CN109411892A - 双频带吸波频率选择表面***及设计方法、飞行器 - Google Patents

双频带吸波频率选择表面***及设计方法、飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波技术与飞行器隐身技术领域，公开了一种双频带吸波频率选择表面***及设计方法、飞行器，所述双频带吸波频率选择表面***设置有：介质支撑板；设置在介质支撑板上表面的周期排布的电阻薄膜方形环以及设置在介质支撑板下表面的圆环形槽频率选择表面；圆环形槽频率选择表面包括介质板以及介质板上表面的不记厚度的金属层，金属层上开周期排布的圆环槽。本发明可实现k频段透波/双频带吸波；阵元图案紧凑，斜入射条件下稳定性好；本发明的结构简单，与多层结构相比；只有上层的电阻膜、中层的介质支撑板以及下层的频率选择表面，相比而言更轻巧，剖面更低；透波和吸波频带之间的过渡带小，吸波效果好。

Description

双频带吸波频率选择表面***及设计方法、飞行器
技术领域
本发明属于微波技术与飞行器隐身技术领域，尤其涉及一种双频带吸波频率选择表面***及设计方法、飞行器。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：对于飞行器目标而言，遭遇敌方雷达探测时威胁主要来自鼻锥方向，而飞行器的雷达天线***是该方向的主要散射源之一，因此减缩雷达天线***的RCS对飞行器隐身来说至关重要。目前使雷达天线***实现频域隐身的措施主要是在雷达的天线罩上加载频率选择表面，通过将主要威胁方向的雷达来波反射至其他方向来达到隐身目的，面对单基站雷达探测能有效实现天线***的隐身。然而，这种隐身手段并不能实现全方位的隐身，从某些视角来看反而会增加RCS，因此针对这种隐身技术缺陷的反隐身技术也在逐渐发展，针对这种情况，后来又发展了吸波频率选择表面，通过在吸波结构的金属反射面上加载频率选择表面，实现带内透波/带外吸波的效果。吸波体上层结构一般采用电阻薄膜或者加载集总电阻等方法；频率选择单元一般分为贴片型和孔径型，且蚀刻的图案形式繁多，其中圆环图案结构紧凑、斜入射情况下稳定性好，因此应用比较广泛。但目前已有的研究成果主要是低频段透波/高频段吸波，而对于高频段透波/双频带吸波的研究成果很少，且存在透波效果不好，吸波/透波的过渡带宽等问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前已有的吸波频率选择表面存在透波效果不好，吸波/透波的过渡带宽。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双频带吸波频率选择表面***及设计方法、飞行器。
本发明是这样实现的，一种双频带吸波频率选择表面***，所述双频带吸波频率选择表面***设置有：
介质支撑板；
设置在介质支撑板上表面的周期排布的电阻薄膜方形环以及设置在介质支撑板下表面的圆环形槽频率选择表面；
圆环形槽频率选择表面包括介质板以及介质板上表面的不记厚度的金属层，金属层上开周期排布的圆环槽。
进一步，所述电阻薄膜方形环的中心频率至20GHz；方环外边长a1＝12.7mm，方环内边长a2＝8mm，相邻电阻薄膜方形环的半间距D1＝0.5mm，电阻膜的表面电阻R＝75Ω/□。
进一步，所述圆环形槽频率选择表面的调节谐振点至20GHz；圆环外半径R1＝2.4mm，圆环内半径R2＝1.8mm，相邻圆环槽的半间距D2＝2.6mm。
进一步，所述电阻薄膜方形环单元尺寸为15mm，频率选择表面单元尺寸为10mm，边长尺寸比例为3:2，单元个数按4:9的比例放置在介质支撑板上下形成元胞；
介质板的相对介电常数为2.65，厚度为0.5mm；
介质支撑板采用轻质泡沫板，相对介电常数为1.07，厚度为7.5mm。
进一步，所述圆环形槽频率选择表面为微带板结构；
微带板结构由介质板及介质板上层不计厚度的金属层组成，金属层上开周期结构的圆环槽。
