CN108682952B - 双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面 - Google Patents

双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明涉及双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面。传统的吸波性频率选择结构都设计为带通型频率选择结构，此类结构通带带宽有限，并且很难覆盖低频。本发明采用双环反射平面，并且在反射平面另一表面设计吸波环，结合单环电路模拟吸收器，搭建出双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，能够实现低频通带内低***损耗，并在临近高频处产生一个极宽的吸波带。

Description

双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种双极化宽带带吸型低通频率选择表面，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，频率选择表面和频率选择结构来作为天线罩是减少雷达散射截面的有效方式之一，该种方法能够有效地提升作战平台的隐身性能。
频率选择表面实质上是一种空间滤波器，只能对特定频段、极化方式以及入射角度等电磁波进行筛选，无法对电磁波进行吸收。因此，对于基于频率选择表面研制的天线罩，只能将探测波进行反射，偏离其入射路径从而减小RCS。但是这种方式只能够对单站起作用，对于双站甚至多站探测***，只能通过将入射波吸收的方式达到隐身的目的。吸波性频率选择结构/表面的概念由此引出，该种理想天线罩呈现的特性为：在通带内，天线罩对入射电磁波不可见，电磁波因此能完全无损透过；而在工作频段外，其能够将入射的电磁波进行有效地吸收，从而达到隐身的目的。
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
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供基于二维平面级联的宽带吸波性频率选择表面，该频率选择表面采用带阻反射吸波面结合吸波面结构的方式，搭建出双极化宽带带吸型低通频率选择表面，能够在高频处产生一个极宽的吸波带，而在低频段实现低插损的低通特性。这种结构厚度薄，结构简单，易于设计，便于加工，成本低，并且具有设计成曲面频率选择表面的潜力。
本发明的双层级联双极化宽带带吸型低通频率选择表面为周期性结构，每个结构单元包括带阻反射吸波面和吸波面。
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的电磁波最先入射表面(即左表面)的第一金属环；所述的第一金属环为封闭环形结构，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。
所述的带阻反射吸波面为垂直设置的周期性分布结构单元，每个单元无缝排布，包括第二介质基片、镀在第二介质基片电磁波最先入射表面(即左表面)的第二金属环、镀在第二介质基片另一表面(即右表面)的第三、第四金属环；所述的第二、第三、第四金属环为封闭环形结构，边长均小于第二介质基片两轴长度；第二金属环的四边中心处共焊接有四个射频电阻。
上述的第一、二介质基片的尺寸完全相同。
上述的第一、二、三、四金属环与第一、二介质基片的中心重叠。
上述第一、二介质基片的两轴长度指代第一、二介质基片在x轴和y轴方向上的两边长。
吸波面与带阻反射吸波面平行设置，吸波面与带阻反射吸波面的中心所在直线与Z轴平行；且吸波面与带阻反射吸波面留有间隔，该间隔大小需具体情况具体分析，间隔大小会影响吸波效果以及低频通带的效果。
本发明还可通过改变各个金属环的边长d1、d2、d3和d4，宽度w1、w2、w3和w4，第四金属环凹入的深度dd和宽度wd，射频电阻的阻值R1和R2吸波面和带阻反射吸波面之间空气路径的高度ha等结构参数对低频透波性能和高频吸波性能进行综合调控。
具体工作原理：电磁波射入结构表面，直接透过吸波面，射到带阻反射面，由于带阻反射吸波面左表面的加载射频电阻的第二金属环在其谐振频点附近吸收一部分电磁波，并将一部分电磁波反射，剩下的电磁波直接透过第二金属环，于此同时，带阻反射吸波面右表面的第三、四金属环谐振反射对应频段的电磁波，产生两个传输零点。第二、三、四金属环反射的电磁波再次经过吸波面并被吸收。由于该结构在x轴方向与y轴方向结构完全相同，因此对于入射的TE波和TM波产生的滤波特性完全相同，因此具备双极化的特性。
上述的TE波表示向z轴负方向入射且电场方向与y轴平行的电磁波；TM波表示向z轴负方向入射且电场方向与x轴平行的电磁波。本发明的目的是提供上述双极化宽带带吸型低通频率选择表面，作为低频段(VHF/UHF)天线的隐身天线罩上的应用。
双极化宽带带吸型低通频率选择表面具有以下优点：
(1)这种双极化宽带带吸型低通频率选择表面在高频段表现为一个吸波器，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甚至无插损透过。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)这种双极化宽带带吸型低通频率选择表面采用传统的二维平面的堆叠，在反射面上增加了吸波环，从而在高频处实现了极宽的吸波带。
(3)这种双极化宽带带吸型低通频率选择表面制作简单，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是本发明的吸波面结构示意图；
图3是本发明的带阻反射吸波面左表面结构示意图；
图4是本发明的带阻反射吸波面右表面结构示意图；
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，双极化宽带带吸型频率选择表面为垂直设置的周期性结构单元，每个结构单元无缝排布包括吸波面和带阻反射吸波面；
如图2所示，吸波面包括厚度为0.508毫米的Rogers5880第一介质基片1，介质基片1左表面镀有第一金属环3，金属环3与介质基片1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。
如图3、4所示，带阻反射吸波面包括厚度为0.508毫米的Rogers5880第二介质基片6，介质基片6左表面镀有第二金属环4，金属环4与介质基片2的中心重叠，金属环4的四边中心处共焊接有四个同样阻值的射频电阻5，介质基片6右表面镀有第三金属环7、第四金属环8，金属环3、金属环4、金属环7和金属环8与介质基片6的中心重叠。
如图1所示，吸波面与带阻反射吸波面平行设置，吸波面与带阻反射吸波面的中心所在直线与Z轴平行；
第一介质基片1和第二介质基片4均为方形。
第一金属环3、第二金属环4、第三金属环7、第四金属环8均为封闭环形结构。
具体结构几何参数如下：
其中p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第一介质基片1和第二介质基片6在x、y两轴方向的周期长度)，d1和w1分别为第一金属环3的边长和宽度，d2和w2分别为第二金属环4的边长和宽度，d3和w3分别为第三金属环7的边长和宽度，d4和w4分别为第四金属环8的边长和宽度，dd为第四金属环中间部分的凹入深度，wd为第四金属环中间凹入部分的宽度，lR为射频电阻的长度，R1和R2分别为射频电阻1和射频电阻2的阻值，ts为第一介质基片1和第二介质基片6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。
Figure BDA0001598350720000041
Figure BDA0001598350720000051
图5和图6为该双层级联双极化宽带带吸型低通频率选择表面的仿真结果。图5的仿真结果表明该结构通带呈现低通滤波特性，在频率低于0.5GHz的频段，***损耗低于0.5dB。同时，在高频处形成频段在4–11.7GHz的吸波带，覆盖C波段和部分X波段，相对带宽达到91.1％。图6的仿真结果表明该低通带吸型频率选择结构在吸波带内的吸波效率在90％附近，吸波效果极好。

