CN110729532B - 基于吸波硅橡胶的双极化吸/透频率选择结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构。目前的诸多吸波/透波型频率选择结构，其吸波功能都是通过构造不同的有耗谐振器来实现的。但有耗谐振器的带宽都比较有限。虽然通过在一个周期单元内叠加多个具有相邻吸波频段的谐振器可以实现宽带吸波，但这样会使得结构过于复杂。本发明采用了具有宽带吸波特性且厚度很薄的吸波硅橡胶来实现宽带吸波。在吸波硅橡胶中挖出一个环形缝隙并且在内壁放置金属薄膜来构建通带，同时在吸波硅橡胶上方加入十字形金属片改善吸波硅橡胶与空气的阻抗匹配，其结构简单，且不需要使用任何集总元器件，故而也无需焊接，加工成本较低。该ATFSS实现了优异性能和简单结构的融合。

Description

基于吸波硅橡胶的双极化吸/透频率选择结构

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种基于吸波硅橡胶的双极化吸/透频率选择结构，可作为天线罩使用，用来降低天线的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。

背景技术

在天线的实际应用中,常常用天线罩来保护天线及其天线***免受外界环境的干扰和影响,使其性能更加稳定,也可以减少腐蚀、延缓衰老以提高天线***的使用寿命。近年来，随着军事作战平台对于隐身性能越来越高的要求，具有降低RCS功能的天线罩成为了研究的热点。

采用频率选择表面/结构(Frequency selective surface/structure,FSS)作为天线罩来降低RCS是目前使用较多的一种方案。FSS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。当作为天线罩使用时，它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，反射波依然可能被双站(bistatic)或者多站(multistatic)雷达***探测到。为了解决这个问题，近年来一种新型的频率选择结构——吸波/透波型频率选择结构(absorptive/transmissive frequency selectivestructure,ATFSS)被提出。它是一种能实现带内传输和带外吸收的新型频率选择结构。与FSS相比，ATFSS将带外入射波的反射替换为了吸收，因此能有效降低单站和多站RCS。

目前已报道的诸多ATFSS，其吸波功能都是通过构造不同的有耗谐振器来实现的。一般来说，有耗谐振器的带宽都比较有限。虽然通过在一个周期单元内叠加多个具有相邻吸波频段的谐振器可以实现宽带吸波，但这样会使得结构过于复杂，大大增加了加工难度和成本，降低了结构的可靠性。总的来说，基于有耗谐振器的ATFSS很难采用简单的结构和较薄的厚度实现宽带吸波。此外，由于有耗谐振器需要使用大量的电阻，这进一步增加了加工成本，也降低了可靠性。为了解决这些问题，本发明提出了一种三维频率选择结构结合吸波硅橡胶的方案。该方案利用一种具有宽带吸波特性且厚度很薄的吸波硅橡胶来实现宽带吸波，同时在吸波硅橡胶上方加入十字形金属片以改善吸波硅橡胶与空气的阻抗匹配。另一方面，通过在吸波硅橡胶中挖出一个环形缝隙并且在内壁放置金属薄膜，构造了一个三维带通频率选择结构，从而实现了一个通带。本发明提出的基于吸波硅橡胶的ATFSS具有一个位于通带和位于通带两侧的两个吸波带。其结构简单，且不需要使用任何集总元器件，故而也无需焊接，加工成本较低。该ATFSS实现了优异性能和简单结构的融合。

发明内容

本发明针对以往基于有耗谐振器的ATFSS难以兼顾较小的厚度、宽带吸波，以及结构复杂，加工成本高等问题，提出了一种基于吸波硅橡胶的双极化ATFSS的设计方案。该方案充分利用吸波硅橡胶自身的宽带吸波特性来实现ATFSS的吸波功能，同时利用吸波硅橡胶在高于吸波带的另一频段低损耗(相当于一块低损耗介质)的特性，嵌入环形金属缝隙来产生ATFSS的透波功能。本发明将吸波材料融合进了ATFSS的设计中，充分利用了吸波材料自身的吸波特性，设计灵活度大。吸波材料的选择可不局限于本发明中采用的吸波硅橡胶，任何具备在某些频段吸波而另一频段低损耗(不吸波)的吸波材料均可使用。本发明提出的ATFSS具有宽带吸波、厚度薄、结构简单、设计灵活性高、加工成本低等优点。

为了达到以上目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于吸波硅橡胶的ATFSS为周期性结构，每个结构单元沿着x、y轴无缝排布。每个周期结构单元包括透波通道和吸波结构，具体包括从上至下依次设置的第一金属片、吸波硅橡胶、第二金属面；其中第一金属片与吸波硅橡胶间留有一定距离的空气层，吸波硅橡胶的下表面设有第二金属面；

