CN110600885B - 一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有吸收‑反射‑吸收特性的频率选择表面,包括介质基底和设置在介质基底上表面的若干个呈矩形周期排布的金属单元,所述金属单元包含四个相同的带缺口的矩形金属条,所述缺口由一个顶点起至该顶点所在长边的3/4处,所述金属条总长度的1/2处焊接有贴片电阻,以其中一个矩形金属条内的一点为旋转中心,依次旋转90°,180°和270°,确定四个互不交叉和互不重叠的矩形金属条的位置;本发明作为天线的反射板能在降低天线RCS的同时保证天线的辐射性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信的技术领域,具体涉及一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面。
背景技术
随着隐身技术和无线通信***的快速发展,一个具有低可观测性的平台具有重大的意义,而天线作为一个特殊的散射源,减少其雷达截面积(RCS)逐渐引起了越来越多的注意。过去几十年里,有人提出了利用超材料吸波体来减少RCS,但通常受限于材料本身的厚度和重量。另外,还有人利用极化转化超表面和人工磁导体表面来实现低RCS性能,这种结构虽然能在一定程度上降低本身的重量,但往往有着较大的厚度。除此之外,在较宽的频带内实现低RCS性能,往往会同时影响天线在其工作频带内的辐射性能。所以,考虑到在实现天线的低RCS特性的同时能获得良好的辐射性能,需要设计一种新的结构作为天线反射板,这种结构能在不影响天线工作带内的辐射效率的同时抑制带外RCS。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,作为天线的反射板能在降低天线RCS的同时保证天线的辐射性能。
实现本发明的技术方案如下:
一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,包括介质基底和设置在介质基底上表面的若干个呈矩形周期排布的金属单元,所述金属单元包含四个相同的由金属条构成的带缺口的矩形金属环结构,所述缺口由一个顶点起至该顶点所在长边的3/4处,所述金属条总长度的1/2处焊接有贴片电阻,以其中一个矩形金属环内部的一点为旋转中心,依次旋转90°,180°和270°,确定四个互不交叉和互不重叠的矩形金属环的位置。
进一步地,所述金属的材料为铜。
进一步地,所述介质基底采用介电常数为3,损耗正切值为0.0013的RogersRO3003材料。
进一步地,对于反射频带为C波段的频率选择表面,金属条宽度为0.5mm,矩形金属环的四个边的长度分别为:4.5mm,14.5mm,18mm和14.5mm;与旋转中心最邻近的矩形金属环的两条边距离旋转中心的距离分别为4mm和7mm,相邻两个金属单元之间的距离为2mm。
附图说明
图1为本发明中心嵌有电阻的金属条在不同频率时的电流分布。
图2为本发明的频率选择表面结构示意图。
图3为本发明金属单元结构示意图。
图4是本发明最佳实施例的频率响应和吸收率结果图。
其中,1-贴片电阻,2-金属条,3-介质基底,4-泡沫层,5-介质板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,为了能更好的阐述本发明的原理,首先可以对一个中心焊接有贴片电阻的金属条进行理论分析。因为在平面波入射时,金属条上会产生感应电流,当电流流过贴片电阻时电磁波的能量因转化成热能而被耗散。而根据互易原则,中心焊接有贴片电阻的金属条可以等效为一个中心馈电的偶极子天线,故电流分布为:
(1)当λ=2l时,归一化电流分布如图1中实线所示;
(2)当λ=l时,归一化电流分布如图1中虚线所示;
(3)当λ=2l/3时,归一化电流分布如图1中短虚线所示;
观察金属条的中心位置,我们不难发现当波长为2l或者2l/3时,该位置处于波腹点,即电流幅度在该位置达到最大值;而当波长为l时,中心位置处于波节点,即电流幅度在该位置基本为零。
因此,如果在中心位置焊接一个贴片电阻,则在波腹点时,电流均会被电阻耗散掉;而在波节点时,由于电流几乎为零,电阻基本不起作用,使得入射的电磁波被无损耗的反射。从而,这个中心焊接有贴片电阻的金属条可以用来实现吸收-反射-吸收的特性。
由于该频率选择表面最终和天线一起工作,因此其反射频带的频率和带宽必须能够通过改变结构的尺寸来调节,以适应不同的天线。
1、本发明中设计的频率选择表面的工作频带主要有金属条的谐振频率决定,而其谐振频率则可以通过下式计算得到:
