CN113036426A - 天线罩及其频率选择表面 - Google Patents

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CN113036426A CN202110261230.3A CN202110261230A CN113036426A CN 113036426 A CN113036426 A CN 113036426A CN 202110261230 A CN202110261230 A CN 202110261230A CN 113036426 A CN113036426 A CN 113036426A
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叶琰
侯新宇
郭太行
谢宇平
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种天线罩及其频率选择表面，其中，频率选择表面结构包括蒙皮层和FSS层，FSS层粘接在两层蒙皮层之间。通过对FSS基本单元的几何参数、蒙皮层厚度的优化设计，使频率选择表面天线罩能够实现Ku波段传输，并具有极化稳定性，在电磁波入射角度为0°～30°范围内具有角度稳定性，在方位角为‑90°～90°范围内有16dBsm的RCS缩减性能，提高了天线***的隐身性能的优点。

Description

天线罩及其频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁波技术领域，尤其涉及一种天线罩及其频率选择表面。
背景技术
天线罩的基本作用是保护天线和天线***免受外界恶劣环境的损害，同时满足空气动力学、热力、电气和隐身等复杂的专业性能。尤其是天线罩应用于卫星、导弹、无人机等时，天线罩需要具有隐身性能。频率选择表面(Frequency Selective Surface，简称FSS)是由特定几何形状的单元按照特定排列方式而成的二维周期结构。天线罩设计问题实际上是两个独立的问题：带内传输性能和带外反射性能。在隐身技术背景下，FSS天线罩是一种行之有效的降低雷达截面(Radar Cross Section，简称RCS)的方法。一般来说，带内雷达截面由天线控制，而不是天线罩；在远离通带的频段，RCS将由天线罩的形状决定；在通带边缘，RCS将是天线罩频率选择表面和天线的组合。
传统天线罩一般采用单层或多层结构，利用层间电磁波的相互反射抵消作用保证其良好的传输性能，同时拥有较好的力学性能。但是传统天线罩在电磁调控方面能力有限，无法满足通信天线与天线***的性能要求。与传统天线罩相比，FSS天线罩的性能更为复杂，FSS天线罩在天线工作频段内电磁透明，保证天线工作频带内的电磁波通过，其RCS特性类似于介质天线罩；对于工作频带外的电磁波则是完全反射(或适度损耗)的，其RCS特性类似于金属罩，由此保证自身正常工作的前提下，保护天线免受敌方信号干扰，并大大降低天线***的RCS。传统天线罩的RCS缩减性能不佳，因此，针对以上不足，需要提供一种有效缩减RCS的FSS天线罩结构。
发明内容
为了解决或至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种频率选择表面，包括蒙皮层和FSS层，其中FSS层粘接在两层蒙皮层之间。
可选地，蒙皮层由环氧树脂增强型玻璃纤维制成。
可选地，FSS层包括在二维平面内周期排列的正六边形基本单元。
可选地，在所述基本单元中，沿所述正六边形的内侧设置有与所述正六边形同心的圆环缝隙，所述圆环缝隙内排布有若干个图形孔。
可选地，所述图形孔为椭圆形孔。
可选地，所述椭圆形孔至少有三个，且所述椭圆形孔绕所述正六边形的中心以中心对称的方式分布，所述椭圆形孔的长轴指向所述正六边形的中心。
可选地，所述椭圆形孔的长轴为1.2mm，短轴为0.6mm。
可选地，所述正六边形的边长为2.9mm，所述圆环的半径R＝2mm，圆环的宽度w＝0.3mm。
可选地，所述正六边形基本单元按照正三角形阵列方式周期排列，其水平方向阵列周期为4.35mm，垂直方向阵列周期为2.51mm。
本申请还提供了一种天线罩，其上设置有前述的频率选择表面。
(三)有益效果
本申请的上述技术方案具有如下优点：
