一种双极化超薄A-T-A电磁超材料及其天线罩、天线系统

一种双极化超薄a-t-a电磁超材料及其天线罩、天线系统
技术领域
1.本发明涉及电磁超材料技术领域，具体涉及一种双极化超薄a-t-a电磁超材料及其天线罩、天线系统。


背景技术：

2.在雷达通信系统天线罩应用领域中，对宽带电磁透明且带外实现隐身的天线罩具有明确的需求。这类天线罩可用同时具有透波和吸波功能的吸波-透波-吸波(absorptive-transparent-absorptive,a-t-a)电磁超材料进行实现。目前，a-t-a电磁超材料的主流设计是通过透波屏和吸波屏相隔四分之一空气间距实现的。在吸波频段内，透波屏的电磁特性等效为一个金属反射屏。当电磁波入射时，透波屏把该波反射回来。在透波屏前四分之一波长处，入射波和反射波同相叠加，能量最大，正好被该处的吸波屏吸收。在透波频段内，透波屏和吸波屏的等效电路均类似于并联lc谐振电路，因为对于电磁波来说该结构是开路的，不吸收电磁波，即电磁波能顺利通过该a-t-a超材料。该类a-t-a超材料的透波频带较窄，且受到四分之一波长空气间隔的限制，很难实现超薄、低剖面和易共形。不能满足宽带电磁透明、带外电磁隐身的异形天线罩的实际工程应用需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是要解决现有技术的不足，提供一种具有超低剖面和超宽通带且兼具吸波频带和透波频带的双极化超薄a-t-a电磁超材料及其天线罩、天线系统。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.基于本发明的一方面，提供一种双极化超薄a-t-a电磁超材料，所述双极化超薄a-t-a电磁超材料被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，所述正方形单元结构包括隔空气层平行正对的两块相同的介质基板，所述介质基板的一表面上沿x方向和y方向分别设有亮模谐振器单元，所述亮模谐振器单元包括相对在内侧的高频端电偶极子和相对在外侧的低频端电偶极子，另一表面上沿x方向和y方向分别设有暗模谐振器单元，所述暗模谐振器单元包括分别与所述高频端电偶极子和所述低频端电偶极子对应的高频端梳齿线圈和低频端梳齿线圈，沿x、y、z任一方向两块所述介质基板的谐振器分布均一致。
6.在其中一实施例中，所述介质基板上，沿x方向的所述亮模谐振器单元、所述暗模谐振器单元分别与沿y方向的所述亮模谐振器单元、所述暗模谐振器单元关于所述正方形单元结构的对角线对称分布。
7.在其中一实施例中，所述介质基板上，所述高频端电偶极子由间隔而设的两个高频端亮模振子组成，所述低频端电偶极子由间隔而设的两个低频端亮模振子组成。
8.在其中一实施例中，所述高频端亮模振子、所述低频端亮模振子均设计为矩形，矩形的所述低频端亮模振子的长度为2.5～3.5mm，宽度为0.3～1.5mm，相邻两个所述低频端亮模振子沿所述长度方向的间隔为0.2～1mm；矩形的所述高频端亮模振子的长度为1～3mm，宽度为0.2～1mm，相邻两个所述高频端亮模振子沿所述长度方向的间隔为0.2～
a超材料，是一款具有超低剖面和超宽通带易于共形的吸波-透波-吸波超材料，为实现具有宽带电磁透明、带外隐身的雷达通信系统异形天线罩提供了一个技术新途径。相应的，应用该双极化超薄a-t-a电磁超材料制作的天线罩和天线系统，可实现宽带电磁透明，带外吸波的电磁特性。
17.本发明的其他优点将在随后的具体实施方式部分结合附图予以详细说明。
附图说明
18.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.在附图中：
20.图1为本发明一种双极化超薄a-t-a电磁超材料一实施例的正方形单元结构侧视图；
