本發(fā)明屬于材料和天線罩技術領域，具體涉及一種X/K波段復合超材料及天線罩和天線陣一體化結構。

背景技術：
超材料是一種人工合成材料，通過將亞波長單元結構周期性排列在介質基板的表面或嵌入介質基板內部來改變介質基板的電磁特性。當電磁波照射超材料時，不同的亞波長單元結構可使介質基板產(chǎn)生不同的等效介電常數(shù)和等效磁導率，從而對電磁波產(chǎn)生不同的操控功能。亞波長單元結構可以由附著在非導電介質基板上的金屬箔、電阻薄膜、和磁性材料等實現(xiàn)。一方面，介質基板上周期性排布的具有幾何圖形的金屬箔結構可以實現(xiàn)頻率選擇的濾波功能。另一方面，可通過在介質基板下表面全部敷上金屬箔，其上表面制作出周期性排布或非周期性的電阻薄膜或磁性材料結構來實現(xiàn)吸波功能。將具有頻率選擇功能的超材料應用于天線罩上，可提高天線罩‐天線陣一體化結構的輻射性能。但由于頻率選擇超材料中有金屬結構，不利于天線罩‐天線陣一體化結構的雷達散射截面(RCS)的縮減。一般通過改變天線罩外形結構或尺寸來達到縮減一體化結構RCS的作用。將具有吸波功能的超材料應用于天線罩上，可以吸收入射電磁波，縮減天線罩‐天線陣一體化結構的RCS，實現(xiàn)隱身的目的。但應避免吸波材料結構影響透波頻帶內天線罩‐天線陣一體化結構的輻射性能。目前，已有將頻率選擇材料和吸波材料復合的超材料用于天線罩領域。但這類復合超材料均是在C波段以下一個較窄的頻帶內具有透波特性，在C波段以上實現(xiàn)吸波特性。在實際工程應用中，有需要在頻帶高端實現(xiàn)透波，在頻帶低端實現(xiàn)吸波的切實需求。目前，國內外還沒有文獻顯示已有發(fā)明創(chuàng)新填補了這項技術空白。

技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有復合超材料技術的僅在頻帶低端的一個較窄頻帶(低于C波段)內具有透波特性，在頻帶高端(高于C波段)具有吸波特性的缺陷，提供一種X/K波段復合超材料。本發(fā)明解決上述技術問題基本思路：構造一種復合超材料，包括一塊非導材料制成的電介質基板，頻率選擇超材料層和吸波超材料層。兩層超材料均以同一塊介質基板為襯底，分別附著在介質基板的上下表面上。功能不同的兩層超材料片層分別由各自的多個單元結構周期性排布而成，由該復合超材料制作的天線罩可以在K波段實現(xiàn)透波性能，在X波段實現(xiàn)吸波性能。具體技術方案：本發(fā)明提出一種X/K波段復合超材料，包括非導電材料制成的介質基板103，所述介質基板下表面附著的金屬箔層和所述介質基板上表面附著的電阻薄膜層，所述介質基板、金屬箔層和電阻薄膜層被虛擬地劃分為多個周期性排布的單元結構102；在所述單元結構102的金屬箔層上蝕刻出一個正方形金屬箔104；在所述單元結構的電阻薄膜層上濺射出一個正方形環(huán)狀電阻薄膜106；在所述正方形金屬箔104上鏤空有兩條大小相同且相互垂直的縫隙105。進一步地，所述單元結構102為正方形，邊長為6mm。進一步地，所述正方形金屬箔104的長和寬均為5.5mm。進一步地，所述縫隙105的中心點與所述正方形金屬箔104的中心點重合，所述縫隙105的長度方向分別與正方形兩條對角線方向重合。進一步地，所述縫隙105的長為5.2mm，寬為0.5mm；所述正方形環(huán)狀電阻薄膜的外邊長為5.2mm和內邊長為4.4mm。進一步地，所述介質基板的厚度為4.3mm，所述金屬箔層的厚度為0.018mm，所述電阻薄膜層的厚度為0.018mm。進一步地，所述介質基板采用高頻微波板材制得；所述金屬箔層為金箔或銀箔或銅箔。進一步地，所述正方形環(huán)狀電阻薄膜104的表面電阻率為50歐姆/平方。