一種超薄雙側(cè)吸波頻選超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于材料和天線罩技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超薄雙側(cè)吸波頻選超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超材料是一種人工周期性復(fù)合材料，以介質(zhì)基板為襯底，將金屬箔，集總電阻電容或電阻電容薄膜和磁性材料組成的超材料結(jié)構(gòu)單元排列在介質(zhì)基板上。當(dāng)電磁波照射到這種特殊的超材料時(shí)，其電磁特性發(fā)生改變，通過單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電磁波操控，達(dá)到頻率選擇的目的，使超材料在特定頻帶上實(shí)現(xiàn)不同的功能。
[0003]具有頻選功能的超材料研究已經(jīng)較為深入，并大量應(yīng)用于天線罩領(lǐng)域。該種超材料天線罩能讓工作頻段內(nèi)的電磁波順利通過天線罩，而對(duì)帶外的電磁波形成反射。為了減小這種天線罩-天線一體化結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面(RCS)，往往只能通過改變這種天線罩的外形來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且只減少了來(lái)波方向的RCS。為了進(jìn)一步減少天線系統(tǒng)的RCS，實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)更好的隱身，近幾年來(lái)，一種新型超材料已逐漸變?yōu)樾碌难芯繜狳c(diǎn)，它不再僅依靠有限地改變頻選超材料天線罩的外形來(lái)實(shí)現(xiàn)RCS縮減。這類天線罩的結(jié)構(gòu)單元里不僅有頻率選擇功能部分，同時(shí)具有吸波功能部分。這樣，在電磁特性上，此類天線罩不僅有通頻帶，而且有吸波頻帶。
[0004]目前，有一些文獻(xiàn)資料顯示已利用金屬箔、集總電阻或磁性材料加載介質(zhì)基板的超材料實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有透波和吸波的復(fù)合超材料。這些復(fù)合超材料在頻帶內(nèi)特性相似:在一個(gè)較寬的頻帶里，均具有一個(gè)通帶和一個(gè)吸波頻帶。吸波頻帶或高于通帶或低于通帶;這些超材料均由多層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，加工工藝復(fù)雜;這些超材料厚度較厚，實(shí)物重量大。此外，這些復(fù)合超材料的通帶帶寬大多數(shù)是一個(gè)瓶頸，普遍較窄，往往在一個(gè)頻點(diǎn)附近有較好的透波特性。
[0005]而實(shí)際需求中，應(yīng)用于天線罩的復(fù)合超材料不僅要求透波通帶有一定帶寬，在通帶外雙側(cè)的高低頻帶上也要求有吸波特性，從而降低帶外雷達(dá)散射截面，增強(qiáng)被罩天線的隱蔽性。另一方面，受加工技術(shù)的限制，層數(shù)越少的板子越容易加工，加工成本越低，性能更有保證。其厚度越薄，重量相對(duì)來(lái)說越輕，對(duì)于有隱身性能要求的天線罩來(lái)說，實(shí)用性更強(qiáng)。目前，可查閱文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)已有輕、薄、層數(shù)較少，同時(shí)具有在工作頻帶雙側(cè)吸波特性好的超材料的相關(guān)研究成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有復(fù)合超材料天線罩的透波通帶窄且僅在透波通帶外單側(cè)形成吸波特性，設(shè)計(jì)復(fù)雜及密度較大的缺陷，提供了一種Ku波段透波，X波段和K波段吸波的復(fù)合超材料。具體技術(shù)方案如下，
[0007]—種超薄雙側(cè)吸波頻選超材料，所述超薄雙側(cè)吸波頻選超材料被虛擬地劃分為多個(gè)周期性排布的正方形單元結(jié)構(gòu)103;所述正方形單元結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板100、附著在介質(zhì)基板上表面的正方形環(huán)狀電阻薄膜101、附著在介質(zhì)基板下表面的梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)102。
[0008]進(jìn)一步地，所述正方形單元結(jié)構(gòu)103的周期為17毫米。
[0009]進(jìn)一步地，所述正方形環(huán)狀電阻薄膜101的中心點(diǎn)和正方形單元結(jié)構(gòu)103的中心點(diǎn)重合。
[0010]進(jìn)一步地，所述正方形環(huán)狀電阻薄膜101的外邊長(zhǎng)為15毫米，內(nèi)邊長(zhǎng)為11毫米。
[0011]進(jìn)一步地，所述梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)102由一個(gè)正方形金屬貼片105上蝕刻出來(lái)的四個(gè)梳齒狀縫隙對(duì)1061，1062，1063，1064構(gòu)成。
[0012]進(jìn)一步地，所述正方形金屬貼片105的中心點(diǎn)和正方形單元結(jié)構(gòu)103的中心點(diǎn)重入口 ο
[0013]進(jìn)一步地，所述梳齒狀縫隙對(duì)1061，1062,1063，1064由兩條相對(duì)的梳齒狀縫隙組成。
[0014]進(jìn)一步地，所述正方形單元結(jié)構(gòu)103中的介質(zhì)基板厚度為5毫米、正方形環(huán)狀電阻薄膜厚度為0.035毫米、梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)厚度為0.035毫米。
[00?5] 進(jìn)一步地，介質(zhì)基板采用的是Taconic公司的TSM-DS3。
