CN107508017A - 一种带吸型宽带频率选择结构及其应用 - Google Patents

一种带吸型宽带频率选择结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带吸型宽带频率选择结构及其应用。传统的吸波性频率选择结构基于两个或多个二维阵列平面级联的方式，通带窄并且***损耗大，吸波性能不够优异。本发明采用单金属环吸波周期平面与三维带阻周期结构相结合的方式，搭建出三维宽带吸波性频率选择结构，能够实现通带内低***损耗，低频宽通带，高频宽吸波带。

Description

一种带吸型宽带频率选择结构及其应用
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种宽带吸波性频率选择结构，可作为低频段(VHF/UHF)天线的隐身天线罩,其潜在的应用场景包括军舰的综合通信桅杆等。
背景技术
在当前的军事应用中，各类作战平台对于隐身性能的要求越来越高。天线作为电子对战***中的重要组成部分，其对雷达散射截面的贡献巨大。因此天线的雷达散射面积的缩减对整个平台隐身新能的提高起到决定性作用。在各种天线雷达散射面积缩减的方法中，频率选择表面天线罩是一种比较新颖的解决方案。
频率选择表面作为一种空间滤波器，其本身不能吸收电磁波，只是对不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择的特性。因此作为天线罩使用时，它是通过形状的变化使得雷达的反射波偏离入射方向，从而减小RCS。然而，这样缩减的仅仅是单站(monostatic)RCS。对于双站(bistatic)RCS的缩减，最终的解决办法还是将入射波吸收掉。理想中的天线罩，在工作频段内对电磁波透明，并将工作频带外的入射波全部吸收，以此达到减小天线雷达散射面积的目的。这种同时具备频率选择滤波和吸波特性的结构，被称之为吸波性频率选择表面/结构。
目前已报道的吸波性频率选择结构均为带通型，带吸型尚未有报道。实际上，在诸多低频段的***中，例如军舰上的综合桅杆，还有各种针对通信信号的侦测***，其天线大多工作在VHF和UHF频段，因此迫切需要低频段透射而高频段(雷达频率)吸波的天线罩。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种带吸型宽带频率选择结构，采用单金属环吸波周期平面与三维带阻周期结构相结合的方式，搭建出宽带吸波性频率选择结构，能够实现高频段宽带吸波，低频段低插损透波的特性。这种结构厚度薄，结构简单，易于设计，便于加工，成本低。
本发明的带吸型宽带频率选择结构包括吸波面和带阻反射面。
所述的吸波面为周期性分布结构单元，每个单元无缝排布，包括第一介质基片、以及镀在第一介质基片上表面的金属环；所述的金属环为矩形结构，边长小于第一介质基片的两轴长度，金属环的四边中心处共焊接有四个射频电阻。
所述的金属环与第一介质基片的中心重叠。
上述第一介质基片的两轴长度指代第一介质基片的相邻两边长。
进一步地，所述的射频电阻阻值相同，其电阻阻值需具体情况具体分析。
所述的带阻反射面为周期性分布结构单元，每个单元包括第二介质基片、以及镀在第二介质基片两表面的若干带状金属条；第二介质基片宽度为14mm(2mm×7)，其高度与需要设定的频率有关。金属条高度与第二介质基片相同，宽度为1.7mm，相邻带状金属条间距为0.3mm。第二介质基片两表面对应的金属条形成介质填充的平行板波导；相邻两第二介质基片间留有空气间隙，相邻第二介质基片上的对应金属条之间形成空气填充的平行板波导。
吸波面与带阻反射面垂直设置，且留有间隔，该间隔大小需要结合吸波面进行联合设计才能实现特定的效果，关系为：环等效的电纳、吸波面介质板的电纳和该间隔的电纳三者的虚部之和能在吸波带中心频率附近为0，以此反射波在吸波面金属环上形成谐振并被射频电阻吸收。
具体工作原理：电磁波射入结构表面，直接通过吸波面，射到带阻反射面内部，带阻反射面由于其介质区域(介质填充的平行板波导)和空气区域(空气填充的平行板波导)的存在，导致在不同频率时，射入的电磁波每经过半个周期，介质区域(介质填充的平行板波导)和空气区域(空气填充的平行板波导)会因为同相或者异相分别产生反射零点或者传输零点，继而形成稳定、性能优异的周期性宽带带阻反射面。该带阻反射面性能类似于带阻滤波器，会形成通带和阻带(即反射带)，通带内的电磁波通过带阻反射面，反射带内的电磁波被反射到特定频段的吸波面，并被吸波面吸收。
本发明的另一个目的是提供上述宽带吸波性频率选择结构，在作为低频段(VHF/UHF)天线的隐身天线罩上的应用。
带吸型宽带频率选择结构具有以下优点：
(1)这种新型的带吸型频率选择结构在高频段表现为一个宽带吸波器，能较好地吸收入射电磁波；在低频段，对电磁波几乎透明，入射波和出射波均可低插损透过。这样的特性使其可以作为低频段(VHF，UHF)天线的天线罩时，既可降低RCS，又几乎不会降低天线的增益。
(2)这种新型的带吸型频率选择结构脱离传统的二维平面的堆叠，采用二维平面与三维结构相结合的方式，实现了极宽的低频通带特性，通带的***损耗极小，并且在相邻高频处实现了宽吸波带。
(3)这种新型的三维带吸型频率选择结构制作简单，整个结构用普通的PCB工艺就可以实现，并且吸波面元器件只需要焊接电阻，制作简单，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的三维单元结构示意图；
图2是本发明的单元俯视图；
图3是本发明的单元主视图；
图4是本发明的单元侧视图；
图5是本发明的S参数仿真图；
图6是本发明的吸波率仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
如图1所示，带吸型宽带频率选择结构单个周期结构内包括两个部分。上层部分为宽带吸波面，如图2所示，包括厚度为0.508毫米的Rogers5880介质基片1，介质基片1的上表面镀有金属环3，金属环与介质基片的中心重叠，金属环3的四边中心处共焊接有四个同样阻值的射频电阻2。宽带吸波面的长度周期为1.85×8毫米，宽度周期为2×7毫米。下层部分为宽带带阻反射面，如图1，图3和图4所示，包括厚度为1.22毫米，高度为6.2毫米，周期宽度为2毫米的Rogers RO3010介质基片5，介质基片5的两面镀有金属带4，金属带4高度与介质基片5高度相同，每两个金属带4间隔0.3毫米。宽带带阻反射面的单个单元长度周期为1.85毫米，宽度周期为2毫米。上下两个结构长度周期按照1:8，宽度周期按照1:7的比例进行组合，吸波面下层与反射结构上表面的距离为6.4毫米。
具体结构几何参数如下：
其中px和py分别为单元结构在x轴方向的宽度周期和在y轴方向的长度周期(即Rogers5880介质基片1在x、y两轴方向的周期长度)，dl和wl分别为金属环的边长和宽度，lR和R分别为射频电阻的长度和阻值，ts为吸波面的介质厚度，ha为吸波面和带阻反射面之间的空气路径的高度，hs为带阻反射面的高度，ws和ls分别是带阻反射面单个单元的宽度周期和长度周期，s为带阻反射面的两金属条相邻的缝隙间隔。
图5和图6为该带吸型频率选择结构的仿真结果。图5的仿真结果表明该结构通带呈现低通滤波特性，低通带带宽极宽且通带内损耗极小，同时在通带相邻高频处形成一个宽的吸波带。图6的仿真结果表明该带吸型频率选择结构在吸波带内的吸波效率高达95％以上，吸波效果极好。

