CN107799903B - 三维新型带吸型宽带频率选择结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维新型带吸型宽带频率选择结构。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。本发明采用带阻通道结合吸波通道结构的方式，搭建出三维宽带吸波性频率选择结构，能够实现低频通带内低***损耗，高频宽吸波带。此结构吸波效率高，并且有着极高的角度稳定性。

Description

三维新型带吸型宽带频率选择结构
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损耗。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，提供三维新型带吸型宽带频率选择结构，采用带阻通道结合吸波通道结构的方式，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。
本发明的三维新型带吸型宽带频率选择结构为周期性结构，每个结构单元包括带阻通道和吸波通道，具体包括从上至下依次设置的第一介质基片、第三介质基片、第二介质基片；其中第一介质基片的下表面设有第一金属面，第二介质基片的上表面设有第二金属面，第三介质基片的下表面设有第三金属面，第一介质基片与第二介质基片结构大小相同，第三介质基片的宽度与第一介质基片相同，长度短于第一介质基片；三块介质基片的一端位于同一竖直平面上，作为电磁波入射面，第三介质基片的另一侧与第一金属面间设有金属反射面；第三介质基片的上表面设有微带线，宽度宽于金属导线，微带线的一端连接金属反射面，另一端连接金属导线的一端，金属导线的另一端连接第一金属面，且金属导线悬空设置在第一金属面与微带线之间。
所述的金属导线上焊接有电容和第一电阻；微带线上焊接有第二电阻，第二电阻与金属反射面的最近距离小于金属导线与金属反射面最近距离的四分之一。
所述的吸波通道由部分第一金属面、电容、两个电阻、金属反射面、第三介质基片、第三金属面，以及一根金属导线和一根微带线组成。
所述的带阻通道由第一介质基片、第二介质基片、部分第一金属面、第二金属面、第三金属面、两个空气平行板波导、介质平行板波导组成；其中第一段空气平行板波导是由第二金属面一部分与第三金属面之间留有空气层从而构成；第二段空气平行板波导是由第一金属面另一部分与第二金属面之间留有更高的一段空气层从而构成；介质平行板波导是由第一金属面和相邻单元的第二金属面以及两介质基板从而构成。
所述的第一金属面和第三金属面为带阻通道和吸波通道共用的金属面。
吸波通道的吸波频段为带阻通道的阻带频率。
第二段空气平行板波导长度为带阻通道部分的长度与吸波通道部分长度的差值。
进一步地，第一、二介质基片可以直接作为相邻单元的介质基片，也可以在其基础上叠加相邻单元的介质基片。
第一金属面和相邻单元的第二金属面的距离＝(0.25～2)×第一段空气平行板波导高度，其中第一段空气平行板波导高度为第二金属面与第三金属面的距离。
具体工作原理：电磁波射入结构表面，带阻通道由于其介质平行板波导和空气平行板波导的存在，导致在不同频率时，分别在两平行板波导形成同相或者异相电场，从而产生反射零点或者传输零点，继而形成稳定、性能优异的宽带带阻特性；而此时吸波通道的吸波频率为带阻通道的阻带频率，该阻带频率的电磁波进入吸波通道后，由于金属反射面的存在，电磁波被反射形成回路，并在微带线、第二金属面以及金属导线上形成感应电流，形成的电流被第一电阻和第二电阻所消耗，从而实现吸波的效果。
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，采用三维结构，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容和电阻，制作简单，成本低廉。
附图说明
图1、图2是本发明的三维单元结构示意图；
图3是本发明的单元侧视图；
图4是本发明在电磁波正入射时的S参数仿真图；
图5是本发明在电磁波正入射时的吸波率仿真图；
图6是本发明电磁波在x-z方向斜入射时的S参数仿真图；
图7是本发明电磁波在y-z方向斜入射时的S参数仿真图。
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。
本发明的三维新型带吸型宽带频率选择结构为周期性结构，每个结构单元包括带阻通道和吸波通道；
所述的吸波通道由第一介质基片1下表面的第一金属面11、电容、两个电阻、金属反射面、第三介质基片5及其下表面的第三金属面12，以及一根金属导线2和一根微带线7组成。金属导线2设置在第一金属面11与微带线7之间，即作为电磁波入射面，金属导线2上焊接有电容3和第一电阻4；微带线7设于第三介质基片5上表面，宽度宽于金属导线2，用于连接金属反射面8和金属导线2，微带线7上焊接有第二电阻9；第二电阻 9与金属反射面8的最近距离小于金属导线2与金属反射面8最近距离的四分之一。
所述的带阻通道由下表面设有第一金属面11的第一介质基片1、上表面设有第二金属面6的第二介质基片10、吸波通道底面的第三金属面12、两个空气平行板波导组成；所述的第一介质基片1、第二介质基片10结构大小相同，第一金属面11与第二金属面6结构大小相同，且第一金属面11 长度与第一介质基片1相同，宽度窄于第一介质基片1；第二金属面6长度与吸波通道长度相同，宽度与第一金属面11相同。第一金属面11一部分与第三金属面12之间留有空气层，构成第一段空气平行板波导，第一金属面11另一部分与第二金属面6之间留有更高的一段空气层，构成第二段空气平行板波导。第一金属面11和相邻单元的第二金属面6以及两介质基板构成介质平行板波导。
第一金属面11、第二金属面6、第三 金属面12 均是矩形结构。
如图1、图2、图3所示，带吸型宽带频率选择结构单个周期结构内包括带阻通道和吸波通道两个部分。带阻通道部分包括介质平行板波导和空气平行板波导。介质平行板波导部分两面分别铺有第二金属面6和第一金属面11的第一介质基片1和第二介质基片10(第一介质基片1和第二介质基片10为周期性结构中的同一块介质板，为方便说明结构，将其对半拆分分别置于顶部和底部)。第一介质基片1和第二介质基片10为介电常数 10.2的Rogers RT/duroid 6010/6010LM，宽度为8毫米，长度为12.5毫米，高度都为0.508毫米，置于第一介质基片1和第二介质基片10上下表面的第二金属面6和第一金属面11的宽度为6.5毫米，长度为12.5毫米。空气平行板波导部分，第三金属面12宽度为6.5毫米，长度9毫米；第二金属面6和第三金属面12之间的空气高度为3.284毫米；第二金属面6 和第一金属面11之间的空气高度为10.808毫米。吸波通道部分金属导线2 宽度为0.4mm，高度6.508mm，其上焊接有容值为0.12皮法的电容3和阻值为250欧姆的第一电阻4；第三介质基片5为介电常数3的Taconic RF- 30，宽度为8毫米，长度为9毫米，高度为1.016毫米；微带线7宽度1 毫米，长度9毫米，上面焊接有阻值为180欧姆的第二电阻9；金属反射面 8的宽度为8毫米，高度为7.524毫米。
具体结构几何参数如下：
其中l为单元结构的长度，w为单元结构的宽度，h为单元结构的高度， la为吸波通道的长度，wc为金属面的宽度，hs1和hs2分别为第一介质基片1加上第二介质基片10的高度和第三介质基片5的高度，ha为吸波通道的高度，C为电容3的容值，R1和R2分别为第一电阻4和第二电阻9 的阻值。
Figure BDA0001432197060000051
图4、图5、图6和图7为该带吸型频率选择结构的仿真结果。图4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5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90％以上，吸波效果极好。图6和图7的仿真结果表明该带吸型频率选择结构在斜入射的情况下及其稳定，在入射角度达到45°的情况下，依然能够表现出良好的特性。