其中c为真空中的光速,εeff为有效介电常数。可以看出,在其他参数不变的情况下,金属条长度l增加会导致工作频带向低频移动,包括反射频带和吸收频带。
2、反射频带的带宽主要由相邻金属单元之间的间距决定,其本质是通过调整相邻金属单元之间的距离来调整它们之间的耦合强度。
根据上述理论分析,本发明提供了一个适用于工作在C波段天线的频率选择表面的最佳实施例,其设计过程具体包括以下步骤:
步骤1,首先确定该频率选择表面的工作频带,其工作频带是由金属条的长度决定。在其他参数恒定不变的情况下,随着金属条长度的增加,整体工作频带向低频移动。在本实施例中,将金属条的长度设定为51.5mm,使得该频率选择表面反射频带工作在C波段范围内。
步骤2,调整相邻金属单元之间间距,即d3(金属单元间距的1/2)的大小来确定反射频带的带宽。在其他参数恒定不变的情况下,随着d3的减小,反射频带的带宽变窄,同时吸收频带的带宽增加。但考虑到吸收率以及***损耗随着d3的减小也表现出一定的恶化现象,故将d3设定为1mm,相邻金属单元之间的间距即为2mm。
综上,本发明设计了一种具有吸收-发射-吸收特性的频率选择表面的较佳实施例,其单元结构如图2所示,单元周期(即金属单元边长)为25mm。该结构由三层组成,上层为厚度0.5mm的介质基底3,其上镀有四个相同的中心焊接有贴片电阻1的金属条所构成的带缺口的矩形金属环2;中间层为厚度11mm的泡沫层4;底层为厚度0.5mm的下表面覆铜的介质板5。如图3所示,在本实施例中,镀在介质基底3上的金属结构的尺寸为:金属条宽度w=0.5mm,四段金属条的长度分别为:L1=4.5mm,L2=14.5mm,L3=18mm,L4=14.5mm。另外,矩形金属条之间的间距为d1=4mm,d2=7mm,d3=1mm。
最终设计的具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面频率响应特性图4所示,其中实线表征反射系数,虚线表征吸收率,性能如下:
(1)反射频带中心频率为5GHz,频带宽度为2.36GHz,范围为3.96GHz~6.32GHz,3dB相对带宽为46.2%。
(2)反射频带两边各有一个吸收频带,分别为1.91GHz~3.54GHz以及6.85GHz~8.86GHz,相对带宽分别为54.1%和24.8%。另外,在每个吸收频带内都有两个传输极点,分别位于fp1=2.18GHz和fp2=3.2GHz以及fp3=7.33GHz和fp4=8.3GHz。
(3)反射频带内的***损耗最大值为0.59dB,吸收频带内的吸收率均高于90%。
(4)该结构整体厚度为12mm,相对于吸收频带最低频率1.91GHz处的波长所对应的电尺寸为0.076倍波长。
有益效果:
1、本发明与现有技术相比,其显著优点为:利用中心嵌有电阻的金属条上的多模谐振,能有效地构造出吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,且其反射频带和吸收频带的带宽能很好的满足应用条件。
2、本发明的厚度最小可以达到0.076倍波长,减小了结构本身带来的RCS影响。所以,本发明具有良好的应用前景。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,其特征在于,包括介质基底和设置在介质基底上表面的若干个呈矩形周期排布的金属单元,所述金属单元包含四个相同的由金属条构成的带缺口的矩形金属环结构,所述缺口由一个顶点起至该顶点所在长边的3/4处,所述金属条总长度的1/2处焊接有贴片电阻,以其中一个矩形金属环内部的一点为旋转中心,依次旋转90°,180°和270°,确定四个互不交叉和互不重叠的矩形金属环的位置。
2.如权利要求1所述的一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,其特征在于,所述金属的材料为铜。
3.如权利要求1所述的一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,其特征在于,所述介质基底采用介电常数为3,损耗正切值为0.0013的Rogers RO3003材料。
4.如权利要求1所述的一种具有吸收-反射-吸收特性的频率选择表面,其特征在于,对于反射频带为C波段的频率选择表面,金属条宽度为0.5mm,矩形金属环的四个边的长度分别为:4.5mm,14.5mm,18mm和14.5mm;与旋转中心最邻近的矩形金属环的两条边距离旋转中心的距离分别为4mm和7mm,相邻两个金属单元之间的距离为2mm。
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