本發(fā)明還公開了一種天線罩，其包括上述的X/K波段復合超材料,用于罩設在天線系統(tǒng)上，本發(fā)明還公開了一種天線罩-天線陣一體化結構，其包括上述的天線罩以及圓極化微帶貼片天線陣，所述天線罩與所述圓極化微帶貼片天線陣相對設置，天線罩上的金屬箔層與天線陣上的微帶貼片天線層相對，間距大于一個自由空間波長，通過介質棒固定連接，所述圓極化微帶貼片天線陣的構造可以采用本領域內的通用結構。采用本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明中X/K波段復合超材料中頻率選擇表面結構能使圓極化微帶貼片天線陣在K波段保持良好的輻射特性，能自由通信；同時，在X波段，復合超材料中吸波材料結構能吸收入射到天線罩‐天線陣一體化結構的電磁來波，降低該一體化結構的RCS，達到隱身目的。附圖說明圖1是本發(fā)明中X/K波段復合超材料的剖面結構示意圖；圖2是本發(fā)明中X/K波段復合超材料介質基板下表面上的正方形金屬箔結構示意圖；圖3是本發(fā)明中X/K波段復合超材料介質基板上表面上的正方形環(huán)狀電阻薄膜結構示意圖；圖4是本發(fā)明中的圓極化微帶貼片天線陣結構示意圖；圖5本發(fā)明中天線罩‐天線陣一體化結構；圖6本發(fā)明中當TE波沿‐z方向照射X/K波段復合超材料單元結構時，單元結構的透射/反射系數(shù)(T/Rcoefficients)隨頻率(Freq)變化示意圖(入射波為‐z方向，即來波從電阻薄膜層到金屬箔層方向傳播)；圖7本發(fā)明中當TE波沿+z方向照射X/K波段復合超材料單元結構時，單元結構的透射/反射系數(shù)隨頻率變化示意圖(入射波為+z方向，即來波從金屬箔層到電阻薄膜層方向傳播)；圖8本發(fā)明中當TM波沿‐z方向照射X/K波段復合超材料單元結構時，單元結構的透射/反射系數(shù)隨頻率變化示意圖(入射波為‐z方向，即來波從電阻薄膜層到金屬箔層方向傳播)；圖9本發(fā)明中當TM波沿+z方向照射X/K波段復合超材料單元結構時，單元結構的透射/反射系數(shù)隨頻率變化示意圖(入射波為+z方向，即來波從金屬箔層到電阻薄膜層方向傳播)；圖10是在K波段，不帶天線罩的天線陣與本發(fā)明天線罩‐天線陣一體化結構的增益(Gain)隨頻率變化的對比示意圖；圖11是在K波段，不帶天線罩的天線陣與本發(fā)明天線罩‐天線陣一體化結構的軸比(AR)隨頻率變化的對比示意圖；圖12是在21GHz處，不帶天線罩的天線陣與本發(fā)明天線罩‐天線陣一體化結構的輻射方向圖(E面和H面)對比示意圖；圖13是在X波段，當入射平面電磁波沿‐z方向分別照射不帶罩天線陣與本發(fā)明天線罩‐天線陣一體化結構時，它們的單站RCS(MonostaticRCS)隨頻率變化的對比示意圖；圖14是在10GHz頻率點上，當入射平面電磁波沿‐z方向分別照射不帶罩天線陣與本發(fā)明的天線罩‐天線陣一體化結構時，二者在E面和H面上的雙站RCS(BistaticRCS)對比示意圖。圖1至圖14中，x、y、z表示坐標軸，由三個坐標軸組成的坐標系。具體實施方式下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明提供了一種X/K波段復合超材料100，如圖1所示，包括非導電材料制成的介質基板103，所述介質基板下表面附著的金屬箔層和所述介質基板上表面附著的電阻薄膜層，所述介質基板、金屬箔層和電阻薄膜層被虛擬地劃分為多個周期性排布的單元結構102；在所述單元結構102的金屬箔層上蝕刻出一個正方形金屬箔104；在所述單元結構的電阻薄膜層上濺射出一個正方形環(huán)狀電阻薄膜106；在所述正方形金屬箔104上鏤空有兩條大小相同且相互垂直的縫隙105。其中，在含有正方形金屬箔104和正方形環(huán)狀電阻薄膜106的介質基板103上下表面可以再分別涂一層相對介電常數(shù)為3.4，介電損耗為0.02～0.03，厚度為15～20μm的阻焊層以保護單元結構。