21.图2为正方形单元结构的介质基板、亮模谐振器和暗模谐振器的结构示意图，该图中暗模谐振器上的集总电阻具体布置进行了省略，暗模谐振器的集总电阻具体布置方式详见图4；
22.图3为亮模谐振器的俯视图，其中，介质基板的边界用虚线表示；
23.图4为暗模谐振器的俯视图，其中，介质基板的边界用虚线表示；
24.图5为单个正方形单元结构中一介质基板与另一介质基板间的间距为2mm时，该正方形单元结构的传输/反射特性；
25.图6为单个正方形单元结构中一介质基板与另一介质基板间的间距为3mm时，该正方形单元结构的传输/反射特性。
26.附图标记说明：10介质基板，101亮模谐振器，1011低频端亮模振子，1012低频端亮模振子，1013低频端亮模振子，1014低频端亮模振子，1015高频端亮模振子，1016高频端亮模振子，1017高频端亮模振子，1018高频端亮模振子，102暗模谐振器，1021高频端梳齿线圈，10211内部梳齿结构，1022高频端梳齿线圈，10221内部梳齿结构，1023低频端梳齿线圈，10231内部梳齿结构，1024低频端梳齿线圈，10241内部梳齿结构，1031集总电阻，1032集总电阻，1033集总电阻，1034集总电阻，20介质基板，201亮模谐振器，202暗模谐振器。
具体实施方式
27.为进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明进行详细阐述，在附图中相同的参考标号表示相同的部件。
28.结合参阅图1～4，将双极化超薄a-t-a电磁超材料虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，本实施例中，正方形单元结构包括隔空气层平行正对且尺寸结构完全相同的非导电材料制成的介质基板10和介质基板20，沿x、y、z任一方向，介质基板10和介质基板20表面的谐振器分布均一致，正方形单元结构的二维平面尺寸为10mm*10mm。下面以介质基板10为例进行说明。
29.在本实施例中，介质基板10与介质基板20之间相隔2mm的空气间距，介质基板10的厚度为1mm，介质基板10上表面蚀刻出亮模谐振器101，下表面蚀刻出暗模谐振器102。本实施例中，介质基板厚度为综合考量吸/透波特性指标、整个结构的总重量、总剖面高度等因
素优化而得，2mm空气间距为根据透波性能和吸波性能的指标优化后的值，在不同的实施例中，两块介质基板之间的空气间距可根据透波性能和吸波性能的指标进行调整。
30.如图2～4所示，介质基板10上表面，沿y方向，蚀刻有高频端电偶极子和低频端电偶极子，低频端电偶极子由间隔而设的低频端亮模振子1011和低频端亮模振子1012组成，高频端电偶极子由间隔而设的高频端亮模振子1015和高频端亮模振子1016组成，高频端亮模振子1015和高频端亮模振子1016相对在内侧，低频端亮模振子1011和低频端亮模振子1012相对在外侧，将尺寸相对大的低频端亮模振子1011、1012布置在外侧，而尺寸相对小的高频端亮模振子1015、1016布置在外侧，可避免出现x方向和y方向的金属线圈容易短路的情况。同样，沿x方向，介质基板10在对应位置蚀刻有低频端亮模振子1013、低频端亮模振子1014、高频端亮模振子1017和高频端亮模振子1018，并且，低频端亮模振子1011、1012、1013、1014的形状尺寸一致，高频端亮模振子1015、1016、1017、1018的形状尺寸一致。低频端亮模振子1011、1012和高频端亮模振子1015、1016对应y方向的极化，低频端亮模振子1013、1014和高频端亮模振子1017、1018对应x方向的极化，上述8个亮模振子为金属微带亮模振子。
31.介质基板10下表面，沿x方向和y方向分别蚀刻有低频端梳齿线圈1021、高频端梳齿线圈1023和低频端梳齿线圈1022、高频端梳齿线圈1024，低频端梳齿线圈1021与低频端梳齿线圈1022形状尺寸一致，靠金属微带线直接相连，高频端梳齿线圈1023与高频端梳齿线圈1024形状尺寸一致，靠金属微带线直接相连。
