基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面及天线罩

1.本发明属于天线与天线罩技术领域，具体涉及基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面及天线罩。


背景技术：

2.频率选择表面(frequency selective surfaces,fsss)隐身天线罩通过带内透射带外反射实现电磁孔径的隐身设计，本质上属于外形隐身范畴。但是随着隐身技术和反隐身技术的进一步发展，隐身装备的隐身性能指标要求不断提高，需要在频率选择表面带外外形隐身基础上进一步改善带外隐身性能；另一方面，装备的部分电磁孔径的天线罩无法通过外形实现隐身，或者通过外形隐身无法达到隐身指标。例如，对于隐身大飞机(运输机、轰炸机等)和大型舰船来说，其外形可设计性有限，仅仅靠外形设计不足以实现隐身指标，尤其是机翼前缘和舰船桅杆等部位，需要设计新型的吸透一体频率选择表面(absorptive frequency selective surfaces,afsss)来吸收带外电磁波，进一步改善天线罩的带外隐身性能。目前，吸透一体频率选择表面主要通过传统频率选择表面与吸波材料复合设计实现，在传统频率选择表面的阻带内，频率选择表面作为吸波材料的反射背板，可以提高吸波材料的吸收效率；在通带内，由于频率选择表面高效的透波特性，通过优化频选与吸波单元结构降低吸波材料对电磁波的吸收效率，最终实现吸透一体频率选择表面。尽管如此，基于此机理设计实现的吸透一体频率选择表面天线罩难以有效兼顾带内透波性能和带外隐身性能。首先，频率选择表面的阻带抑制特性直接影响吸透一体频率选择表面的带外吸收性能；其次，吸透一体频率选择表面中吸波材料的引入不可避免地会影响其带内透波性能，尤其对于带通型吸透一体频率选择表面；另外，基于复合吸波材料实现的吸透一体频率选择表面的过渡带通常很宽，严重制约其工程应用。
3.超表面作为一种二维形式的超材料，可实现对电磁波的幅值、相位、极化、频率等基本特性自由调控，因此广泛应用于电磁波的传播与散射调控之中。
4.圆二色性是指生物化学手性分子对不同旋向的圆偏振光的差分吸收。同样，在微波频段可通过手性单元结构实现对不同旋向的圆极化波的差分吸收。利用圆二色性实现电磁波的吸收具有独特的优势：第一，采用亚波长尺度的超表面结构单元作为基本设计单元，基于手性单元的谐振实现吸收，因此可以设计超薄的高效吸波体；第二，圆二色性通过手性单元的圆交叉极化吸收实现，吸收频带可设计性强，吸收频带边缘陡峭；第三，通过圆二色性单元之间的耦合设计，可实现吸波体极化相关性的定制化设计；第四，圆二色性超表面通常采用印刷电路板技术和丝网印刷技术加工，技术成熟，加工精度高。


技术实现要素：

5.本发明提供基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面及天线罩，该吸透一体化频率选择表面通过带通型频率选择表面与圆二色性单元阵列复合设计实现，具有厚度薄、重量轻、过渡带窄、吸收频带可设计性强、极化相关性可定制、加工简单等优点。
6.本发明提供了一种基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，包括：
7.自上而下依次层叠的圆二色性单元层、介质基板层和频率选择表面层；
8.所述圆二色性单元层包括多个单元，每个单元由2
×
2的圆二色性单元阵列组成，所述圆二色性单元阵列通过在超薄的二维手性单元中加载电阻膜实现；
9.所述介质基板层为低损耗的介质基板；
10.频率选择表面层为低通高阻型、高通低阻型或带通型频率选择表面；
11.圆二色性单元层、介质基板层和频率选择表面层通过胶膜粘接，形成吸透一体化频率选择表面。
12.进一步地，所述2
×
2的圆二色性单元阵列中的四个圆二色性单元为同一种手性的圆二色性单元，四个圆二色性单元的面内方位角度分别为θ1，θ2，θ3，θ4，通过调控四个面内方位角度调节吸波性能。
13.进一步地，所述四个面内方位角度θ1＝0
°
，θ2＝90
°
，θ3＝180
°
，θ4＝270
°
时，2
×
2的圆二色性单元阵列组成c4对称的单元结构。
14.进一步地，所述圆二色性单元阵列中的圆二色性单元为加载电阻膜的双开口谐振环。
15.进一步地，所述双开口谐振环的两个开口大小不同，电阻膜加载在双开口谐振环的一个开口处，两个开口相对于双开口谐振环环心的夹角为90度，电阻膜的方阻取值范围为40ω/sq～500ω/sq。
