CN102637927A - 低通高阻型广义频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种低通高阻型广义频率选择表面，包括，位于最下一层，具有一定透波率的支撑结构，在所述支撑结构的外形表面上，均匀喷涂有0.2mm～0.9mm范围内一定厚度的涂覆型材料，不同频段的低通高阻型的频率选择特性由0.2mm～0.9mm范围内涂覆型材料的不同厚度实现。本发明利用涂覆型材料的不同厚度实现不同频段的低通高阻型的频率选择特性，解决了现有频率选择表面性能设计难度大；受加工制作精度影响；三维曲面化困难的技术难题。本发明可以用作滤波器和雷达罩的雷达散射截面控制。

Description

低通高阻型广义频率选择表面

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于微波和光学领域的广义频率选择表面。频率选择表面(Fss)在微波系统中有着广泛的应用，例如可以用作滤波器，以及雷达罩的雷达散射截面控制等。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种二维周期阵列结构。FSS具有二向色性，是由无源谐振单元（金属贴片或孔径）按一定的排列方式组成的单层或多层周期性阵列结构。其频率选择性源于其周期性结构与电磁波的相互作用。当入射波的频率接近贴片或孔径的谐振频率点时，FSS表现出对入射波全反射或全透射特性。FSS与电磁波相互作用表现出明显的带通(孔径型单元)或带阻(贴片型单元)的滤波特性。理论上频率选择表面是无限大的周期阵列结构,实际应用时对FSS的单元数量都有一定的限制，一般不少于20×20。因此,对于FSS单元面积的小型化就非常具有实用意义。通过减小单元尺寸使得单位面积中能够排列更多数量的单元,因而其整体就能够更好地复现无限大周期时FSS的特性。目前在FSS小型化上已经有许多不同的方法被提出。零厚度阵单元组成的FSS的带宽较窄。为了能在较宽的频带内获得良好的频率选择性能,通常采用多层零厚度阵单元组成的FSS层叠在一起,每层之间具有一定的间隔,并填充介质。介质加载多层FSS的结构虽然可以实现宽频带特性,但多层周期阵列的层叠导致结构复杂,而且还会丧失周期阵列剖面低的优点,不利于与其它器件合成。此外,介质加载多层零厚度FSS形成的结构的机械性能也差。 与零厚度阵单元组成的FSS相比,具有一定厚度的阵单元组成的FSS的频带较宽,近年来引起越来越多的研究者们关注。在某些场合,这种非零厚度阵单元组成的FSS完全可以代替多层零厚度的FSS。

FSS技术在国内的研究起步较晚。早在六十年代国外就开展了FSS的研究,目前已具有较为系统的理论。多层介质加载频率选择表面的反射系数，把入射场分解成对于入射平面而言的垂直极化分量和平行极化分量,采用散射场的切向分量表示平行极化波和垂直极化波入射时所对应的反射场。传统的频率选择表面，是通过对单元形状和介质基片的设计，采用单层或者多层结构，在期望的频带内实现带通或者带阻特性。虽然频率选择表面的研究与应用已有一段时间，但是频率选择表面仍有以下难点未能解决：在实际应用中，频率选择表面非常薄，机械性能较差，频率选择特性设计难度较大；利用传统的FSS达到同频带相似的频率选择特性时，可能需要设计两层、甚至多层的频率选择表面，其频率选择特性受加工制作精度的影响较大，不易控制，在更高频段还会出现高频谐振点，破坏所需的频率选择特性。频率选择表面的三维曲面化困难。在对传统FSS曲面化时，涉及到曲面上单元的设计，入射波的角度及极化对曲面频率选择表面的影响，加工精度要求高，设计困难等，很难保证其频率选择特性。

我国对频率选择表面的分析研究与国外存在较大的差距，仅仅限于几种特殊的结构单元，鲜有对于特殊形状结构或者多层介质频率选择表面的电磁响应特性研究。随着航空航天技术的快速发展，用频率选择表面结构实现天线的多频复用以及设计雷达天线罩，渐渐为国内的学者重视。在频率选择表面理论分析和工程应用方面也作了大量的研究工作，并取得了一定的成果。