32.在介质基板10上，低频端梳齿线圈1021与低频端亮模振子1011和低频端亮模振子1012组成的低频端电偶极子近似对齐，高频端梳齿线圈1023与高频端亮模振子1015和高频端亮模振子1016组成的高频端电偶极子近似对齐。并且，在介质基板10上，y方向上的低频端亮模振子1011、低频端亮模振子1012、高频端亮模振子1015、高频端亮模振子1016、低频端梳齿线圈1021、高频端梳齿线圈1023与x方向上的低频端亮模振子1013、低频端亮模振子1014、高频端亮模振子1018、高频端亮模振子1017、低频端梳齿线圈1022、高频端梳齿线圈1024关于正方形单元结构的对角线对称分布。
33.具体的，低频端亮模振子1011、1012、1013、1014和高频端亮模振子1015、1016、1017、1018均为矩形，低频端亮模振子1011、1012、1013、1014的长度为3mm，宽度为0.9mm，相邻两个低频端亮模振子的间隔为0.5mm；高频端亮模振子1015、1016、1017、1018长度为2mm，宽度为0.4mm，相邻两个高频端亮模振子的间隔为0.5mm。
34.如图2和图4所示，在介质基板10上，低频端梳齿线圈1021与低频端梳齿线圈1022形状尺寸一致，高频端梳齿线圈1023与高频端梳齿线圈1024形状尺寸一致，以高频端梳齿线圈1023为例，高频端梳齿线圈1023包括呈凸字形的外周线圈和分布在外周线圈的最长直边上的内部梳齿结构10231，其最长直边与正方形单元结构的边长平行，外周线圈朝靠近正方形单元结构中心的方向凸起，最长直边延伸至正方形单元结构的对角线处时不与对边连接，在正方形单元结构的对角线处，y方向的高频端梳齿线圈1023的最长直边的对边与x方向的高频端梳齿线圈1024的最长直边的对边通过金属微带线相连，y方向的高频端梳齿线圈1023的最长直边与x方向的高频端梳齿线圈1024的最长直边通过集总电阻1034相连；低频端梳齿线圈1021的形状与1023高频端梳齿线圈的形状相同，低频端梳齿线圈1021的外周线圈朝远离正方形单元结构中心的方向凸起，在正方形单元结构的对角线处，y方向的低频
端梳齿线圈1021的最长直边的对边与x方向的低频端梳齿线圈1022的最长直边的对边通过微带线相连，y方向的低频端梳齿线圈1021的最长直边与x方向的低频端梳齿线圈1022的最长直边通过集总电阻1031相连，并且，y方向的低频端梳齿线圈1021的内部梳齿结构10211与低频端梳齿线圈1021的最长直边之间连接一个集总电阻1032，x方向的低频端梳齿线圈1022的内部梳齿结构10221与低频端梳齿线圈1022的最长直边之间连接一个集总电阻1033。暗模谐振器102中，集总电阻按照吸波效率最高、电阻个数最少、成本最低的原则放置。
35.具体的，低频端梳齿线圈1021的最长直边的长度为8mm，从低频端梳齿线圈1021的最长直边到其对边的宽度为1mm，低频端梳齿线圈1021中的内部梳齿结构10211优化为三个，三个内部梳齿结构10211间隔分布，内部梳齿结构10211垂直于低频端梳齿线圈1021的最长直边，且内部梳齿结构10211的长度为0.6mm，宽度为0.5mm；高频端梳齿线圈1023的最长直边的长度为6mm，从高频端梳齿线圈1023的最长直边到其对边的宽度为0.8mm，高频端梳齿线圈1023中的内部梳齿结构10231优化为三个，三个内部梳齿结构10231间隔分布，内部梳齿结构10231垂直于高频端梳齿线圈1023的最长直边，且内部梳齿结构10231的长度为0.5mm，宽度为0.2mm。
36.在本实施例中，介质基板10的介电常数为2.8，损耗角为0.015，介质基板10表面的亮模谐振器101和暗模谐振器102设计为厚度在0.025mm的金箔。
37.在其他的实施例中，介质基板10表面的亮模谐振器101和暗模谐振器102还可以是厚度在0.017～0.035mm之间的银箔/铜箔。
