CN102723541A - 十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法及其共形低rcs天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法及其共形低RCS天线罩，该十字环形缝隙频率选择表面单元结构体是在介质基板上，采用覆铜技术制作出十字形铜条层和铜屏层，以及十字形铜条层与铜屏层之间存在有十字环形缝隙；将结构体按照周期延拓能够共形得到低RCS天线罩。本发明通过调节结构体的结构尺寸、排布周期及介质基板厚度，使结构体在天线工作中心频率上谐振。天线工作频带内电磁波能够通过天线罩透射出去，而工作频带外电磁波将不能通过天线罩被反射回来。

Description

十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法及其共形低RCS天线罩

技术领域

本发明涉及一种低RCS天线罩，更具体地说，是一种利用十字环形缝隙频率选择表面单元结构体以中心频率为29GHz进行共形得到低RCS天线罩。

背景技术

天线可看作一种精密仪器，对其外形尺寸和表面精度要求都很高。任何一种天线，其正确性、稳定性和可靠性都是很重要的性能指标。天线罩是由天然或人造电介质材料制成的覆盖物，或是由桁架支撑的电介质壳体构成的特殊形状的电磁窗口，它一方面保护天线不受风霜、尘雾、雨雪、冰雹和烈日的破坏，另一方面其存在要尽量不影响天线的辐射性能。

天线是飞行器上的强散射源，对飞行器的RCS（Radar Cross-Section，雷达散射截面）贡献非常大，所以减小天线的RCS是减小飞行器的RCS焦点问题。在天线的工作频带内减小天线的RCS难度非常大，在天线的工作频带外缩减天线的RCS是比较可行的。

频率选择表面（Frequency selective surfaces，FSS）是一种反射或传输特性表现为频率之不同函数的表面，一般指二维周期性结构，有贴片型和开孔型两种结构类型。贴片型是在介质衬底层上周期性地印上规则的导体贴片单元；开孔型是在很大的金属屏上周期性地开规则的孔单元。它们可以实现对电磁波的频率选择作用和极化选择作用，当频率选择表面的单元谐振于电磁波的某一频率上时，这一频率的电磁波将被全反射（贴片型）或全透射（开孔型），而偏离此频率的电磁波将被全透射（贴片型）或全反射（开孔型）。

将频率选择表面用于天线罩是减小天线RCS一种重要手段。在天线工作频段内它具有很好的透波性能，不影响天线的正常工作；而在该频带以外，天线罩等效为一个全反射金属罩，利用其流线形表面将入射的电磁波散射到各个方向去，而不照射到天线上，从而大大地降低了天线的RCS。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种利用十字环形缝隙频率选择表面单元结构体构成的共形低RCS天线罩。利用频率选择表面可以实现电磁波的极化和频率选择的特点，频率选择表面形式为开孔型的十字环形缝隙，适用于任何极化的天线；通过调节结构体的结构尺寸、排布周期及介质基板厚度，使结构体在天线工作中心频率上谐振，天线工作频带内电磁波被全透射，带外电磁波被全反射，从而有效地降低了天线的RCS。

本发明的目的之二在于提出一种对十字环形缝隙频率选择表面单元结构体进行最佳结构体尺寸优化的方法，通过该方法能够使最佳结构体所需涉及的参数少、结构简单、加工容易，对极化不敏感，入射角范围大，带内具有极高的透射率，又很好的滤除带外频率，有效地降低了天线的RCS。

本发明的一种十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法，结构体优化包括有下列步骤：

步骤一：介质基板的优化厚度设置；

依据半波长壁结构公式得到介质基板的优化厚度H；

n为整数，λ0为天线罩谐振频率的电磁波在自由空中的波长，nλ₀为整数倍的波长，ε_b为介质板的介电常数，θ₀为入射角；

步骤二：使用HFSS仿真软件验证介质基板的优化厚度；

步骤201：在HFSS仿真软件中依据步骤一的优化厚度H构建介质基板的三维模型；

步骤202：对步骤201得到的三维模型在频率为28.5GHz～29.5GHz条件下，进行透射系数TR的仿真；若TR≥99%，则选取步骤一的优化厚度H；若TR＜99%，则返回步骤一重新进行优化厚度H参数设置；