[0016]進(jìn)一步地，電阻薄膜的阻值為50歐姆/平方。金屬箔采用金箔或銀箔或銅箔。
[0017]本發(fā)明還提供了一種天線罩，用于罩設(shè)在天線系統(tǒng)上，包括上述的超薄雙側(cè)吸波頻選超材料。
[0018]本發(fā)明還提供了一種天線系統(tǒng)，包括上述的天線罩以及天線，所述天線罩罩設(shè)于天線上。
[0019]采用本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明中超薄雙側(cè)吸波頻選超材料實(shí)現(xiàn)頻率選擇的梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)能使天線在Ku波段保持良好的輻射特性，能自由收發(fā)通信；同時(shí)，在Ku波段兩側(cè)的X波段和K波段內(nèi)，本發(fā)明超材料制作的天線罩中具有吸波特性的電阻薄膜以正方形金屬貼片層為接地面，很好地吸收了入射到天線罩的來(lái)波，由此大大縮減了該天線在這些頻帶內(nèi)的雷達(dá)散射截面(RCS)，實(shí)現(xiàn)天線的隱身目的。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明超薄雙側(cè)吸波頻選超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明正方形單元結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基板上表面的電阻薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明正方形單元結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基板下表面的梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明中梳齒狀縫隙對(duì)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明中當(dāng)線極化平面電磁波沿-Z方向照射超薄雙側(cè)吸波頻選超材料正方形單元結(jié)構(gòu)時(shí)，正方形單元結(jié)構(gòu)的透射(Transmiss1n)/反射(Ref Iect1n)系數(shù)(T/RCoefficients)隨頻率(Freq)變化示意圖，SI I表示反射系數(shù)，S21表示透射系數(shù)；
[0025]圖6是本發(fā)明中當(dāng)線極化平面電磁波沿+z方向照射超薄雙側(cè)吸波頻選超材料正方形單元結(jié)構(gòu)時(shí)，正方形單元結(jié)構(gòu)的透射/反射系數(shù)(T/R Coefficients)隨頻率(Freq)變化示意圖，SI 2表示透射系數(shù)，S22表示反射系數(shù)；
[0026]圖7是用本發(fā)明超材料制成的天線罩架設(shè)在腔體縫隙陣列天線上的天線系統(tǒng)示意圖；
[0027]圖8是在Ku頻帶內(nèi)，本發(fā)明中不帶罩腔體縫隙陣列天線(onlyantenna)與帶本發(fā)明超材料天線罩的天線系統(tǒng)(antenna with radome)的增益(Gain)隨頻率(Freq)變化的對(duì)比示意圖(Phi = Odeg;Theta = Odeg代表最大福射方向所對(duì)應(yīng)的天線增益)；
[0028]圖9中(a)圖是在15GHz頻點(diǎn)上，本發(fā)明中不帶罩腔體縫隙陣列天線(onI y311七6111^”/^面(?11丨=0(168)和!1面(？11丨=90(168)福射方向圖；(b)圖是在15GHz頻點(diǎn)上，帶本發(fā)明超材料天線罩的天線系統(tǒng)(antenna with radome)的E面(Phi =Odeg)和H面(Phi =90deg)輻射方向圖；
[0029]圖10是在IGHz到30GHz頻帶內(nèi)，不帶罩腔體縫隙陣列天線(only antenna)與本發(fā)明中帶超材料天線罩的天線系統(tǒng)(antenna with radome)的在平面波垂直照射條件下單站RCS(Monostatic RCS)隨頻率(Freq)變化的對(duì)比示意圖(Phi = Odeg;Theta = Odeg為選擇的觀察方向-天線系統(tǒng)前向輻射方向)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031]如圖1所示，一種超薄雙側(cè)吸波頻選超材料，所述超薄雙側(cè)吸波頻選超材料被虛擬地劃分為多個(gè)周期性排布的正方形單元結(jié)構(gòu)103;所述正方形單元結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板100、附著介質(zhì)基板上表面的正方形環(huán)狀電阻薄膜101、附著在介質(zhì)基板下表面的梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)102。實(shí)施例中，所述介質(zhì)基板由非導(dǎo)電材料制成;采用的是Taconic公司的TSM-DS3。正方形環(huán)狀電阻薄膜的表面電阻率為50歐姆/平方。所述梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)通過蝕刻工藝在正方形金屬貼片上制作而成，所述正方形金屬貼片可以選擇金屬箔中的金箔或銀箔或銅箔任一種材料。
[0032]如圖2所示，本發(fā)明正方形單元結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基板上表面的電阻薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；正方形電阻薄膜101的幾何中心與介質(zhì)基板100及正方形單元結(jié)構(gòu)103的幾何中心重合。
[0033]如圖3所示，本發(fā)明正方形單元結(jié)構(gòu)中介質(zhì)基板下表面的梳齒狀頻率選擇表面周期結(jié)構(gòu)示意圖；正方形金屬貼片105的幾何中心與介質(zhì)基板100及正方形單元