1.本申请基于圆环缝隙和椭圆孔径FSS单元具有良好的中心对称性，使得该频率选择表面具有良好的极化稳定性，并且在0～30°有很好的角度稳定性。
2.本申请基于圆环缝隙和椭圆孔径频率选择表面天线罩能够实现Ku波段带通，有良好的传输性能，确保天线***在该频段正常工作。
3.本申请基于圆环缝隙和椭圆孔径频率选择表面天线罩能够实现Ku波段外的频率截止，实现了良好的带外反射性能，降低了天线***RCS，保护天线免受敌方信号干扰。
4.本申请的天线罩采用环氧树脂增强的玻璃纤维材料，罩壁厚度约1mm，满足基本的力学强度要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的实施方式，下面将对相关的附图做出简单介绍。可以理解，下面描述中的附图仅用于示意本申请的一些实施方式，本领域普通技术人员还可以根据这些附图获得本文中未提及的许多其他的技术特征和连接关系等。
图1是本申请的频率选择表面天线罩的结构示意图。
图2是本申请的频率选择表面平板天线罩的结构示意图。
图3是本申请的FSS基本单元结构图。
图4是本申请的FSS阵列单元结构图。
图5是本申请的FSS阵列单元的垂直极化时入射角从0°变化到70°的传输系数曲线图。
图6是本申请的FSS阵列单元的水平极化时入射角从0°变化到70°的传输系数曲线图。
图7是本申请的天线罩的测试RCS结果。
附图标记说明：
1、蒙皮层；2、FSS层；21、FSS基本单元21。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请进行详细说明。
本申请要解决的技术问题是解决现有的介质天线罩在电磁调控能力差的问题与传统天线罩在RCS缩减方面的性能不佳的问题。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种频率选择表面，包括蒙皮层和FSS层，其中FSS层粘接在两层蒙皮层之间。
可选地，蒙皮层由环氧树脂增强型玻璃纤维制成。
可选地，FSS层包括在二维平面内周期排列的正六边形基本单元。
可选地，在所述基本单元中，沿所述正六边形的内侧设置有与所述正六边形同心的圆环缝隙，所述圆环缝隙内排布有若干个图形孔。
可选地，所述图形孔为椭圆形孔。
可选地，所述椭圆形孔至少有三个，且所述椭圆形孔绕所述正六边形的中心以中心对称的方式分布，所述椭圆形孔的长轴指向所述正六边形的中心。
可选地，所述椭圆形孔的长轴为1.2mm，短轴为0.6mm。
可选地，所述正六边形的边长为2.9mm，所述圆环的半径R＝2mm，圆环的宽度w＝0.3mm。
可选地，所述正六边形基本单元按照正三角形阵列方式周期排列，其水平方向阵列周期为4.35mm，垂直方向阵列周期为2.51mm。
本申请还提供了一种天线罩，其上设置有前述的频率选择表面。接下来，将以具体的实施方式来详细说明本申请的发明内容。
实施方式一
本申请第一实施例的天线罩呈尖锥状，高度500mm，底面圆心321mm，尖锥形天线罩顶角为35.6°，天线罩的长细比为1.56。当天线波束指向天线罩的尖端时，有天线波束的最大入射角为72.2°。基于圆环缝隙和椭圆孔径单元的锥形频率选择表面天线罩的结构，结合图1、图2，包括蒙皮层1和FSS层2，其中FSS层2粘接在两层蒙皮层1之间。蒙皮层1为环氧树脂增强型玻璃纤维材料，相对介电常数为3.15，损耗正切角为0.001，厚度为0.5mm。FSS层2为在二维平面内按照正三角形阵列方式排列的FSS基本单元21构成。
参照图3，所述频率选择表面的基本单元21由正六边形构成，正六边形的边长L＝2.9mm，正六边形中有一缝隙形圆环，圆环的半径R＝2mm，缝隙宽度w＝0.3mm。正六边形中还有四个中心对称的椭圆孔径，第一个椭圆的中心在x轴上圆环1/2半径处，椭圆孔径的长轴a＝1.2mm，短轴b＝0.6mm,然后绕原点旋转90°，180°和270°构造另外三个椭圆。
参照图4，所述频率选择表面阵列结构将FSS基本单元21按照正三角形方式排列，水平方向的排列周期D1＝4.35mm，垂直方向的排列周期D2＝2.51mm。
结合图2、图5和图6，本发明的天线罩罩壁结构在使用时，各种频率的电磁波信号经过由蒙皮层1和FSS层2组成层的频率选择结构。该结构对入射的电磁波进行频率选择性滤波，通过三维电磁仿真软件CST对本发明的实施例的传输系数和反射系数进行仿真。由图5和图6可知，上述实施例实现了Ku波段传输，谐振频率为f0＝15.1GHz，***损耗为0.05dB。在垂直极化和水平极化下，本设计在谐振点处为所有入射角提供了完全传输。上述实施例的-1dB通带范围为13.6～16.8GHz，带宽为3.2GHz。当入射角在0°～15°时，上述实施例有良好的极化稳定性和角度稳定性。
