[发明专利]P-S频段的超宽带吸波超构表面及低散射系统

说明书

提出一种P‑S频段的超宽带吸波超构表面单元，其由顶层、中间层、底层共三层介质板，两个空气层，顶层介质板上表面的“回”字形开口金属环及集总电阻，中间介质层上表面的“口”字型开口金属环及集总电阻，底层介质板上表面的“回”字形开口金属环及集总电阻，底层介质板下表面的金属地组成。再由上述超宽带吸波超构表面单元构成P‑S频段的超宽带吸波超构表面及低散射系统。超构表面通过介质损耗、介质损耗和结构谐振损耗能够实现0.5GHz‑2.5GHz范围的90％吸波率效果，在P‑S波段的相对带宽达到133.3％；以超宽带超构表面为基础，建立的低散射系统，与相同状态的金属系统相比较，在0.5‑2.5GHz范围也具有很好的RCS缩减效果。所提出的P‑S频段的超宽带吸波超构表面及低散射系统，在实际工程中具有重要的价值。

技术领域

本发明涉及吸波超构表面设计技术，具体涉及P-S频段的超宽带吸波超构表面及低散射系统应用。

背景技术

超构材料是指人工设计的具有自然界普通材料所不具备的超常物理特性的亚波长周期或非周期结构，其可工作频段包括微波频段、太赫兹频段以及光学频段等，现有的研究表明超构材料对电磁波、机械波和地震波等都有很好的调控作用。完美超构材料吸波体是指具有电磁波吸收功能的超构材料。2008年Landy等学者首次提出完美超构材料吸波体概念(N.I.Landy，S.Sajuyigbe，J.J.Mock，D.R.Smith，W.J.Padilla.Physical ReviewLetter，vol.100，no.20，pp.207402，2008)，其设计思想是通过设计优化超构材料的结构，调控单元的磁谐振和电谐振，在满足等效介电常数与等效磁导率相等的条件下，实现吸波体和自由空间的阻抗匹配即等效阻抗约为377欧姆，降低入射电磁波反射率和透射率，利用单元结构的欧姆损耗和介质损耗实现电磁波的强吸收，达到近100％吸收率。完美超构材料吸波体的最大优势在于能够在普通的超薄印刷电路板上实现电磁波的强吸收，但存在的问题是吸收带宽窄，电磁波吸收的半波功率带宽不足5％，难以满足实际应用的需求。为了改善吸波效果，学者们设计了各种类型的周期结构，并通过电阻加载、磁性材料、多层介质等方法拓展了完美超构材料吸波体的工作带宽，其设计吸波频带能够工作在微波、太赫兹和可见光等频段。文献“加载集总电阻的宽带极化不敏感超构表面吸波体”(Prakash Ranjan，Chetan Barde，Arvind Choubey，Rashmi Sinha，Santosh Kumar Mahto.SN AppliedSciences，Vol.2，pp：1061，2020)将集总电阻加载到单元金属的关键连接处，能够在4.68GHz至13.0GHz范围内实现80％吸波率的宽带吸波效果，相对吸波带宽为94.11％。文献“超薄超宽带超构材料吸波体及其等效电路参数检索方法”(José Bruno O.de Araújo，Glaucio L.Siqueira，Erich Kemptner，Maurício Weber，Cynthia Junqueira，MarbeyMosso.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，vol.68，no.2，pp.1134-1139，2020)通过在螺旋金属结构的斜缝隙蚀刻，形成多个电磁谐振，从而实现11.44GHz～20.00GHz范围内的90％吸波率。为拓展吸波带宽，湖南大学的相关学者(ZilongZhang，Lei Zhang，Xiqiao Chen，Zhuang Wu，Yaoyi He，Yangyang Lv，YanhongZou.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，vol.497，pp：166075，2020)通过磁性吸波材料的使用，实现从2.2GHz～9.5GHz的超宽带吸波频段，在该频段内由于磁性材料的高损耗特性获得90％的吸波率效果。为实现低频段的吸波，文献“基于弯曲线结构和电阻加载的紧凑型低频宽带微波超构材料吸收器(Qi Wang，Yongzhi Cheng.InternationalJournal of Electronics and Communications.vol.120，pp：153198，2020)”将增加空气层和集总电阻加载两种方法有机结合，以90％吸波率为标准实现从1.91GHz到4.24GHz范围内的超宽带吸波效果。华中科技大学的研究团队在文献“应用于超高频的超薄宽带有源频率选择表面吸收器”(Wenhua Xu，Yun He，Peng Kong，Jialin Li，Haibing Xu，Ling Miao，Shaowei Bie，Jianjun Jiang.Journal of Applied Physics，vol.118，no.18，pp：184903，2015)，通过变容二极管、集总电阻的加载以及蜂巢天线罩材料的使用，实现在0.7GHz～1.9GHz频段的可调控电磁波吸收，但整个频段内不能同时实现电磁波的吸收。总体来看低频段尤其P-S频段的超宽带吸波超构表面鲜有报道，但其在实际目标散射控制等领域具有重要的应用价值。