16.进一步地，所述超薄的二维手性单元选用0.1mm的fr4介质，相对介电常数4.3，损耗角正切值0.025。
17.进一步地，所述介质基板为轻质的pmi泡沫，厚度5mm，相对介电常数1.1，损耗角正切值0.001。
18.进一步地，所述频率选择表面层采用低通高阻型频率选择表面，选用单层金属贴片阵列结构，其结构尺寸由工作频带决定。
19.进一步地，所述频率选择表面层选用介质基板为低损耗的f4b介质，相对介电常数2.65，损耗角正切值0.001，其厚度取值范围介于0.25mm-5mm的范围内。
20.一种天线罩，采用上述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面制成。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.本发明为有效兼容带内透波性能与带外吸收性能，通过带通型频率选择表面与圆二色性超表面单元阵列复合设计实现吸透一体化频率选择表面，利用圆二色性单元之间的耦合设计实现吸收频带极化相关性可定制化设计，带通型频率选择表面的带外抑制特性可极大提高吸透一体化频率选择表面的带外吸收效率，优化设计圆二色性单元使其工作频段完全位于带通型频选的阻带，可极大地降低圆二色单元对频选通带透波性能的影响，极大地压缩过渡带，这种基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面及天线罩，厚度薄、重量轻、过渡带窄、吸收频带可设计性强、极化相关性可定制、加工简单等优点。
23.本发明通过调节频率选择表面周期、圆二色性单元周期、泡沫介质基底材料厚度、电阻膜方阻值等，可以改变吸透一体频率选择超表面的工作频带、带宽、带外吸收等特性，通过调整圆二色性单元的空间方位角可以改变单元之间的耦合，进而实现带外吸收极化相关性的自由控制。
附图说明
24.图1为本发明设计的圆二色性吸-透一体化频率选择超表面单元结构视图及其仿真结果：其中a为圆二色性吸-透一体化频率选择超表面单元三维视图；b为圆二色性单元结构正视图；c、圆极化波垂直入射至带通型频率选择表面时的反射率与透射率仿真结果；d、圆二色性吸-透一体化频率选择超表面的反射率、透射率与吸收率仿真结果。
25.图2为本发明设计的超薄圆二色性超表面在圆极化波从两侧入射时的仿真结果。其中图a为圆极化波从正面入射示意图；图b为仿真得到的反射和透射系数的幅值；图c为反射和透射系数的相位；图d为吸收率；图e为圆极化波从背面入射示意图；图f为圆极化波从背面入射时的反射系数和透射系数幅值仿真结果；图g为反射和透射系数相位；图h为吸收率。
26.图3中左图为本发明设计的超薄极化无关c4对称结构单元正视图；图3中右图为线极化波入射时，极化无关吸-透一体化频率选择超表面的反射、透射和吸收率仿真结果。
27.图4为本发明极化无关吸收型频率选择表面的入射角度稳定性仿真结果。其中图a为x-极化波入射时的吸收谱仿真结果a(f,θ)，图中横坐标为频率f，纵坐标为入射角度θ；图b所示为y-极化入射时的吸收谱仿真结果a(f,θ)，图c所示为x-极化波入射时的透射率谱仿真结果txx2(f,θ)，图4d所示为y-极化波入射时的透射率谱仿真结果tyy2(f,θ)。
28.图5中图(a)所示为制备的极化无关吸透一体化频率选择超表面样品照片；图(b)所示为线极化波垂直入射时的透射率和吸收率测试结果。
具体实施方式
29.下面结合附图1-5，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
30.本发明首先提出了基于电阻膜结构加载的超薄圆二色性超表面设计思想。通过在平面手性单元中引入电阻膜结构增强手性单元的圆二色性。在此基础上提出了基于圆二色性单元的吸透一体化频率选择天线罩设计方法。它由传统的频率选择表面、泡沫夹芯材料和超薄的超表面损耗层组成，其中，超薄的超表面损耗层由2
×
2的二色性单元阵列组成。通过控制四个二色性单元的面内方位角度可实现吸透一体频率选择天线罩带外吸收极化相关性的自由调控。特殊地，如果四个二色性单元的面内方位角度完全一致，则可以实现圆二色性吸透一体化频率选择天线罩，在天线罩的带外吸收波段，一种旋向的圆极化入射波被完全吸收，而另一种旋向的圆极化入射波被高效反射为另一种旋向的圆极化波；如果四个二色性单元组成c4对称的单元阵列，即四个二色性单元的面内方位角度分别为0