进一步，吸波体结构和频率选择表面单元的尺寸成有理数比例，按尺寸比例将电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面分置于介质支撑板上下。
本发明的另一目的在于提供一种所述双频带吸波频率选择表面***的设计方法，所述双频带吸波频率选择表面***的设计方法包括：
步骤一，依据吸波特性，选择电阻薄膜方形环，调节电阻薄膜方形环的透明带至k频段，确定尺寸；
步骤二，频率选择表面采用开圆环形槽的形式，调节谐振点至k频段，确定其尺寸；
步骤三，将尺寸已定的电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面按比例放置在介质支撑板上下形成元胞，优化性能，完成设计。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述双频带吸波频率选择表面***的飞行器。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述双频带吸波频率选择表面***的无人机。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过电阻薄膜方形环的吸波特性，找到吸波体产生不吸波的“透明带”的规律，调节该“透明带”位置与频率选择表面的谐振点，使二者中心频率在k频段；将尺寸已定的电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面按比例分置在介质支撑板上下形成元胞，实现k频段透波且该透波频段两边双频带吸波的吸波频率选择表面的设计。
本发明可实现k频段透波/双频带吸波；阵元图案紧凑，斜入射条件下稳定性好；本发明的结构简单，与多层结构相比；只有上层的电阻膜、中层的介质支撑板以及下层的频率选择表面，相比而言更轻巧，剖面更低；透波和吸波频带之间的过渡带小，吸波效果好。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双频带吸波频率选择表面***结构示意图；
图中：1、电阻薄膜方形环；2、介质支撑板；3、圆环形槽频率选择表面；4、金属层；5、介质板。
图2是本发明实施例提供的电阻薄膜方形环的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的频率选择表面开圆环槽的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的双频带吸波频率选择表面***的设计方法的流程图。
图5是本发明实施例提供的吸波频率表面在在TE极化波和TM极化波在垂直入射条件下的反射特性和传输特性示意图。
图6是本发明实施例提供的吸波频率表面在TE极化波在斜入射条件下的S11参数图。
图7是本发明实施例提供的吸波频率表面在TE极化波在斜入条件下的S12参数图。
图8是本发明实施例提供的吸波频率表面在TM极化波在斜入条件下的S11参数图。
图9是本发明实施例提供的吸波频率表面在TM极化波在斜入条件下的S12参数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对目前已有的吸波频率选择表面存在透波效果不好，吸波/透波的过渡带宽的问题。本发明的吸波频率选择表面既可以做双频带吸波结构使用，也可以作平面隐身天线罩使用。其透波频段和吸波频段可通过调节各单元尺寸参数实现改变，具有很强的适应性。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的双频带吸波频率选择表面***包括：电阻薄膜方形环1、介质支撑板2、圆环形槽频率选择表面3。
设置在介质支撑板2上表面的周期排布的电阻薄膜方形环1以及设置在介质支撑板2下表面的圆环形槽频率选择表面3。
圆环形槽频率选择表面3包括介质板5以及介质板5上表面的不记厚度的金属层4，金属层4上开周期排布的圆环槽。
图2为电阻薄膜方形环的结构示意图，其中a1为方环外边长，a2为方环内边长，D1为相邻电阻薄膜方形环的半间距。调节电阻薄膜方形环的不吸波的“透明带”的中心频率至20GHz，其尺寸为：a1＝12.7mm，a2＝8mm，D1＝0.5mm，电阻膜的表面电阻R＝75Ω/□。