步骤三：优化臂长L的理论估计；

依据Ben A.Munk的理论估计优化臂长L，确定出优化臂长L的数字范围为1.3mm＜L＜1.7mm；

步骤四：优化边长A的理论估计；

为了使频率选择表面在任意入射角θ₀都有稳定的谐振频率，优化边长A取值满足A＜0.4λ，λ表示天线工作中心频率的电磁波的波长；即优化边长A取值应满足3mm≤A≤4mm；

步骤五：优化缝隙长W和间距T的理论估计；

依据获得最大透射系数TR，理论估计W取值在0.4mm≤W≤1.2mm，理论估计T的取值0.1≤T≤0.5；

步骤六：最佳结构体的优化尺寸；

步骤601：在HFSS仿真软件中，调入步骤二得到的优化厚度H、步骤三得到的优化臂长L、步骤四得到的优化边长A、步骤五得到的优化缝隙长W和优化间距T进行模型建立，得到第一模型结构体；

步骤602：对步骤601得到的第一模型结构体进行边界、激励端口的设置，得到第二模型结构体；所述激励端口为Floquet端口；所述边界为主从边界；

步骤603：设置第二模型结构体的初始值，分别记为优化臂长初始值L₀、优化边长初始值A₀、优化缝隙长初始值W₀、优化间距初始值T₀，令L₀=1.3mm、A₀=3.6mm、W₀=0.5mm、T₀=0.2mm；

步骤604：依据优化原则对L、A、W、T进行参数优化，得到最佳结构体；

所述优化原则是使最佳结构体谐振在29GHz，1dB带宽最小，带内透视率透射系数大于95%；

对L、A、W、T的参数优化的端值满足：1.3mm＜L＜1.7mm、3mm≤A≤4mm、0.4mm≤W≤1.2mm和0.1≤T≤0.5；

步骤605：优化后的尺寸参数分别为L=1.6mm、A=3.6mm、W=1mm、T=0.4mm；最佳结构体谐振在29GHz，1dB带宽为5GHz，带内的透射系数TR大于97%。

在本发明的十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法，依据优化后的尺寸参数，采用覆铜技术在介质基板（1）上制作出十字环形缝隙频率选择表面单元结构体，所述结构体上设有十字形铜条层（2）和铜屏层（3）；十字形铜条层（2）与铜屏层（3）之间是十字环形缝隙（4）；十字形铜条层（2）和铜屏层（3）构成频率选择表面。

本发明共形低RCS天线罩的优势在于：

①对极化不敏感，适用范围广。十字环形缝隙频率选择表面为对称形，对极化不敏感，适用于任意极化方式天线。

②入射角范围大。经实例仿真验证，入射波来波方向在0°～50°间，透射特性基本保持不变。

③工作频带内完美透射。经过实例仿真验证，在工作频带内透射系数达到97%以上。

④共形低RCS天线罩结构简单，加工容易。

⑤呈现极好的滤波效果，带外透射特性急剧下降，1dB带宽仅为5GHz，很好的滤除了带外频率，从而有效地降低了天线的RCS。

附图说明

图1是本发明的十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的立体结构图。

图1A是图1的正视图。

图1B是标注尺寸的图1的正视图。

图2是采用HFSS仿真软件时的尺寸正视图。

图3是在HFSS仿真软件中构形的十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的立体结构图。

图4是十字环形缝隙频率选择表面单元周期延拓形成阵列的平面型天线罩立体图。

图5是对实施例的S11参数仿真图。

图6是对实施例的透射系数仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

依据频率选择表面对频率和极化的选择，本发明设计了的一种能够共形得到低RCS天线罩的十字环形缝隙频率选择表面单元结构体（简称为最佳结构体）。该共形低RCS天线罩是由多个最佳结构体，并按照位于中心的最佳结构体沿上下左右方向周期延拓排列形成，参见图4所示。通过调节最佳结构体的结构尺寸、排布周期以及介质基板厚度，使最佳结构体在天线工作中心频率上谐振。天线工作频带内电磁波能够通过天线罩透射出去，而工作频带外电磁波将不能通过天线罩被反射回来，从而有效地降低了天线的RCS。