°
，90
°
，180
°
和270
°
，则设计的吸透一体化天线罩具有极化无关的带外吸收性能。基于类法布里-珀罗谐振的透射型线极化转换超表面结构单元由三层金属结构和两层介质夹层构成。通过改变二色性单元的面内方位角度可以有效调控二色性单元之间的耦合作用，进而可实现其吸收极化相关性的自由调控。
31.进一步地，通过频率选择表面、泡沫介质基底和超薄的超表面损耗层的独立设计与一体化仿真优化即可实现吸透一体频率选择天线罩带内透波、带外吸收、吸收极化相关性的的定制化设计。
32.如图1所示，本发明实施例提供的一种基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面
天线罩，包括自上而下依次层叠的顶层圆二色性单元层、中间层介质基板层和底层频率选择表面层。顶层圆二色性单元阵列印制于0.1mm的超薄fr4介质层上，顶层圆二色性单元层与底层频率选择表面层之间为中间层介质基板层，所述顶层圆二色性单元层的每个单元由2
×
2的圆二色性单元阵列组成，其中的二色性单元通过在超薄的二维手性单元中加载电阻膜实现，四个圆二色性单元的面内方位角度分别为θ1，θ2，θ3，θ4，通过四个面内方位角度的调控即可实现其吸波性能极化相关性的定制化设计。
33.所述底层频率选择表面层可以根据具体需要设计为低通高阻型、高通低阻型或带通型频率选择特性，根据需要既可以是单层结构也可以是多层结构，本发明示例中为低通高阻型频率选择表面，为基于金属方贴片阵列的单层频率选择表面，频率选择表面单元周期可以与顶层圆二色性单元阵列层的周期一致，也可不一致，介质基板选用低损耗介质。在阻带频段，频率选择表面作为圆二色性阵列吸波层的反射背板。
34.所述中间介质基板层为低损耗的介质基板，三层结构通过胶膜粘接，形成吸透一体化频率选择表面。
35.所述圆二色性单元通过在金属手性单元结构中引入电阻膜实现，其中本示例中金属手性单元为双开口谐振环，两个开口的大小不一样，相对于金属环心的夹角为90度，在其中的一个开口处加载电阻膜，其方阻取值范围为40ω/sq～500ω/sq，圆二色性单元的结构参数取决于单元工作频带。
36.所述圆二色性单元阵列中，四个圆二色性单元的面内方位角度可以任意调控，四个面内方位角度θ1＝0
°
，θ2＝90
°
，θ3＝180
°
，θ4＝270
°
时，2
×
2的圆二色性单元阵列组成c4对称的单元结构，具有极化无关的吸波性能；通过调控四个方位角度可以实现圆二色性单元阵列层吸波性能极化相关性的定制化设计。另外，本发明示例为由双开口金属谐振环构成的二色性单元，但本发明提出的圆二色性单元形式不限于双开口谐振环结构，而是所有基于电阻膜加载的所有圆二色性手性单元。
37.所述频率选择表面的功能在于保证吸透一体化频率选择表面通带内的透波性能，过渡带特性等；同时在吸透一体化频率选择表面的吸波频段，频率选择表面作为圆二色性单元阵列吸波层的反射背板，具有较好的带阻性能。本发明示例中为低通高阻型频率选择表面，选用单层金属贴片阵列结构，其结构尺寸由工作频带决定。在基于圆二色性超构单元的吸透一体化频率选择表面设计中，可根据具体的吸透特性选用合适的频率选择表面结构形式和结构参数。
38.所述圆二色性单元阵列的介质基底选用0.1mm的fr4介质，相对介电常数4.3，损耗角正切值0.025，也可根据需要选用其他超薄的介质；所述频率选择表面的介质基板选用低损耗的f4b介质，相对介电常数2.65，损耗角正切值0.001，可以根据需要选用其它低损耗介质，厚度可根据工作频带和频率选择表面传输特性优化得到，其厚度取值范围介于0.25mm-5mm的范围内；顶层圆二色性单元阵列层与底层频率选择表面之间的介质层选用低损耗介质，本发明示例中选用轻质的pmi泡沫，厚度5mm，相对介电常数1.1，损耗角正切值0.001，结构参数根据工作频带确定，亦可选用其它低损耗介质。
39.如图1所示，为所述基于圆二色性单元的吸透一体化频率选择超表面天线罩的单元结构视图及其仿真结果。图1中a所示为其单元结构视图。从下至上依次为低通高反型频率选择表面、pmi泡沫介质基底、2
×
2的圆二色性单元阵列。低通高反型频率选择表面的介