Claims (5)

1.三维新型带吸型宽带频率选择结构，为周期性结构，其特征在于每个结构单元包括带阻通道和吸波通道，具体包括从上至下依次设置的第一介质基片、第三介质基片、第二介质基片；其中第一介质基片的下表面设有第一金属面，第二介质基片的上表面设有第二金属面，第三介质基片的下表面设有第三金属面，第三介质基片的长度短于第一、第二介质基片；三块介质基片的一侧位于同一竖直平面上，作为电磁波入射面，第三介质基片的另一侧与第一金属面间设有金属反射面；第三介质基片的上表面设有微带线，微带线的一端连接金属反射面，另一端连接金属导线的一端，金属导线的另一端连接第一金属面；
所述的金属导线上焊接有电容和第一电阻；微带线上焊接有第二电阻；
所述的吸波通道由第一金属面、电容、第一电阻、第二电阻、金属反射面、第三介质基片、第三金属面，以及一根金属导线和一根微带线组成；
所述的带阻通道由第一介质基片、第二介质基片、部分第一金属面、第二金属面、第三金属面、两个空气平行板波导、介质平行板波导组成；其中第一段空气平行板波导是由第二金属面与第三金属面之间留有空气层从而构成；第二段空气平行板波导是由第一金属面与第二金属面之间留有空气层从而构成；介质平行板波导是由第一金属面和相邻单元的第二金属面以及两介质基板从而构成；
第一金属面和第三金属面为带阻通道和吸波通道共用的金属面；吸波通道的吸波频段为带阻通道的阻带频率。
2.如权利要求1所述的三维新型带吸型宽带频率选择结构，其特征在于第二段空气平行板波导长度为带阻通道部分的长度与吸波通道部分长度的差值。
3.如权利要求1所述的三维新型带吸型宽带频率选择结构，其特征在于第一金属面和相邻单元的第二金属面的距离=（0.25～2）×第一段空气平行板波导高度，其中第一段空气平行板波导高度为第二金属面与第三金属面的距离。
4.如权利要求1所述的三维新型带吸型宽带频率选择结构，其特征在于第二电阻与金属反射面的最近距离小于金属导线与金属反射面最近距离的四分之一。
5.如权利要求1所述的三维新型带吸型宽带频率选择结构，其特征在于：应用于低频段天线的隐身天线罩。
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