参见图1、图1A、图1B所示，在本发明中，十字环形缝隙频率选择表面单元结构体（简称为最佳结构体）是在介质基板1上采用覆铜技术制作出十字形铜条层2和铜屏层3；十字形铜条层2与铜屏层3之间是十字环形缝隙4。十字形铜条层2和铜屏层3构成频率选择表面。

介质基板1为正方形；介质基板1的边长记为A₁，介质基板1的厚度记为H₁，十字形铜条层2和铜屏层3厚度是相同的，铜屏层3的厚度记为H₃，且H₃＜0.001λ，λ表示天线工作中心频率的电磁波的波长。

十字形铜条层2的臂长记为L₂，十字形铜条层2的臂宽记为W₂，十字形铜条层2的外侧臂与十字环形缝隙4的内腔壁之间的间距记为T_2-4。

十字环形缝隙4的腔长记为L₄，十字环形缝隙4的腔宽记为W₄，十字环形缝隙4的外腔壁与边界线的间距记为L_4-3。

结构体的尺寸关系存在有为：A₁＝2L_4-3+L₄，W₄＝2T_2-4+W₂，L₄＝2T_2-4+L₂。

在本发明中，采用HFSS软件对模型结构体进行尺寸优化设计。优化后的模型结构体的尺寸参数，经覆铜技术加工出多个最佳结构体共形的低RCS天线罩的性能指标最优，具体的模型结构体优化步骤为：

参见图2所示，在HFSS软件中对模型结构体进行尺寸优化，模型结构体优化尺寸参数包括有：

介质基板1的优化厚度H，简称为优化厚度H，且H＝H₁；

十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化边长A，简称为优化边长A，且A＝A₁；

十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化臂长L，简称为优化臂长L，且 $L=\frac{L_2}{2}+T_{2-4};$

十字环形缝隙4的优化缝隙长W，简称为优化缝隙长W，且W＝W₄；

十字形铜条层2与十字环形缝隙4之间的优化间距T，简称为优化间距T，且T＝T_2-4。

在本发明中，对模型结构体进行优化所需达到的性能指标包括有谐振频率f、1dB带宽WB和透射系数TR。

优化厚度H为影响介质基板的透射系数TR的主要参数。

优化臂长L为影响结构体的谐振频率f的主要参数，当优化臂长L近似等于八分之一的波长λ时结构体发生谐振，随着优化臂长L的增大，谐振频率f将减小。

优化边长A为影响对结构体的1dB带宽WB的主要参数，随着优化边长A的增大，1dB带宽WB将减小。

优化缝隙长W和优化间距T为影响结构体的谐振频率f和1dB带宽WB的辅助参数，随着优化缝隙长W和优化间距T的增大，谐振频率f将小幅减小且1dB带宽WB小幅增大。

步骤一：介质基板的优化厚度设置；

依据半波长壁结构公式

得到介质基板1的优化厚度H；

半波长壁结构公式是指国防工业出版社，于1993年10月出版的，杜耀惟著的《天线罩电信设计方法》，在第67页和第68页中介绍。n为整数，λ₀为天线罩谐振频率的电磁波在自由空中的波长，nλ₀为整数倍的波长，ε_b为介质板的介电常数，θ₀为入射角。在本发明中，n的取值为1。则半波长壁结构公式

简化为 $H=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_b-\sin {\mathrm{\θ}}_0}}.$

在本发明中，首先对优化厚度H进行优化是为满足介质基板的透射最大化原则。即介质基板透射系数最大，反射系数最小。介质基板的反射波是指介质基板的前表面反射的波与后表面反射的波的总和，若介质基板的前表面反射波与后表面反射波的幅度相同，相位相反，则反射波总和最小，反射系数最小，透射系数最大。

若要构成天线罩的结构体谐振在频率f=29GHz，自由空中的波长λ₀=10.34mm，选定介电常数为2.65（常规制作电路板的PCB材料板），损耗角正切为0.003的高频介质板为介质层，入射角θ₀=0°，由半波长壁结构公式得优化厚度H=3.18mm，由于实际材料的限制，选定介质基板的优化厚度为3mm。