质厚度为0.5mm，选用相对介电常数εr＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001的f4b介质，采用金属方贴片单元阵列，金属贴片边长11.5mm，单元周期13mm。频率选择表面结构参数可根据工作频带和通、阻带特性进行优化。如图1中b所示为圆二色性单元阵列正视图，圆二色性单元为加载电阻膜的双开口谐振环，电阻膜加载在其中的一个开口处，在本示例中，圆二色性单元周期6.5mm，恰好是频选单元结构周期的一半，也可根据需要独立设计；双开口谐振环外半径r＝2.9mm，线宽w＝0.25mm，未加载电阻膜的开口宽度s＝2.2mm,加载电阻膜的开口宽度s0＝3mm，两开口相对于环心的夹角等于90度，电阻膜的外半径3.0mm，内半径2.65mm，电阻膜方阻r＝60ω/sq。双开口谐振环的两个开口大小不同，因此，该双开口谐振环为平面手性单元，可以实现圆极化波入射时的高效交叉极化反射。在这里，从同一个方向(反射方向)定义所有入射、透射和反射电磁波的极化。图1中c所示为设计的低通高反型频率选择表面在圆极化波入射时的透射率和反射率仿真结果，在2.5ghz以下，透射率大于-2.5db，而在大于10ghz的宽带频率范围内，反射率大于-0.5db。图1中d所示为设计的圆二色性低通高吸型频率选择超表面天线罩的仿真结果。可以看出：在2.5ghz以下，透射率大于-2.5db，而在7.5-20ghz的宽带频率范围内，一种旋向的圆极化入射波被高效地吸收，吸收率大于80％，而另一种旋向的圆极化入射波被高效反射为另一种旋向的圆极化波，交叉极化反射效率同样大于80％。在二色性单元中，如果加载电阻膜的开口位于右侧，则吸收和极化转换的圆极化波旋向反转。
40.如图2所示，为所述超薄的2
×
2圆二色性单元阵列结构视图及其仿真结果。2
×
2的圆二色性单元阵列中的四个圆二色性单元为同一种手性的圆二色性单元，且四种圆二色性单元的面内方位角不同，图中所示的四种单元的方位角依次为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
，形成c4对称单元。图b和图c所示分别为圆极化波从正向入射时的反射和透射系数幅值和相位仿真结果，图d所示为圆极化波从正面入射时的吸收率仿真结果。图f和图g所示分别为圆极化波从反面入射时的反射和透射系数幅值和相位仿真结果。图h为圆极化波从反面入射时的吸收率仿真结果。可以看出：圆极化波从正面入射时，左旋入射波在宽带频率范围10-22ghz内的吸收率大于42％，接近理论吸收值50％；而右旋入射波在同一频带内高效地转换为左旋圆极化波，极化转换透射率和反射率均接近理论极限值25％。而当圆极化波从背面入射时，右旋入射波在同一波段被高效吸收，左旋入射波被转换为右旋圆极化波。
41.图3所示为设计的基于圆二色性单元的极化无关频率选择超表面天线罩结构正视图和仿真结果，其中左图所示为2
×
2的圆二色性单元阵列正视图，四个单元的面内方位角分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
，形成c4对称单元。右图所示为仿真结果，可以看出：2.5ghz以下，x-和y-极化波均高效透射，7.5ghz-20ghz的宽带频率范围内，x-、y-极化波的吸收率均大于80％，具有极化无关的吸收性能。通过调控四个二色性单元的面内方位角即可实现吸波性能极化相关性的定制化设计。
42.图4为本发明设计的基于圆二色性的极化无关吸收型频率选择表面的入射角度稳定性仿真结果。图a为x-极化波入射时的吸收谱仿真结果a(f,θ)，图中横坐标为频率f，纵坐标为入射角度θ；图b所示为y-极化入射时的吸收谱仿真结果a(f,θ)，图4c所示为x-极化波入射时的透射率谱仿真结果txx2(f,θ)，图d所示为y-极化波入射时的透射率谱仿真结果tyy2(f,θ)。可以看出：x-和y-极化波入射时的带外吸收率均具有较好的角度稳定性；x极化波入射时，低频透射率与入射角度无关，且透波带宽随入射角度增大而拓宽，y-极化波入射
时，低频透射率与入射角度有关，随着入射角度逐渐增大，透射率逐渐降低，且透波带宽逐渐变窄。
43.如图5中图(a)所示为制备的基于圆二色性单元的极化无关吸透一体化频率选择超表面样品照片，图(b)所示为制备的极化无关吸透一体化频率选择超表面样品在线极化波垂直入射时的透射率和吸收率测试结果。基于圆二色性单元的极化无关吸透一体化频率选择超表面样品通过印制电路板技术和丝网印刷技术制备，频率选择表面和超表面双开口谐振环阵列通过印制电路板技术加工，开口处的电阻膜通过丝网印刷技术加工。从测试结果可以看出：测试结果与仿真结果基本一致。