吸波硅橡胶开有环形缝隙，在缝隙的两内侧壁下端设有第三、第四金属面，且第三、第四金属面上端至缝隙的两内侧壁上端未设有金属面；

所述的透波通道由嵌在吸波硅橡胶中的环形缝隙以及缝隙内壁两侧的第三、第四金属面组成；

所述的吸波结构由第一金属片、吸波硅橡胶、第二金属面组成。

第一金属片、吸波硅橡胶、第二金属面、环形缝隙的中心位于同一直线上。

上述第一金属片与吸波硅橡胶间的空气层等效为一段无耗传输线，它与第一金属片一起有效地调节了吸波频带的输入阻抗，对于改善ATFSS的吸波性能至关重要。空气层沿着z轴的长度大约为吸波带中心频率的0.08倍波长，本实例中的长度为3.3mm。

作为优选，吸波硅橡胶的类型和厚度可根据具体通带和吸波带指标的需求进行选择。本实例中采用的吸波硅橡胶厚度为3.2mm，其吸波带(2.78GHz到11.40GHz)内反射率(|S₁₁|)低于-10dB，反射带(13.1GHz到16.4GHz)内反射率高于-1dB。吸波硅橡胶的反射频带必须覆盖指标要求的通带。

作为优选，吸波硅橡胶上方的第一金属片形状和尺寸可根据实际吸波带的性能要求进行选择，可以为十字形。该十字形可看作是互为90度旋转的两个长方形的组合。该长方形的长边和宽边分别为6mm和2.5mm，分别约为吸波带中心频率的0.14倍和0.06倍波长。

作为优选，嵌在吸波硅橡胶中环形缝隙可根据实际通带的频段进行选择，其周长可以为23.6mm，约等于通带中心频率的波长。缝隙宽度为0.6mm，其值为通过仿真软件参数扫描取最佳值确定。

作为优选，嵌在吸波硅橡胶中环形缝隙内壁两侧的金属高度可根据实际透波带进行选择，可以为1.5mm，约为通带中心频率的0.07倍波长。第三、第四金属面上端至缝隙的两内侧壁上端距离为1.7mm，即未设有金属面部分。

作为优选，周期结构单元的边长可以根据实际情况进行选择，可以为11mm，约为吸波带中心频率的1/4倍波长。

具体工作原理：该ATFSS对于通带和吸波带的电磁波分别具有透波和吸波特性。由于吸波硅橡胶在13.1GHz～16.4GHz频段内几乎不吸收(近似于一块低损耗介质)，因此入射电磁波刚好可以从环形缝隙中通过。该环形缝隙可以看作是二维带通频率选择表面的三维拓展，其通带频率依然由缝隙的周长决定，即周长约等于λ_p，其中λ_p是通带中心频率对应的真空中的波长。而在吸收频段，由于频率远离通带，电磁波无法透过吸波硅橡胶环形缝隙，入射电磁波会被吸波硅橡胶所吸收。但环形缝隙会导致吸波性能的下降，因此吸波硅橡胶上方的十字形金属片与吸波硅橡胶之间的空气可以等效为一段无耗传输线，有效地调节了吸波硅橡胶的输入阻抗，改善了阻抗匹配，提高了吸波率。

带通型宽带频率选择结构具有以下优点：

(1)该双极化ATFSS在高频透射，入射电磁波可几乎无损通过；在低频吸波，入射电磁波几乎被完全吸收。且由于其结构的旋转对称特性，该ATFSS是双极化的。

(2)该双极化ATFSS脱离传统的二维平面的堆叠，采用三维结构，实现了低、高频吸收特性，通带的***损耗较小，并且在相邻中频处实现了吸波带。

(3)该双极化ATFSS充分利用了吸波材料自身的吸波特性，设计灵活度大，可根据实际指标的要求选用不同的吸波材料。

附图说明

图1是本发明的单元结构的三维示意图；

图2是本发明的单元结构的侧视图；

图3是本发明的单元结构的俯视图；

图4是本发明的单元结构在电磁波正入射时的反射和透射系数；

图5是本发明的单元结构在电磁波正入射时的吸波率；

图6是本发明的单元结构在电磁波斜入射时的反射和透射系数；(a)、(b)分别为TE和TM极化波。

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、图2、图3所示，本发明的基于吸波硅橡胶的双极化ATFSS为周期性结构，每个周期单元结构包括透波通道和吸波结构。具体包括从上至下依次设置的第一金属片1、吸波硅橡胶2、第二金属面5；其中第一金属片1与吸波硅橡胶间留有一定距离的空气层，吸波硅橡胶的下表面设有第二金属面；