步骤二：使用HFSS仿真软件验证介质基板的优化厚度；

步骤201：在HFSS仿真软件中依据步骤一的优化厚度H构建介质基板的三维模型，参见图3所示；

步骤202：对步骤201得到的三维模型在频率为28.5GHz～29.5GHz条件下，进行透射系数TR的仿真；若TR≥99%，则选取步骤一的优化厚度H；若TR＜99%，则返回步骤一重新进行优化厚度H参数设置。

步骤三：优化臂长L的理论估计；

依据Ben A.Munk的理论估计优化臂长L，确定出优化臂长L的数字范围。根据Ben A.Munk理论，优化臂长L近似等于八分之一的波长λ时（即

），结构体将发生谐振。当没有加载介质基板时，自由空中的波长为λ₀=10.34mm，优化臂长L取最小记为L_最小，且L_最小应近似等于1.3mm。由于频率选择表面单侧有介质基板加载，其波长受到介质基板的影响。当介质基板的厚度为无限大时，其介质基板中的波长趋近于

ε_b为介质基板的介电常数2.65，则介质基板中的波长λ_b＝13.95mm，优化臂长L取最大记为L_最大，且L_最大应近似等于1.7mm。频率选择表面一面是自由空间，一面加载介质基板，所以使结构体谐振在29GHz上的优化臂长L取值应满足：L_最小＜L＜L_最大即1.3mm＜L＜1.7mm。

步骤四：优化边长A的理论估计；

由于十字形铜条层2和铜屏层3构成频率选择表面，为了使频率选择表面在任意入射角θ₀都有稳定的谐振频率，优化边长A取值满足A＜0.4λ，λ表示天线工作中心频率的电磁波的波长。即优化边长A取值应满足3mm≤A≤4mm。

步骤五：优化缝隙长W和间距T的理论估计；

依据获得最大透射系数TR，理论估计W取值在0.4mm≤W≤1.2mm，理论估计T的取值0.1≤T≤0.5。

步骤六：最佳结构体的优化尺寸；

步骤601：在HFSS仿真软件中，调入步骤二得到的优化厚度H、步骤三得到的优化臂长L、步骤四得到的优化边长A、步骤五得到的优化缝隙长W和优化间距T进行模型建立，得到第一模型结构体，（参见图3所示）；

在图3中，Z轴为介质基板1的厚度方向，X轴为介质基板1的长度方向，Y轴为介质基板1的宽度方向。

步骤602：对步骤601得到的第一模型结构体进行边界、激励端口的设置，得到结构体第二模型；所述激励端口为Floquet端口；所述边界为主从边界；

步骤603：设置结构体第二模型的初始值，分别记为优化臂长初始值L₀、优化边长初始值A₀、优化缝隙长初始值W₀、优化间距初始值T₀，令L₀=1.3mm、A₀=3.6mm、W₀=0.5mm、T₀=0.2mm；

步骤604：依据优化原则对L、A、W、T进行参数优化，得到最佳结构体；

在本发明中，所述优化原则是使最佳结构体谐振在29GHz，1dB带宽最小，带内透视率透射系数大于95%；

在本发明中，对L、A、W、T的参数优化的取值范围为：1.3mm＜L＜1.7mm、3mm≤A≤4mm、0.4mm≤W≤1.2mm和0.1≤T≤0.5。

步骤605：优化后的尺寸参数分别为L=1.6mm、A=3.6mm、W=1mm、T=0.4mm；最佳结构体谐振在29GHz，1dB带宽为5GHz，带内的透射系数TR大于97%。

在本发明中，所述主从边界是指科学出版社，于2009年9月出版的，谢拥军等编著的《HFSS原理与工程应用》，在第106页和第107页中介绍“主从边界条件有主边界和从边界两种边界共同构成，可以模拟平面周期结构，这种结构表面的一侧与另一侧的电场之间有相位差”。