38.图5为单个正方形单元结构中介质基板10与介质基板20间的间距为2mm时，该正方形单元结构的传输/反射特性，从图5中可看到，空气间距为2mm时，透波通带(s
11
≤-10db和s
21
≥-3db)为从14.6ghz到18.2ghz，绝对带宽为3.6ghz，相对带宽为21.9％；吸波频带(s
11
≤-10db和s
21
≤-10db)分别为从13.2ghz到14ghz，和从18.7ghz到19.4ghz。图6为单个正方形单元结构中介质基板10与介质基板20间的间距为3mm时，该正方形单元结构的传输/反射特性，从图6中可看到，空气间距为3mm时，透波通带为从14.9ghz到17.9ghz，绝对带宽为3ghz，相对带宽为18.2％。吸波频带分别为从12.5ghz到13.9ghz，和从18.8ghz到19.5ghz。基于此，以2mm空气间距作为最优值。
39.本发明提出的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其上的亮模谐振器是能被入射波直接激励的电偶极子激励模式，暗模谐振器是通过亮模谐振器和暗模谐振器之间的电磁耦合形成的，通过在暗模谐振结构上加载电阻来吸收电磁能量。在14.6ghz～18.2ghz频带内，实现绝对带宽为3.6ghz，相对带宽为21.9％的超宽通带，同时，分别从13.2ghz～14ghz和从18.7ghz～19.4ghz，出现两个吸波带宽近1ghz的吸波频带，同时具有吸波频带和透波频带，且透波频带的相对带宽达到21.9％，普遍优于其他a-t-a电磁超材料；并且，该超材料设计的厚度可低至3毫米，属于超薄型a-t-a超材料，是一款具有超低剖面和超宽通带易于共形的吸波-透波-吸波超材料，为实现具有宽带电磁透明、带外隐身的雷达通信系统异形天线罩提供了一个技术新途径。相应的，应用该双极化超薄a-t-a电磁超材料制作的天线罩和天线系统，可达到宽带电磁透明，带外吸波的电磁特性。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述双极化超薄a-t-a电磁超材料被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，所述正方形单元结构包括隔空气层平行正对的两块相同的介质基板，所述介质基板的一表面上沿x方向和y方向分别设有亮模谐振器单元，所述亮模谐振器单元包括相对在内侧的高频端电偶极子和相对在外侧的低频端电偶极子，另一表面上沿x方向和y方向分别设有暗模谐振器单元，所述暗模谐振器单元包括分别与所述高频端电偶极子和所述低频端电偶极子对应的高频端梳齿线圈和低频端梳齿线圈，沿x、y、z任一方向两块所述介质基板的谐振器分布均一致。2.如权利要求1所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述介质基板上，沿x方向的所述亮模谐振器单元、所述暗模谐振器单元分别与沿y方向的所述亮模谐振器单元、所述暗模谐振器单元关于所述正方形单元结构的对角线对称分布。3.如权利要求1所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述介质基板上，所述高频端电偶极子由间隔而设的两个高频端亮模振子组成，所述低频端电偶极子由间隔而设的两个低频端亮模振子组成。4.如权利要求3所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述高频端亮模振子、所述低频端亮模振子均设计为矩形，矩形的所述低频端亮模振子的长度为2.5～3.5mm，宽度为0.3～1.5mm，相邻两个所述低频端亮模振子沿所述长度方向的间隔为0.2～1mm；矩形的所述高频端亮模振子的长度为1～3mm，宽度为0.2～1mm，相邻两个所述高频端亮模振子沿所述长度方向的间隔为0.2～0.5mm。