结合图1、图5和图7，根据上述实施例，仿真了该频率选择表面的RCS性能，结合图5，选取谐振频率f0和通带外一频率点f1＝8.2GHz进行测试，其中，f1对应传输系数为-10dB。由图7可知，方位角在-90°～90°范围内，谐振频率f0对应的RCS比带外频点f1的RCS低，当方位角为0°时，RCS降低了9.6dBsm。计算方位角在-90°～90°范围内RCS的均值得，谐振频率f0对应的RCS均值为-35dBsm，带外频点f1的RCS均值为-17dBsm，带内频点的RCS比带外频点的RCS降低了16dBsm。
以上仿真结果说明，本实例的基于椭圆孔径的频率选择表面实现在Ku波段高传输低***损耗的电性能，-1dB传输带宽为3.2GHz，并有良好的极化稳定性和角度稳定性。RCS仿真结果表明，本实例的天线罩罩壁结构实现了16dBsm的RCS缩减。本实例的基于椭圆孔径的频率选择表面在保证天线***带内高传输性能的情况下，又提高了天线***的隐身性能。
综上所述，本申请的技术方案具有如下有益效果：
1.本申请基于圆环缝隙和椭圆孔径FSS单元具有良好的中心对称性，使得该频率选择表面具有良好的极化稳定性，并且在0～30°有很好的角度稳定性。
2.本申请基于圆环缝隙和椭圆孔径频率选择表面天线罩能够实现Ku波段带通，有良好的传输性能，确保天线***在该频段正常工作。
3.本申请基于圆环缝隙和椭圆孔径频率选择表面天线罩能够实现Ku波段外的频率截止，实现了良好的带外反射性能，降低了天线***RCS，保护天线免受敌方信号干扰。
4.本申请的天线罩采用环氧树脂增强的玻璃纤维材料，罩壁厚度约1mm，满足基本的力学强度要求。
最后应说明的是，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本申请，本申请的实施方式提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种频率选择表面，其特征在于：包括蒙皮层和FSS层，其中FSS层粘接在两层蒙皮层之间。
2.如权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于：蒙皮层由环氧树脂增强型玻璃纤维制成。
3.如权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于：FSS层包括在二维平面内周期排列的正六边形基本单元。
4.如权利要求3所述的一种频率选择表面，其特征在于：在所述基本单元中，沿所述正六边形的内侧设置有与所述正六边形同心的圆环缝隙，所述圆环缝隙内排布有若干个图形孔。
5.如权利要求4所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述图形孔为椭圆形孔。
6.如权利要求5所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述椭圆形孔至少有三个，且所述椭圆形孔绕所述正六边形的中心以中心对称的方式分布，所述椭圆形孔的长轴指向所述正六边形的中心。
7.如权利要求5所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述椭圆形孔的长轴为1.2mm，短轴为0.6mm。
8.如权利要求4所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述正六边形的边长为2.9mm，所述圆环的半径R＝2mm，圆环的宽度w＝0.3mm。
9.如权利要求3所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述正六边形基本单元按照正三角形阵列方式周期排列，其水平方向阵列周期为4.35mm，垂直方向阵列周期为2.51mm。
10.一种天线罩，其特征在于，其上设置有权利要求1至9中任意一项所述的频率选择表面。
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