非導電材料可以有多種選擇，可以采用如玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4，聚四氟乙烯PTFE，ABS(AcrylonitrileButadieneStyrene)，Rogers公司的RT/duroid5880和6002系列板材，Arlon公司的CLTE及CLTE-XT等介質基板。當選擇不同的超材料介質基板時，金屬箔和電阻薄膜的結構尺寸參數(shù)需做適當?shù)恼{整，以使復合超材料在特定頻帶達到較好的電磁性能。每一個單元結構102包括超材料介質基板103，一個正方形金屬箔104，和一個正方形環(huán)狀電阻薄膜106。一個正方形金屬箔104和所對應的一個正方形環(huán)狀電阻薄膜106的中心點在XOY平面坐標位置相同。本實施例中，每個單元結構102的長和寬均為6mm。介質基板采用相對介電常數(shù)為2.94，介電損耗為0.0012的高頻微波板材CLTE-XT制得，厚度為4.3mm。如圖2所示，X/K波段復合超材料介質基板下表面上的正方形金屬箔的結構示意圖。超材料介質基板103總的長和寬均為62mm，即：7個單元結構大小加20mm。留出的20mm有利于加工超材料螺紋孔107，如圖5所示，便于組裝實現(xiàn)天線罩-天線陣一體化結構300。在超材料介質基板103下表面上附著有正方形金屬箔104。每個正方形金屬箔104上鏤空有縫隙105。正方形金屬箔104可以是金箔，銀箔或銅箔，本實施例中，采用銅箔，厚度為0.018mm，邊長為5.5mm?？p隙105的長為5.2mm、寬為0.5mm。超材料螺紋孔107用于插入帶螺紋的介質棒301以固定天線罩101和天線陣200的相對位置，實現(xiàn)天線罩-天線陣一體化結構300。螺紋孔107的尺寸為小螺紋孔1072直徑為4mm～6mm，大螺紋孔1071直徑為6mm～8mm。設置大螺紋孔1071和小螺紋孔1072的目的是為了便于固定介質棒301。如圖3所示，X/K波段復合超材料介質基板上表面的正方形環(huán)狀電阻薄膜結構示意圖。正方形環(huán)狀電阻薄膜106需要和超材料介質基板103下表面的正方形金屬箔104對應結合在一起才能起到吸波作用，正方形環(huán)狀電阻薄膜106的外邊長為5.2mm，內邊長為4.4mm。正方形環(huán)狀電阻薄膜106的表面電阻率為50歐姆/平方。如圖4所示，本發(fā)明中設計了一個具有16個微帶貼片單元203的圓極化微帶貼片天線陣200。該天線陣200的天線陣介質基板204可選用相對介電常數(shù)為2.2～2.94，介電損耗不超過0.005，厚度為0.5～2mm的高頻微波板材，本發(fā)明對此不作限制，可以采用現(xiàn)有技術中的介質基板。天線陣上的介質基板204與本發(fā)明中的介質基板103的尺寸大小一致。同軸線通過天線陣介質基板204上的通孔201穿過天線陣介質基板204，并與微帶線202焊接在一起對天線陣200進行饋電。天線陣螺紋孔205用于插入介質棒301實現(xiàn)天線罩‐天線陣一體化結構300。如圖5所示，本發(fā)明中的天線罩‐天線陣一體化結構300。天線罩101與天線陣200之間的間距大于一個自由空間波長。該波長對應透波頻帶的中心頻點。本發(fā)明中間距為20mm。天線罩101上的金屬箔層與天線陣200的微帶貼片天線203層相對。圖6至圖14是通過全波高頻仿真軟件HFSS進行仿真實驗后得到的圖形數(shù)據(jù)的對比，對本發(fā)明的有益效果進行說明。如圖6所示，當TE波沿‐z方向照射一個復合超材料單元結構時，該單元結構產(chǎn)生的隨頻率(Freq)變化的透射/反射特性，用透射/反射系數(shù)(T/Rcoefficients)表示。在此方向上，電磁波先經(jīng)過電阻薄膜再經(jīng)過金屬箔。