CN107317108B - 基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体 - Google Patents

基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，包括损耗层、无耗层和介质层，损耗层采用基于L型缝隙的螺旋表面为单元结构，无耗层采用方环缝隙为单元结构，介质层由两个介质基板和空气层组成。这种多层的结构配合薄膜电阻的使用构成了一个基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，优点如下：可以在吸收频段内开通一个传输窗口，使入射信号以很小的损耗通过，增强了信号传输的隐秘性；在保证结构的宽带特性的同时，实现了低剖面、双极化、低成本的设计。

Description

基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体
技术领域
本发明属于电磁防护领域，具体涉及一种基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体。
背景技术
在现代社会中，雷达大量应用于飞机、导弹、航海等领域，雷达罩的运用也日趋广泛。雷达天线罩用以保护天线，防止其受到雨雪等外界物理环境的干扰。此外，雷达隐身技术是当前隐身技术的研究重点之一，由雷达天线、天线罩及雷达舱内高频部件组成的雷达天线***是飞行器头部区域的一个强散射源，其隐身效果直接影响飞行器的隐身效果。雷达罩作为雷达***的重要组成部分，其性能好坏直接影响到雷达***的功能。雷达天线罩通常具有一定的频率选择功能，可以减少周围发射天线的干扰。
通常情况下，天线罩由带通滤波器构成，但是，带通滤波器的频率响应在通带外具有很强的反射特性，不利于通信的保密或目标物的隐身。为了改善带通滤波器这一缺点，人们将吸收体的概念引入，从而组合形成了有频率选择特性的吸收体。这一类对某些频段吸收而对其他频率透明的周期结构，称之为有窗口的吸收体，英文称为Rasorber，有时也称为有频率选择特性的吸收体(Frequency-Selective Rasorber，FSR)。这种频率选择吸收体实现了通信和隐身的双重功能，因此具有广阔的应用前景。
近几年来，有学者提出一些雷达天线罩吸收体，但是在低剖面和成本控制上都有待提高的空间。沈忠祥教授的团队在《Frequency-Selective Rasorber Based on Square-Loop and Cross-Dipole Arrays》(IEEE)提出了一种基于方环阵列和十字偶极子阵列的雷达天线罩吸收体，这种结构使用了较多的集总元件，并且尺寸较大，加工成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，在保证雷达天线罩吸收体的宽带特性的同时，解决了吸收体尺寸较大、成本较高等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，包括损耗层、无耗层和介质层，介质层包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板位于第二介质基板正上方，两者之间为空气，损耗层印制在第一介质基板顶面，无耗层印制在第二介质基板底面。
所述损耗层包括若干个损耗层周期单元，所述损耗层周期单元包括四组沿其中心点以90°角旋转放置的L型结构和八个薄膜电阻，所述L型结构包括两个平行间隔嵌套设置的L型金属条带，以任意一组L型结构为基础，第二组L型结构的起始端位于第一组内侧的L型金属条带上，依次类推，四组L型结构内侧的L型金属条带围成损耗层周期单元的中心正方形，其中四个薄膜电阻分别位于四组L型结构的内侧L型金属条带上，且位于下一组L型结构的起始端中心；另外四个薄膜电阻分别位于四组L型结构的外侧L型金属条带上，且位于本损耗层周期单元的边界临近转角处。
所述无耗层包括若干个无耗层周期单元，每个无耗层周期单元包括一个方形贴片和方环贴片，方形贴片位于方环贴片中心，两者之间存在间隙。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的雷达天线罩吸收体的厚度仅为0.077λL，单元周期尺寸为0.15λL(λL为雷达天线罩吸收体最低工作频率fL所对应的波长)，相比传统的雷达天线罩吸收体厚度和单元尺寸都减小了很多；(2)本发明的雷达天线罩吸收体的工作频段为1.79～5.13GHz，工作带宽96.5％，3dB传输频段为3.30～3.92GHz，带宽17.2％，当斜入射角达到30°时依然能有良好的性能，具有较宽的吸收频段和传输频段，以及稳定的斜入射特性；(3)本发明虽然由多层结构组成，但是损耗层是简单的金属贴片电路，配上薄膜电阻形成，无耗层则完全是简单的金属贴片电路，印制在第二介质基板上，没有复杂的工艺和图形，结构简单，加工容易，并且成本较低，重量较轻，适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体的损耗层结构示意图。
图2(a)本发明损耗层周期单元的结构平面图。
图2(b)为本发明基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体的单元结构的三维示意图。
图3(a)为本发明基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体的无耗层的结构示意图。
图3(b)为本发明的无耗层周期单元的平面图。
图4为本发明损耗层和无耗层的阻抗特性曲线图。
图5为本发明基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体的反射和传输特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1、图2(a)、图2(b)、图3(a)和图3(b)，本发明提出了一种基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，用于雷达天线罩的频率选择表面，以及用于电磁兼容和雷达吸波材料的电磁吸收电路，尤其是既有传输功能又能吸收传输带外电磁波的宽带、低剖面的雷达天线罩吸收体。
所述基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体包括损耗层、无耗层和介质层，介质层包括第一介质基板18和第二介质基板20，第一介质基板18位于第二介质基板20正上方，两者之间为空气19，损耗层印制在第一介质基板18顶面，无耗层印制在第二介质基板20底面。