44.本发明的基于圆二色性单元的吸透一体化频率选择天线罩由传统的频率选择表面、泡沫介质基底和由2
×
2的二色性单元阵列组成的超表面损耗层组成。其中的二色性单元通过在超薄的二维手性单元中加载电阻膜实现。基于圆二色性的吸透一体化频率选择天线罩采用印刷电路板技术和丝网印刷技术制成，平面结构、面密度小，工艺简单。
45.本发明的基于圆二色性的吸透一体化频率选择，具有设计灵活、制备简单、透波与吸收过渡带陡峭，带外吸收极化相关性可定制等优化，具有重要的工程应用价值。
46.发明的基于圆二色性的吸透一体化频率选择超表面，通过调节频率选择表面周期、圆二色性单元周期、泡沫介质基底材料厚度、电阻膜方阻值等，可以改变吸透一体频率选择超表面的工作频带、带宽、带外吸收等特性，通过调整圆二色性单元的空间方位角可以改变单元之间的耦合，进而实现带外吸收极化相关性的自由控制。
47.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，包括：自上而下依次层叠的圆二色性单元层、介质基板层和频率选择表面层；所述圆二色性单元层包括多个单元，每个单元由2
×
2的圆二色性单元阵列组成，所述圆二色性单元阵列通过在超薄的二维手性单元中加载电阻膜实现；所述介质基板层为低损耗的介质基板；频率选择表面层为低通高阻型、高通低阻型或带通型频率选择表面；圆二色性单元层、介质基板层和频率选择表面层通过胶膜粘接，形成吸透一体化频率选择表面。2.如权利要求1所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述2
×
2的圆二色性单元阵列中的四个圆二色性单元为同一种手性的圆二色性单元，四个圆二色性单元的面内方位角度分别为θ1，θ2，θ3，θ4，通过调控四个面内方位角度调节吸波性能。3.如权利要求2所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述四个面内方位角度θ1＝0
°
，θ2＝90
°
，θ3＝180
°
，θ4＝270
°
时，2
×
2的圆二色性单元阵列组成c4对称的单元结构。4.如权利要求1所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述圆二色性单元阵列中的圆二色性单元为加载电阻膜的双开口谐振环。5.如权利要求4所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面天线罩，其特征在于，所述双开口谐振环的两个开口大小不同，电阻膜加载在双开口谐振环的一个开口处，两个开口相对于双开口谐振环环心的夹角为90度，电阻膜的方阻取值范围为40ω/sq～500ω/sq。6.如权利要求1所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述超薄的二维手性单元选用0.1mm的fr4介质，相对介电常数4.3，损耗角正切值0.025。7.如权利要求1所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述介质基板为轻质的pmi泡沫，厚度5mm，相对介电常数1.1，损耗角正切值0.001。8.如权利要求1所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面层采用低通高阻型频率选择表面，选用单层金属贴片阵列结构，其结构尺寸由工作频带决定。9.如权利要求1所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面层选用介质基板为低损耗的f4b介质，相对介电常数2.65，损耗角正切值0.001，其厚度取值范围介于0.25mm-5mm的范围内。10.一种天线罩，采用如权利要求1-9任一权利要求所述的基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面制成。

技术总结
本发明涉及天线与天线罩技术领域，公开了一种基于圆二色性的吸透一体化频率选择表面及天线罩，包括：自上而下依次层叠的圆二色性单元层、介质基板层和频率选择表面层；所述圆二色性单元层包括多个单元，每个单元由2


技术研发人员：李勇峰 屈绍波 张介秋 王甲富 陈红雅 闫明宝 郑麟
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/5/25