b为损耗层单元的侧视图；
图3是本发明中吸波超材料损耗层单元的反射系数；
图4是本发明中吸波超材料损耗层单元的吸波率；
图5是本发明实施例制备的一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料与等尺寸金属板的单站RCS结果对比图；
图中标号：1-损耗层，2-介质基底，3-金属地板，4-损耗层单元，5-方形环，6-四分之一金属圆弧，7-矩形金属贴片，8-L形金属条带，9-贴片电阻，10-金属圆环。
具体实施方式
实施例1
一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料为三层结构，从上至下依次为损耗层1、介质基底2和金属地板3，所述损耗层1由阵列的N×M个损耗层单元4组成；所述损耗层单元4包含一个方形环5和四个四分之一金属圆弧6，所述方形环5由四条两端衔接矩形金属贴片7的L形金属条带8对称放置而成，并由贴片电阻9连接成一个方形环5，所述四个四分之一金属圆弧6放置在损耗层单元4的四个顶角，与相邻损耗层单元4的四分之一金属圆弧6组成一个完整的金属圆环10。
所述损耗层单元4长宽均为10mm，所述N≥10，M≥10。所述L形金属条带8中相互垂直的两金属段长度均为1.9mm，宽度为0.15mm，所述矩形金属贴片7的长为0.6mm、宽为0.5mm，所述贴片电阻9的长为1mm，宽为0.5mm。所述四分之一的金属圆弧6内环半径为2mm，环宽为0.2mm。所述介质基底2采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3.2mm的FR4环氧树脂材料。金属地板3、矩形金属贴片7、L形金属条带8和金属圆环10的材料均为铜。
图3列出了本实施的吸波超材料损耗层单元的反射系数，吸波超材料在7.60GHz和11.70GHz两个频率谐振。在6.51-12.52GHz频段范围内，反射系数S11<-10dB，阻抗带宽达到63.16％。
图4列出了本实施的吸波超材料损耗层单元的的吸波率。在6.51-12.52GHz的工作频段中，吸波超材料的吸波率达到90％以上。在7.60GHz和11.70GHz具有两个吸收峰。
图5给出了实施例的一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料与等尺寸金属板的单站RCS结果对比图，在相对带宽为61.01％(7.38-13.86GHz)的频带内，吸波超材料的吸收率达到90％以上，单站RCS相较于金属板均下降了10dB以上，缩减均值为18.4dB，在7.9GHz处降低了19dB。
本发明的上述实施例是为清楚地说明本发明所作的举例，对领域的技术人员来说，可以对其形式和细节做出改变。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料为三层结构，从上至下依次为损耗层（1）、介质基底（2）和金属地板（3），所述损耗层（1）由阵列的N ×M个损耗层单元（4）组成；所述损耗层单元（4）包含一个方形环（5）和四个四分之一金属圆弧（6），所述方形环（5）由四条两端衔接矩形金属贴片（7）的 L形金属条带（8）对称放置而成，并由贴片电阻（9）连接成一个方形环（5），所述四个四分之一金属圆弧（6）放置在损耗层单元（4）的四个顶角，与相邻损耗层单元（4）的四分之一金属圆弧（6）组成一个完整的金属圆环（10）。
2.根据权利要求1所述一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，其特征在于，所述损耗层单元（4）长宽均为10mm，所述N≥10，M≥10。
3.根据权利要求1所述一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，其特征在于，所述L形金属条带（8）中相互垂直的两金属段长度均为1.9mm，宽度为0.15mm，所述矩形金属贴片（7）的长为0.6mm、宽为0.5mm，所述贴片电阻（9）的长为1mm，宽为0.5mm。
4.根据权利要求1所述一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，其特征在于，所述四分之一金属圆弧（6）内环半径为2mm，环宽为0.2mm。
5.根据权利要求1所述一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，其特征在于，所述介质基底（2）采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3.2mm的FR4环氧树脂材料。
6.根据权利要求1所述一种低剖面低RCS的宽带吸波超材料，其特征在于，所述金属地板（3）、矩形金属贴片（7）、L形金属条带（8）和金属圆环（10）的材料均为铜。
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