5.如权利要求1所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述介质基板上，所述高频端梳齿线圈包括呈凸字形的外周线圈和分布在所述外周线圈的最长直边上的内部梳齿结构，所述最长直边与所述正方形单元结构的边长平行，所述外周线圈朝靠近所述正方形单元结构中心的方向凸起，在所述对角线处，x方向的所述高频端梳齿线圈的最长直边的对边与y方向的所述高频端梳齿线圈的最长直边的对边通过微带线相连，所述高频端梳齿线圈的最长直边与y方向的所述高频端梳齿线圈的最长直边通过一个集总电阻连接；所述低频端梳齿线圈的形状与所述高频端梳齿线圈的形状相同，所述低频端梳齿线圈的外周线圈朝远离所述正方形单元结构中心的方向凸起，在所述对角线处，x方向的所述低频端梳齿线圈的最长直边的对边与y方向的所述低频端梳齿线圈的最长直边的对边通过微带线相连，x方向的所述低频端梳齿线圈的最长直边与y方向的所述低频端梳齿线圈的最长直边通过一个集总电阻连接，且所述低频端梳齿线圈的内部梳齿结构与所述低频端梳齿线圈的最长直边之间连接一个集总电阻。6.如权利要求5所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述低频端梳齿线圈的最长直边的长度为7～8mm，从所述低频端梳齿线圈的最长直边到其对边的宽度为0.5～1.5mm；所述高频端梳齿线圈的最长直边的长度为4～6mm，从所述高频端梳齿线圈的最长直边到其对边的宽度为0.5～1.2mm。7.如权利要求6所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述低频端梳齿线圈包括三个间隔分布的内部梳齿结构，该内部梳齿结构垂直于所述低频端梳齿线圈的最长直边，且内部梳齿结构的长度为0.3～0.8mm，宽度为0.2～1mm；所述高频端梳齿线圈包括三个间隔分布的内部梳齿结构，该内部梳齿结构垂直于所述高频端梳齿线圈的最长直边，且内部梳齿结构的长度为0.3～0.8mm，宽度为0.2～0.5mm。
8.如权利要求1-7任一项所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料，其特征在于，所述正方形结构单元的边长为8～12mm，所述介质基板的介电常数为2.2～4，损耗角为0.001～0.03，厚度为0.5～2mm，所述介质基板表面的所述亮模谐振器和所述暗模谐振器设计为厚度在0.017～0.035mm之间的金箔/银箔/铜箔。9.一种天线罩，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的双极化超薄a-t-a电磁超材料。10.一种天线系统，其特征在于，包括天线以及如权利要求9所述的天线罩，所述天线罩设于所述天线上。

技术总结
一种双极化超薄A-T-A电磁超材料及其天线罩、天线系统，将该电磁超材料虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，所述正方形单元结构包括隔空气层平行正对的两块相同的介质基板，所述介质基板的一表面上沿x方向和y方向分别设有亮模谐振器单元，所述亮模谐振器单元包括相对在内侧的高频端电偶极子和相对在外侧的低频端电偶极子，另一表面上沿x方向和y方向分别设有暗模谐振器单元，所述暗模谐振器单元包括分别与所述高频端电偶极子和所述低频端电偶极子对应的高频端梳齿线圈和低频端梳齿线圈，沿x、y、z任一方向两块所述介质基板的谐振器分布均一致。本发明同时具有吸波频带和透波频带，具有超低剖面、超宽通带、易于共形的优点。的优点。的优点。


技术研发人员：吴微微 史桐桐 马育红 颜雨晨 王少植 许逸轩 胡学溢 袁乃昌
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/24