在研究一個X/K波段復合超材料單元結構時，其邊界條件和激勵與傳統(tǒng)研究頻率選擇表面單元結構的方式一致：將邊界條件設置為周期邊界條件和將激勵設置為Floquet端口激勵模式。從圖中可以看出透波頻帶在K波段內，中心頻點為21GHz。在該頻點附近1GHz的頻帶內S21≈‐2.5dB。吸波頻帶為X波段中9.5～12GHz頻帶內。如圖7所示，當TE波沿+z方向照射一個復合超材料單元結構時，即電磁波先經(jīng)過金屬箔再經(jīng)過電阻薄膜，該單元結構產(chǎn)生的隨頻率變化的透射/反射特性。從圖中可以看出透波頻帶性能不變，但吸波頻帶消失。如圖8所示，當TM波沿‐z方向照射復合超材料單元結構時，該單元結構產(chǎn)生的隨頻率變化的透射/反射特性。如圖9所示，當TM波沿+z方向照射復合超材料單元結構時，該單元結構產(chǎn)生的隨頻率變化的透射/反射特性。圖6與圖8相比以及圖7與圖9相比，可以看出：在整個頻段內，無論TE波照射還是TM波照射該單元結構，其透射/反射特性基本保持一致，可以看出該單元結構對電磁波的極化不敏感。如圖10所示，在K波段，不帶天線罩的天線陣與本發(fā)明中的天線罩‐天線陣一體化結構300的增益(Gain)隨頻率變化的對比示意圖。從圖中可以看出，X/K波段復合超材料天線罩101在K波段的低端頻帶內對天線陣200有較大影響。在中心頻點21GHz附近1GHz頻帶范圍內，對天線陣200的增益改變僅為0.5～1dB。而微帶貼片天線屬于一種諧振式天線，其頻帶較窄僅為0.6％～3％。因此，該復合超材料天線罩101能在微帶貼片天線工作頻段內發(fā)揮良好作用。圖11示出了在K波段，不帶天線罩101的天線陣200與本發(fā)明中的天線罩‐天線陣一體化結構300的軸比(AR)隨頻率變化的對比情況。圖中可以看到在中心頻點21GHz上，天線罩101給天線陣200帶來的影響是使天線陣200的軸比增大了0.6dB。在中心頻點21GHz附近的1GHz頻帶上，天線罩101使天線陣200的軸比增大了0.6dB～1dB。圖12示出了在21GHz頻點上和在極坐標下兩個主平面(E平面和H平面)上，不帶天線罩101的天線陣200和本發(fā)明中的天線罩‐天線陣一體化結構300的輻射方向圖對比圖。由此圖可以看出X/K波段復合超材料天線罩101對天線陣200的方向圖影響很小，在主瓣方向其增益相差0.7dB。在透波頻帶內，雖然天線罩101因正方形環(huán)狀電阻薄膜的吸波特性導致其插損大于無電阻薄膜結構的普通頻率選擇表面超材料天線罩的插損，但是天線罩101的介質基板較厚，足以起到聚束作用，以彌補正方形環(huán)狀電阻薄膜的吸波作用。故當帶正方形環(huán)狀電阻薄膜的X/K波段復合超材料制成天線罩時，對天線陣的輻射性能改變很小。圖13示出了在X波段，當入射平面電磁波沿‐z方向分別照射不帶罩天線陣200與本發(fā)明中的天線罩‐天線陣一體化結構300時，它們的單站RCS(MonostaticRCS)隨頻率變化的對比情況?？梢钥匆?，在X波段內吸波材料發(fā)揮了較大作用，在中心頻點10GHz附近將近2GHz的頻帶范圍內，使單站RCS縮減了1～9dB。在8GHz處，使天線陣200的單站RCS縮小程度最大，達到11dB。圖14示出在10GHz頻率點上，當入射平面電磁波沿‐z方向分別照射不帶罩天線陣200與本發(fā)明中的天線罩‐天線陣一體化結構300時，二者的雙站RCS(BistaticRCS)對比情況。每種結構的雙站RCS特性分別通過極坐標軸下的E面和H面雙站RCS曲線來展現(xiàn)?？梢钥吹皆谔炀€陣200的法線方向，迎著入射平面電磁波照射的方向，天線罩101使天線陣200的雙站RCS縮減了8dB，使天線陣200很好地達到了隱身的目的，切實滿足了實際工程需要。進一步地，應當指出，本發(fā)明并不局限于以上特定實施例，本領域技術人員可以在權利要求的保護范圍內做出任何變形或改進，均落在本發(fā)明的保護范圍之內。