图3为频率选择表面开圆环形槽的结构示意图，R1为圆环外半径，R2为圆环内半径，D2为相邻圆环槽的半间距。调节谐振点至20GHz，其尺寸为：R1＝2.4mm，R2＝1.8mm，D2＝2.6mm。
优化电阻薄膜方形环单元和环形槽单元的比例，如图1所示：经过优化的电阻薄膜方形环单元尺寸为15mm，频率选择表面单元尺寸为10mm，边长尺寸比例为3:2，于是单元个数按4:9的比例放置在介质支撑板上下形成元胞。其中，介质板⑤的相对介电常数为2.65，厚度为0.5mm；介质支撑板②采用轻质泡沫板，相对介电常数为1.07，厚度为7.5mm，这种轻质泡沫板密度小且强度高，在起到有效支撑作用的同时可降低整个吸波频率选择表面的质量；采用厚度非常薄的胶片将电阻薄膜方形环、轻质泡沫板和吸波频率选择表面进行固定，确保粘合牢固且无空气缝隙。
在本发明的优选实施例中，圆环形槽频率选择表面3为微带板结构，微带板结构由介质板及介质板上层不计厚度的金属层组成，其中金属层上开周期结构的圆环槽；
在本发明的优选实施例中，方形环电阻薄膜吸波体结构随频率增加，会出现吸波频段和完全不吸波的“透明带”，该“透明带”的位置可通过电阻薄膜与频率选择表面之间的距离d来调控，通过这一特性，可实现k频段透波，该频段两边的宽频段吸波；
在本发明的优选实施例中，介质支撑板2采用轻质泡沫板；
在本发明的优选实施例中，吸波体结构和频率选择表面单元的尺寸成有理数比例，然后按尺寸比例将电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面分置于介质支撑板上下。
如图4所示，本发明实施例提供的双频带吸波频率选择表面***的设计方法包括以下步骤：
S401：依据吸波特性，选择电阻薄膜方形环，调节该电阻薄膜方形环的“透明带”至k频段，确定其尺寸；
S402：频率选择表面采用开圆环形槽的形式，调节谐振点至k频段，确定其尺寸；
S403：将尺寸已定的电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面按比例放置在介质支撑板上下形成元胞，优化性能，完成设计。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明通过考察入射电磁波在不同极化状态和不同入射角度下吸波频率选择表面的传输特性、反射特性来检测其电磁性能。
吸波频率选择表面在TE极化波、TM极化波垂直照射下的传输系数S12和反射系数S11如图5所示，在4.4GHz-13.8GHz和25GHz-32GHz频段内能达到至少10dB吸波效果，透波频段插损为1.7dB，透波性能有待改善；吸波频率选择表面在TE极化波、TM极化波及斜入射下的传输系数S12和反射系数S11如图6至图9所示，TE极化条件下吸收效果基本不变，TM极化条件下0°-20°吸波效果基本不变，20°-40°吸波效果很差。不同极化条件下的吸波与透波性能的不同是因为TE极化斜入射时的电场方向始终平行于吸波频率选择表面，而TM极化时的电场方向与吸波频率选择表面夹角随入射角一起增大，因此TE极化下的带外吸波与带内损耗效果都强于TM极化。
本发明实施例的吸波频率选择表面既可以做双频带吸波结构使用，也可以作平面隐身天线罩使用。其透波频段和吸波频段可通过调节各单元尺寸参数实现改变，具有很强的适应性。