吸波硅橡胶2开有正方形环形缝隙，构成回字结构；

在正方形环形缝隙两内侧壁下端设有第三金属面3、第四金属面4，且第三、第四金属面上端至缝隙的两内侧壁上端未设有金属面；

所述的透波通道由嵌在吸波硅橡胶中的环形缝隙以及缝隙内壁两侧的第三、第四金属面组成；

所述的吸波结构由第一金属片、吸波硅橡胶、第二金属面组成。第一金属片1，即作为电磁波入射面。

正方形环形缝隙边长为5.9毫米，宽度为0.6毫米，缝隙深度为3.2毫米，开缝内壁的金属面3边长为4.7毫米，金属面4的边长为5.9毫米，金属面3和金属面4高度都为1.5毫米。吸波结构包括金属片1、吸波硅橡胶吸波材料2及其下表面的金属面5、其中金属片1的边长为6毫米，宽度为2.5毫米，厚度为0.1毫米；吸波硅橡胶2边长为11毫米，吸波硅橡胶2中心的正方形边长为4.7毫米，厚度为3.2毫米，金属片1距离吸波硅橡胶上表面3.3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，l_a为金属片1的长度，w_c为金属片1的宽度，h_s1为吸波硅橡胶的厚度，h_s2为金属片1与吸波硅橡胶之间的间隔，h_a为嵌在吸波硅橡胶中的金属面3、4的高度，w_s为正方形环形缝隙宽度，l_s为该环形金属缝内壁的长度。

图4、图5和图6为该ATFSS的仿真结果。图4为反射和透射系数。可以看到，该结构具有一个从13.6GHz到14.5GHz的通带(|S₂₁|≥-3dB)，通带内插损为1.34dB。同时，在低频3.85GHz到10.39GHz为吸波带(|S₁₁|≤-10dB)。图5为吸波率随频率的变化，很显然在吸波带内的吸波效率高达90％以上，吸波效果极好。图6是斜入射时的透射和反射系数，可以看到在电磁波入射角度达到30°的情况下，该ATFSS依然能够表现出稳定的性能。

Claims (9)

1.基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，为周期性结构，每个结构单元沿着x、y轴无缝排布；其特征在于：

每个周期结构单元包括带通通道和吸波结构，具体包括从上至下依次设置的第一金属片、吸波硅橡胶、第二金属面；其中第一金属片与吸波硅橡胶间留有一定距离的空气层，吸波硅橡胶的下表面设有第二金属面；

吸波硅橡胶开有缝隙深度与吸波硅橡胶高度相同的环形缝隙，在缝隙的两内侧壁下端设有第三、第四金属面，且第三、第四金属面上端至缝隙的两内侧壁上端未设有金属面；

透波通道由嵌在吸波硅橡胶中的环形缝隙以及缝隙内壁两侧的第三、第四金属面组成；

所述的吸波结构由第一金属片、吸波硅橡胶、第二金属面组成。

2.如权利要求1所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波频率型选择结构，其特征在于空气层沿着z轴的长度为吸波带中心频率的0.08倍波长。

3.如权利要求1或2所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，其特征在于吸波硅橡胶的类型和厚度根据具体通带和吸波带指标的需求进行选择：2.78GHz到11.40GHz吸波带内反射率低于-10 dB，13.1GHz到16.4GHz反射带内反射率高于-1 dB。

4.如权利要求1所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，其特征在于第一金属片为十字形，长度为6mm，四个端面宽度为2.5mm，分别为吸波带中心频率的0.14倍和0.06倍波长。

5.如权利要求1所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，其特征在于嵌在吸波硅橡胶中环形缝隙周长为通带中心频率的波长。

6.如权利要求1或5所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，其特征在于嵌在吸波硅橡胶中环形缝隙内壁两侧的第三、第四金属面高度均为通带中心频率的0.07倍波长。

7.如权利要求1或5所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，其特征在于嵌在吸波硅橡胶中环形缝隙宽度为0.6mm。

8.如权利要求1或5所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构，其特征在于环形缝隙为边长为5.9毫米的正方形，宽度为0.6毫米；

环形缝隙的内侧壁上的第三金属面沿y轴向的边长为4.7毫米，第四金属面沿y轴向的边长为5.9毫米，第三、四金属面的高度均为1.5毫米；

第一金属片为十字形，x、y轴向的长度均为6毫米，四个端面宽度为2.5毫米，厚度为0.1毫米；

吸波硅橡胶边长为11毫米，厚度为3.2毫米；

空气层的高度为3.3毫米。

9.一种天线罩，采用如权利要求1-8任一所述的基于吸波硅橡胶的双极化吸波/透波型频率选择结构。

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