所述损耗层包括若干个损耗层周期单元1，所述损耗层周期单元1包括四组沿其中心点以90°角旋转放置的L型结构和八个薄膜电阻(构成L型缝隙的螺旋表面)，其中每个L型结构由内侧L型金属条带和外侧L型金属条带平行嵌套构成，以任意一组L型结构为基础，第二组L型结构的起始端位于第一组内侧的L型金属条带上。所述的L型金属条带分别为第一L型金属条带2、第二L型金属条带3、第三L型金属条带4、第四L型金属条带5、第五L型金属条带6、第六L型金属条带7、第七L型金属条带8和第八L型金属条带9；所述的薄膜电阻分别为第一薄膜电阻10、第二薄膜电阻11、第三薄膜电阻12、第四薄膜电阻13、第五薄膜电阻14、第六薄膜电阻15、第七薄膜电阻16、第八薄膜电阻17。第一L型金属条带2与第二L型金属条带3构成一个基础的L型结构，其中第一L型金属条带2即为该L型结构的外侧金属条带，第二L型金属条带3即为该L型结构的内侧金属条带，由于损耗层周期单元1是由L型结构沿90°角旋转放置组成的，所以依次类推，第三L型金属条带4和第四L型金属条带5构成一个基础的L型结构，第五L型金属条带6和第六L型金属条带7构成一个基础的L型结构，第七L型金属条带8和第八L型金属条带9构成一个基础的L型结构。并且，第二L型金属条带3、第四L型金属条带5、第六L型金属条带7和第八L型金属条带9围成了损耗层周期单元1的中心正方形。第一薄膜电阻10加载在第一L型金属条带2上，且位于本损耗层周期单元1的边界临近转角处；同样的，第三薄膜电阻12加载在第三L型金属条带4上，且位于本损耗层周期单元1的边界临近转角处；第五薄膜电阻14加载在第五L型金属条上，且位于本损耗层周期单元1的边界临近转角处；第七薄膜电阻16加载在第七L型金属条带8上，且位于本损耗层周期单元1的边界临近转角处。第二薄膜电阻11加载在第二L型金属条带3上，且位于下一组L型结构的起始端中心；同样的，第四薄膜电阻13加载在第四L型金属条带5上，且位于下一组L型结构的起始端中心；第六薄膜电阻15加载在第六L型金属条带7上，且位于下一组L型结构的起始端中心；第八薄膜电阻17加载在第八L型金属条带9上，且位于下一组L型结构的起始端中心。
所述L型金属条带的宽度相同，均为0.003λL；位于内侧的L型金属条带长度为0.074λL+0.092，其中短边为围成中心正方形的一边；位于外侧的L型金属条带长度为0.092λL+0.108λL，其中短边为与内侧L型金属条带短边平行的一边；损耗层周期单元1尺寸为0.149λL；无耗层周期单元21尺寸为0.149λL，其中λL代表吸收体的最低工作频率fL对应的工作波长。
所述无耗层包括若干个无耗层周期单元21，每个无耗层周期单元21包括一个方形贴片22和方环贴片23，方形贴片22位于方环贴片23中心，两者之间存在间隙。所述方形贴片22的边长为18.1mm，电尺寸为0.108λL，方环贴片23的外侧边长为25mm，电尺寸为0.149λL，内侧边长为19.5mm，电尺寸为0.116λL，其中λL代表吸收体的最低工作频率fL对应的工作波长。
所述介质层包括第一介质基板18和第二介质基板20，第一介质基板18位于第二介质基板20正上方，两者之间为空气19，损耗层印制在第一介质基板18顶面，无耗层印制在第二介质基板20底面。所述第一介质基板18和第二介质基板20的介电常数εr均为2.2～10.2，厚度均为0.006λL。所述空气19等效的介电常数为1，厚度为0.07λL，其中λL代表吸收体的最低工作频率fL对应的工作波长。
极化方向沿着y方向，L型金属条带的长度控制着谐振频率。第一个谐振频率f1由第一薄膜电阻10、第二薄膜电阻11、第八薄膜电阻17为一组，第四薄膜电阻13、第五薄膜电阻14、第六薄膜电阻15为一组，两组共同实现第一个谐振频率f1。相邻两个周期单元中相邻贴片的距离为2mm。第二个谐振频率f2由第二L型金属条带3的长边和第三L型金属条带4的短边以及两者的连接部分为一组，第六金属条带7的长边和第八金属条带9的短边以及两者的连接部分为一组共同实现，由于薄膜电阻不参与该谐振，因此f2谐振应该只有很少的损耗。与第一个谐振频率f1类似，第三个谐振频率f3是由以第二薄膜电阻11、第三薄膜电阻12和第六薄膜电阻15、第七薄膜电阻16共同实现的，它与第一个谐振频率f1可看作是正交关系，但谐振长度比第一个谐振频率短。
本发明所述的基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体的制备方法，步骤如下：
步骤1、确定微波吸收体的第一介质基板18和第二介质基板20的参数，主要是选择介电常数ε1和厚度d1。基于吸收体的表面平整度和总重量的考虑，第一介质基板18和第二介质基板20均为聚四氟乙烯介质基板，其介电常数εr均为2.65，厚度均为1mm。
步骤2、在第一介质基板18和第二介质基板20之间填充空气19作为介质，其等效介电常数为1，厚度为11mm。
步骤3、第一介质基板18和第二介质基板20通过塑料螺丝连接并固定。
步骤4、在第一介质基板18顶面印刷损耗层的损耗层周期单元1，在第二介质基板20的底面印刷无耗层的无耗层周期单元21。两层频率选择表面的阻抗特性见图4，可知，在频率为2GHz左右，无耗层阻抗近似为0，有耗层阻抗较大，与自由空间进行匹配，实现吸收；在频率3.5GHz附近，无耗层和损耗层的阻抗都趋于无穷大，可令入射电磁波小损耗地通过；在频率5.2GHz附近，无耗层阻抗接近0，有耗层与自由空间匹配，实现吸收功能。
步骤5、第一薄膜电阻10、第三薄膜电阻12、第五薄膜电阻14、第七薄膜电阻16的阻值为150Ω。第二薄膜电阻12、第四薄膜电阻13、第六薄膜电阻15和第八薄膜电阻17的阻值为1KΩ。
该实例包含1*8个周期单元结构，整体的横截面尺寸为200mm*25mm，总厚度为13mm。经数值计算和实际测试，测试结果见图5，当电磁波垂直入射到样品上时，吸收体的工作频段为1.79～5.13GHz，带宽达到了96.5％，3dB传输频段为3.30～3.92GHz，带宽17.2％。另外，在传输频段内，3.62GHz处的插损最小，为-0.85dB。此时，雷达天线罩吸收体的厚度仅为0.077λL，单元周期尺寸为0.15λL，其中λL为低频所对应的波长。在保证雷达天线罩吸收体的宽带特性的同时，实现了低剖面的设计。
由上可知，本发明是为适应雷达天线罩吸收体实现通信和传输的双重功能的要求而设计，并且考虑到宽带、低剖面的要求，通过损耗层的多谐振表面实现较宽的带宽和较低的剖面。