发明内容

本发明的目的是针对现有FSS技术存在的不足之处，提出一种能够减小频率选择特性设计难度和三维曲面化困难，并能降低频率选择表面加工难度的低通高阻型广义频率选择表面。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种低通高阻型广义频率选择表面，包括，位于最下一层，具有一定透波率的支撑结构，其特征在于，在所述支撑结构的外形表面上，均匀喷涂有0.2mm～0.9mm范围内一定厚度的涂覆型材料，不同频段的低通高阻型的频率选择特性由0.2mm～0.9mm范围内涂覆型材料的不同厚度实现。

本发明相比于现有技术具有如下有益结果：

1.本发明采用 广义散射矩阵理论(GSM)基于谱域矩量法。把每一层FSS作为单独的模块，根据谐波耦合将Floquet谐波参量转换成广义散射矩阵，应用网络级联理论得到总的广义散射矩阵。采用在具有一定透波率的支撑结构表面上，均匀喷涂有一定厚度的涂覆型材料，利用涂覆型材料的不同厚度实现不同频段的低通高阻型的频率选择特性。用满足一定透波率的介质，或者是满足一定透波率的频率选择表面支撑结构，设计具有低通高阻型频率选择特性的广义频率选择表面。使用涂覆材料实现不同频段的低通高阻型频率选择特性仅需调整涂覆材料的喷涂厚度，受喷涂均匀性影响很小。

本发明广义频率选择表面与传统的FSS相比，频率选择特性设计简单，只需在原设计外形的外表面均匀喷涂一定厚度的涂覆型材料即可，且受加工制作精度（均匀喷涂厚度）的影响较小，其设计、加工难度都有较大下降。

2．本发明中，喷涂了涂覆材料的三维曲面一定程度上具有了频率选择特性。广义频率选择表面利用在三维曲面上喷涂涂覆材料实现频率选择特性，其频率选择特性的实现主要依靠喷涂的涂覆材料，受曲面外形、入射角度、极化等影响均较小，方法简单、易行。

本发明解决了现有频率选择表面的以下难点：频率选择表面性能设计难度；受加工制作精度的影响较大；频率选择表面的三维曲面化困难。

附图说明

图1本发明广义频率选择表面结构示意图。

图2是本发明带阻特性随频率变化的曲线示意图。

图3是本发明的带阻特性随涂覆型材料厚度变化的曲线示意图。

图4是本发明的带阻特性随入射角度的变化的曲线示意图。

图5是本发明选择频选作为支撑结构时带阻特性随频率变化的曲线示意图。

图中：1表面漆，2涂覆型材料，3支撑结构。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的最佳实施例中，低通高阻型广义频率选择表面，包括具有一定透波率的支撑结构，该支持结构3位于最下一层，支持结构3上是涂覆型材料2。对涂覆型材料2进行保护的最外层为表面漆1。首先对支撑结构的外形进行单独设计、加工。然后在设计、加工好的支撑结构3外表面喷涂涂覆型材料2，利用涂覆材料2的不同厚度实现不同频段的低通高阻型的频率选择特性。或者用具有一定透波特性的FSS作为支撑结构，结合FSS与涂覆型材料，更好的实现高阻频率选择特性。

在曲率较大区域利用涂覆型材料2，实现曲面上的频率选择特性，达到频率选择表面的曲面化。对于传统型频率选择表面不好处理的曲率较大的区域，或传统型频率选择表面不能处理的曲面情况，在其外表面均匀喷涂涂覆型材料2，以此实现低通高阻型的广义频率选择表面的曲面化。

