[发明专利]基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用，设计了一款具有吸波/透波双重特性的超表面，吸波/透波双重特性的超表面由三部分组成：顶部为氮化钽MA结构，中部为介电常数2.2的Teflon介质板，底部为带通型FSS，并将其用于微带天线的覆层。作为天线覆层的超表面为双层结构，分别由氮化钽周期结构以及频率选择表面结构构成并分置于介质板的两侧。最终数据结果表明，使用本发明所设计的吸波/透波超表面作为天线覆层时，天线的辐射特性几乎未发生变化。而天线的单站RCS最大减缩量可达20dB以上，减缩带宽可达5GHz‑19GHz。同时，天线的单、双站RCS在较宽的角度范围内也得到明显的缩减。

技术领域

本发明属于隐身技术领域，具体地说，涉及一种基于氮化钽材料的吸波/透波超表面的设计方法及其应用。

背景技术

随着雷达探测以及各国反导、反舰等系统的愈发成熟，隐身技术的研发对于各类武器系统的生存能力影响越来越大。隐身技术的一个重要指标就是雷达截面(Radar CrossSection，RCS)^[1]，雷达截面是指目标物体被电磁波照射时，在某一方向上返回散射功率的量度，它是表征物体散射特性的重要指标。雷达截面与目标本身的结构参数有关，也与入射波的电磁基本特性如：频率、极化、入射角等相关。而天线作为一种特殊的散射体，由于其本身具有发射和接收电磁波的能力。而为了保证自身良好的辐射性能，常规的目标隐身方式无法直接用于天线的RCS减缩。同时，由于目前目标平台的散射控制技术已经非常成熟，相比于目标平台，置于其中的天线RCS问题也就逐渐凸显。这也使得天线的雷达截面水平成为影响目标平台整体隐身性能好坏的一个重要因素。

目前，RCS减缩的主要手段一般包括外形设计、涂敷吸波材料、有源及无源对消等^[2-4]。与此同时，针对天线RCS减缩的特殊性，超材料技术逐渐被引入至天线RCS减缩中^[5-9]。现有文献中已大量报道了将超材料用于天线的RCS减缩之中，常见的用于天线RCS减缩的超材料有频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)，电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap，EBG)，超材料吸波体(Metamaterials absorber，MA)等。FSS结构常被用于天线的反射板来降低天线的RCS，而这种方式一般用于需要安装反射板的天线RCS减缩，有明显的局限性^[10]。而将EBG结构用于天线RCS减缩时，由于EBG本身带宽的限制，RCS减缩的频带范围较窄^[11]。与此同时，超材料吸波体也就是结构型吸波材料越来越多的被用于天线的RCS减缩中。然而，一般的MA结构用于天线的RCS减缩主要是将MA置于天线的四周，或置于阵列天线单元之间。这种方式无疑会严重的增加天线系统的整体尺寸且会影响天线的辐射特性^[12]。同时，MA结构的吸波带宽也是限制它在天线RCS减缩当中进一步应用的一个阻碍因素。

为此，有国外学者提出将氮化钽材料用于MA结构的设计当中，将传统MA结构中的周期性金属贴片用氮化钽材料置换，利用氮化钽材料的半导体特性，可以极大的增加MA结构的吸波带宽^[13]。文献[13]采用了一种基于氮化钽材料的宽频带吸波材料，并将这种结构用于微带缝隙天线的RCS减缩中，使得天线的单站RCS在2-18GHz的超宽频带范围内均有明显的减缩。文献[14]也将这种具有阻抗特性材料作为单元的MA结构用于微带贴片天线的RCS减缩，最终减缩带宽可达4-22GHz。尽管如此，这种手段解决了MA结构的宽频吸波问题，但是这种方法对于天线的增益也会造成巨大的损失，如文献[14]中天线的增益下降了1dB。

发明内容