Claims (6)

1.一种基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，其特征在于：包括损耗层、无耗层和介质层，介质层包括第一介质基板（18）和第二介质基板（20），第一介质基板（18）位于第二介质基板（20）正上方，两者之间为空气（19），损耗层印制在第一介质基板（18）顶面，无耗层印制在第二介质基板（20）底面；
所述损耗层包括若干个损耗层周期单元（1），所述损耗层周期单元（1）包括四组沿其中心点以90°角旋转放置的L型结构和八个薄膜电阻，所述L型结构包括两个平行间隔嵌套设置的L型金属条带，以任意一组L型结构为基础，第二组L型结构的起始端位于第一组内侧的L型金属条带上，依次类推，四组L型结构内侧的L型金属条带围成损耗层周期单元（1）的中心正方形，其中四个薄膜电阻分别位于四组L型结构的内侧L型金属条带上，且位于下一组L型结构的起始端中心；另外四个薄膜电阻分别位于四组L型结构的外侧L型金属条带上，且位于本损耗层周期单元（1）的边界临近转角处。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，其特征在于：所述L型金属条带的宽度相同，均为0.003λ L ；位于内侧的L型金属条带长度为0.074λ L +0.092，其中短边为围成中心正方形的一边；位于外侧的L型金属条带长度为0.092λ L +0.108λ L ，其中短边为与内侧L型金属条带短边平行的一边；损耗层周期单元（1）尺寸为0.149λ L ；无耗层周期单元（22）尺寸为0.149λ L ，其中λ L 代表吸收体的最低工作频率f L 对应的工作波长。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，其特征在于：所述无耗层包括若干个无耗层周期单元（21），每个无耗层周期单元（21）包括一个方形贴片（22）和方环贴片（23），方形贴片（22）位于方环贴片（23）中心，两者之间存在间隙。
4.根据权利要求3所述的基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，其特征在于：所述方形贴片（22）的边长为18.1mm，电尺寸为0.108λ L ，方环贴片（23）的外侧边长为25mm，电尺寸为0.149λ L ，内侧边长为19.5mm，电尺寸为0.116λ L ，其中λ L 代表吸收体的最低工作频率f L 对应的工作波长。
5.根据权利要求1所述的基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，其特征在于：所述第一介质基板（18）和第二介质基板（20）的介电常数ε r 均为2.2 ~ 10.2，厚度均为0.006λ L ，其中λ L 代表吸收体的最低工作频率f L 对应的工作波长。
6.根据权利要求1所述的基于螺旋结构的雷达天线罩吸收体，其特征在于：所述空气（19）等效的介电常数为1，厚度为0.07λ L ，其中λ L 代表吸收体的最低工作频率f L 对应的工作波长。
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