频率选择表面是一种平面二维的周期阵列结构，其本质是一个电磁空间滤波器，其阵元分为带阻的贴片型和带通的孔径型，本发明采用孔径型，根据等效电路原理，这种类型的滤波机理主要是当电磁波入射至孔径型频率选择表面时，会激励起电子大范围移动，致使电子在运动时吸收入射电磁波的大部分能量，而沿着孔径产生的感应电流较小，导致此频率下的透射系数较低。随着入射波频率的增加，电子的移动范围会逐渐变小，且沿孔径产生的感应电流不断的增加，从而使得透射系数不断增长。当入射电磁波的频率达到某一特定值时，孔径两侧的电子刚好能在入射波电场的带动下来回漂移，在孔径周围形成很大的感应电流。由于电子吸收了大量的入射波能量，同时又在向外福射能量，运动电子通过孔径向透射方向福射电场，此时频率选择表面单元阵列的反射系数会很低，透射系数则变高。当入射波频率继续增加时，电子的运动范围则进一步减小，在孔径周围的电流分成若干段，电子透过孔径缝隙福射出去的电磁波减少，频率选择表面阵列的透射系数又会降低。常用的频率选择表面的阵元主要分为中心连接形单元、环形单元、板形单元这三种基本类型，其中环形单元组成的阵列相比其他更加紧凑，单元紧凑的阵列的电磁波透射特性随入射角度的改变发生的变化较小，因此本发明采用环形单元。
本发明的吸波体结构采用电阻薄膜方形环，这种周期结构电阻膜方环能同时具有频率选择表面的谐振特性和较强的电磁波损耗特性。方环形图案的表面电流主要聚集在左右两侧的环臂上。由于该电流的作用，电荷在单元之间聚集。相邻方环之间电荷正负性不同，产生电容；表面电流产生的环绕磁场主要分布在左右两臂上，形成电感，通过等效电路，可以大致计算所需尺寸，然后通过优化，获得所需效果。电阻膜吸波体结构的反射系数呈现出倍频归零的特性，也就是说，它的吸波特性间隔固定频率出现不吸波的“透明带”，且这个透明带出现的频带可通过电阻膜到频率选择表面之间的距离调节。根据这一特性，在吸波体“透明带”加载同中心频率的频率选择表面，就可以实现带内透波/带外吸波的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双频带吸波频率选择表面***，其特征在于，所述双频带吸波频率选择表面***设置有：
介质支撑板；
设置在介质支撑板上表面的周期排布的电阻薄膜方形环以及设置在介质支撑板下表面的圆环形槽频率选择表面；
圆环形槽频率选择表面包括介质板以及介质板上表面的不记厚度的金属层，金属层上开周期排布的圆环槽。
2.如权利要求1所述的双频带吸波频率选择表面***，其特征在于，所述电阻薄膜方形环的中心频率至20GHz；方环外边长a1＝12.7mm，方环内边长a2＝8mm，相邻电阻薄膜方形环的半间距D1＝0.5mm，电阻膜的表面电阻R＝75Ω/□。
3.如权利要求1所述的双频带吸波频率选择表面***，其特征在于，所述圆环形槽频率选择表面的调节谐振点至20GHz；圆环外半径R1＝2.4mm，圆环内半径R2＝1.8mm，相邻圆环槽的半间距D2＝2.6mm。
4.如权利要求1所述的双频带吸波频率选择表面***，其特征在于，所述电阻薄膜方形环单元尺寸为15mm，频率选择表面单元尺寸为10mm，边长尺寸比例为3:2，单元个数按4:9的比例放置在介质支撑板上下形成元胞；
介质板的相对介电常数为2.65，厚度为0.5mm；
介质支撑板采用轻质泡沫板，相对介电常数为1.07，厚度为7.5mm。
5.如权利要求1所述的双频带吸波频率选择表面***，其特征在于，所述圆环形槽频率选择表面为微带板结构；
微带板结构由介质板及介质板上层不计厚度的金属层组成，金属层上开周期结构的圆环槽。
6.如权利要求1所述的双频带吸波频率选择表面***，其特征在于，吸波体结构和频率选择表面单元的尺寸成有理数比例，按尺寸比例将电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面分置于介质支撑板上下。
7.一种如权利要求1所述双频带吸波频率选择表面***的设计方法，其特征在于，所述双频带吸波频率选择表面***的设计方法包括：
步骤一，依据吸波特性，选择电阻薄膜方形环，调节电阻薄膜方形环的透明带至k频段，确定尺寸；
步骤二，频率选择表面采用开圆环形槽的形式，调节谐振点至k频段，确定其尺寸；
步骤三，将尺寸已定的电阻薄膜方形环和环形槽频率选择表面按比例放置在介质支撑板上下形成元胞，优化性能，完成设计。
8.一种应用权利要求1～6任意一项所述双频带吸波频率选择表面***的飞行器。
9.一种应用权利要求1～6任意一项所述双频带吸波频率选择表面***的无人机。
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