Claims (8)

1.一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于包括吸波面和与吸波面垂直设置的带阻反射面，且两者间留有间隔；
所述的吸波面为周期性分布结构单元，每个单元无缝排布，包括第一介质基片、以及镀在第一介质基片上表面的金属环；所述的金属环为矩形结构，边长小于第一介质基片的两轴长度，金属环的四边中心处共焊接有四个射频电阻；
所述的带阻反射面为周期性分布结构单元，每个单元包括第二介质基片，以及镀设在第二介质基片两表面的、与第二介质基片高度相同的若干带状金属条；相邻带状金属条间留有一定间距；第二介质基片两表面对应的金属条形成介质填充的平行板波导；相邻两第二介质基片间留有空气间隙，相邻第二介质基片上的对应金属条之间形成空气填充的平行板波导。
2.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于所述的金属环与第一介质基片的中心重叠。
3.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于所述的射频电阻阻值相同，其值可调。
4.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于第二介质基片高度可调，与需要设定的频率有关。
5.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于金属条的宽度为1.7mm。
6.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于相邻带状金属条间距为0.3mm。
7.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，其特征在于金属环等效的电纳、吸波面第一介质基片的电纳、吸波面与带阻反射面间隔的电纳三者的虚部之和在吸波带中心频率附近为0，从而促使反射波在吸波面金属环上形成谐振，且被射频电阻吸收。
8.如权利要求1所述的一种带吸型宽带频率选择结构，在作为低频段天线的隐身天线罩上的应用。
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