均匀喷涂的涂覆型材料厚度的范围从0.2mm到0.9mm随频率变化，1GHz以下低通一般选择喷涂厚度为0.9mm，2GHz以下低通可以选择喷涂厚度为0.35mm，3GHz以下低通可以选择喷涂厚度为0.2mm，在电性能余量允许范围内，可以适当增加喷涂厚度，实现更好的频率选择特性。涂覆型的吸波材料为铁氧体类吸波材料，利用其吸波特性随频率改变的特点，在低频其电厚度较小，损耗正切角较小，对电磁波反射及损耗较小，透波性能较好；高频时电厚度增加，损耗正切角增大，电磁波损耗和反射加剧，并且对电磁波有更好的吸收作用，透波性能变差，实现广义频率选择表面的低通高阻频率选择特性。当支撑结构选择为FSS时，电磁波穿过该广义频率选择表面时，受到FSS与涂覆型材料的共同削减，实现了更好的高阻频率选择特性。支撑结构在工作频段需要满足透波要求。根据应用要求，支撑结构所用介质为易于涂覆材料附着，且满足透波要求的材料，支撑结构可以选择透波率大于80%或90%的玻璃钢、聚四氟乙烯等透明材料。

图2描述了所用涂覆材料的透波系数随频率的一个变化关系。当图2a涂覆材料厚度为0.35mm，扫描角度为30度可以看出随着频率增高，透波率变差。当图2b涂覆材料厚度为0.35mm，扫描角度为80度，可以看出随着频率增高，透波率依然变差，且变化率更大。

图3描述了用涂覆材料的透波系数随涂覆厚度的变化关系。

当图3a、图3b频率2GHz与15GHz、入射波角度(30度) 一定时，透波系数随涂覆厚度增加而变差。在偏离法向一定角度内,如在入射波角度为30度时，在低频通带，正负0.05mm的公差对透波系数只有0.2dB左右的影响。在高频阻带，正负0.05mm的公差对透波系数也只有1dB左右的影响。这使得在利用喷涂一定厚度的涂覆材料设计具有特定的透波系数的频率选择表面时，不需要严格控制喷涂公差，对喷涂厚度的精度要求不高，使得喷涂的控制简单易行。

图4描述了用涂覆材料的透波系数随入射角度的变化关系。当图4a、图4b涂覆材料的频率(2GHz与15GHz时)、喷涂厚度(0.35mm)一定时，其透波系数随入射波角度的变化情况，可以看出低频带透波系数在偏离法向一定角度内非常好。在接近掠入射时，垂直极化的透波系数非常差。利用这种特性可以用来构造低通高阻型的频率选择表面。

图5描述了单独FSS、及涂覆材料结合FSS两种情况下，当入射波角度一定(70度入射)且为垂直极化时，透波系数随频率的变化情况，可以看出涂覆材料结合FSS时，更好的实现了垂直极化的高阻频率选择特性。 

Claims (6)

1.一种低通高阻型广义频率选择表面，包括，位于最下一层，具有一定透波率的支撑结构，其特征在于，在所述支撑结构的外形表面上，均匀喷涂有0.2mm～0.9mm范围内一定厚度的涂覆型材料，不同频段的低通高阻型的频率选择特性由0.2mm～0.9mm范围内涂覆型材料的不同厚度实现。

2.如权利要求1所述的低通高阻型广义频率选择表面，其特征在于，所述的支撑结构是满足一定透波率的介质或频率选择表面。

3.如权利要求1或2所述的低通高阻型广义频率选择表面，其特征在于，所述的涂覆型材料是磁导率和介电常数随频率改变的铁氧体类材料。

4. 如权利要求1所述的低通高阻型广义频率选择表面，其特征在于，广义频率选择表面的曲面化用涂覆型材料实现。

5.如权利要求1所述的低通高阻型广义频率选择表面，其特征在于，随频率变化的覆型材料厚度进行如下选择：1GHz以下低通选择喷涂厚度为0.9mm，2GHz以下低通选择喷涂厚度为0.35mm，3GHz以下低通选择喷涂厚度为0.2mm，在电性能余量允许范围内，可适当增加喷涂厚度。

6.如权利要求1或2所述的低通高阻型广义频率选择表面，其特征在于，支撑结构是透波率大于80%或90%的玻璃钢或聚四氟乙烯材料。

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