Claims (7)

1.双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，为周期性分布结构，其特征在于每个结构单元垂直设置，包括吸波面和带阻反射吸波面；吸波面与带阻反射吸波面平行设置，且吸波面和带阻反射吸波面之间留有一段空气间隙；
所述的吸波面包括第一介质基片、以及镀在第一介质基片电磁波最先入射表面的第一金属环；所述的第一金属环为封闭环形结构，边长小于第一介质基片的两轴长度，金属环的四边中心处分别焊接有一个射频电阻；
所述的带阻反射吸波面包括第二介质基片、以及镀在第二介质基片电磁波最先入射表面的第二金属环，另一表面的第三、四金属环；所述的第二金属环为封闭环形结构，边长小于第二介质基片两轴长度，金属环的四边中心处分别焊接有一个射频电阻；所述的第三、四金属环为封闭环形结构，边长小于第二介质基片两轴长度；
上述的第一、二、三、四金属环与第一、二介质基片的中心重叠；
电磁波射入结构表面，直接透过吸波面，射到带阻反射面，由于带阻反射吸波面加载射频电阻的第二金属环在其谐振频点附近吸收一部分电磁波，并将一部分电磁波反射，剩下的电磁波直接透过第二金属环，同时带阻反射吸波面的第三、四金属环谐振反射对应频段的电磁波，产生两个传输零点；第二、三、四金属环反射的电磁波再次经过吸波面并被吸收。
2.如权利要求1所述的双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，其特征在于所述的第一金属环同一环四边上的射频电阻阻值相同；第二金属环同一环四边上的射频电阻阻值相同。
3.如权利要求1所述的双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，其特征在于所述的第一、二介质基片的尺寸完全相同。
4.如权利要求1所述的双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，其特征在于第二金属环谐振产生部分带阻特性，第三、四金属环谐振产生带阻特性，该带阻频率是由第二、三、四金属环的尺寸决定的。
5.如权利要求1所述的双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，其特征在于中间空气间隙的距离与带阻反射吸波面所设计的反射频率有关。
6.如权利要求1所述的双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，其特征在于第一至四金属环的边长d 1 、d 2 、d 3 和d 4 ，宽度w 1 、w 2 、w 3 和w 4 ，第四金属环凹入部分的深度d d 和宽度w d ，射频电阻的阻值R1和R2吸波面和带阻反射吸波面之间空气腔的宽度h a 影响低频透波性能和高频吸波性能的综合调控。
7.如权利要求1所述的双层级联双极化宽带带吸型频率选择表面，作为低频段（VHF/UHF）天线的隐身天线罩上的应用。
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