在本发明中，所述Floquet端口指科学出版社，于2009年9月出版的，谢拥军等编著的《HFSS原理与工程应用》，在第95页中介绍“Floquet端口专门用于解决平面周期结构问题。当平面相控阵和频率选择表面可以被理想地视为无限大时，此类结构的电磁问题是应用Floquet端口的恰当例子”。

在HFSS仿真软件中设置主从边界条件，Floquet端口激励，可以通过分析结构体的特性，来分析模拟整个周期延拓结构平面型天线罩的特性。

在本发明中，HFSS 11软件运行在计算机内。所述计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。计算机最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘100GB；操作系统为windowsXP。

实施例

加工制作工作频带28.5GHz~29.5GHz内透射系数大于95%的平面型低RCS天线罩。

在介质基板上横向（X轴向）放置47个最佳结构体，纵向（Y轴向）放置27个最佳结构体。

本实施例中天线罩工作中心频率为29GHz，自由空中的波长λ₀为10.34mm，选定介电常数为2.65，损耗角正切为0.003的高频介质板为介质层，最佳入射角为0°，由半波长壁结构公式得H＝3.18mm，由于实际材料的限制，选定天线罩的介质基板的厚度为3mm。在HFSS仿真软件中建立介质板的模型，仿真在28.5GHz～29.5GHz内的透射系数大于99%，证明选取的3mm厚介质基板是正确的。

依据步骤三、步骤四、步骤五和步骤六进行处理，通过优化仿真得到本实施例中参数的最优值分别为L=1.6mm、A=3.6mm、W=1mm、T=0.4mm，带内的透射系数大于97%，1dB带宽为5GHz。

对实施例进行S11参数仿真，参见图5所示，图中S11参数描述端口的反射特性的参数。S11参数在29GHz上为最低，即为反射最低，证明十字环形缝隙频率选择表面单元结构体在29GHz上谐振。

对实施例进行透射系数仿真，参见图6所示，图中十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的透射系数TR在29GHz时为98%，1dB带宽WB仅为5GHz。

本实施例工作在29GHz，如果要工作在其他频率，需要调整十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的结构尺寸参数、排列周期及介质基板的参数。

本发明提供了一种利用十字环形缝隙频率选择表面单元结构体构成的共形低RCS天线罩。低RCS天线罩结构简单，加工容易，对极化不敏感，入射角范围大，带内具有极高的透射率，又很好的滤除带外频率，有效地降低了天线的RCS。

Claims (7)

1.一种十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一：介质基板的优化厚度设置；

依据半波长壁结构公式

得到介质基板的优化厚度H；

n为整数，λ₀为天线罩谐振频率的电磁波在自由空中的波长，nλ₀为整数倍的波长，ε_b为介质板的介电常数，θ₀为入射角；

步骤二：使用HFSS仿真软件验证介质基板的优化厚度；

步骤201：在HFSS仿真软件中依据步骤一的优化厚度H构建介质基板的三维模型；

步骤202：对步骤201得到的三维模型在频率为28.5GHz～29.5GHz条件下，进行透射系数TR的仿真；若TR≥99%，则选取步骤一的优化厚度H；若TR＜99%，则返回步骤一重新进行优化厚度H参数设置；

步骤三：优化臂长L的理论估计；

依据Ben A.Munk的理论估计优化臂长L，确定出优化臂长L的数字范围为1.3mm＜L＜1.7mm；

步骤四：优化边长A的理论估计；

为了使频率选择表面在任意入射角θ₀都有稳定的谐振频率，优化边长A取值满足A＜0.4λ，λ表示天线工作中心频率的电磁波的波长；即优化边长A取值应满足3mm≤A≤4mm；

步骤五：优化缝隙长W和间距T的理论估计；

依据获得最大透射系数TR，理论估计W取值在0.4mm≤W≤1.2mm，理论估计T的取值0.1≤T≤0.5；

步骤六：最佳结构体的优化尺寸；

步骤601：在HFSS仿真软件中，调入步骤二得到的优化厚度H、步骤三得到的优化臂长L、步骤四得到的优化边长A、步骤五得到的优化缝隙长W和优化间距T进行模型建立，得到第一模型结构体；

步骤602：对步骤601得到的第一模型结构体进行边界、激励端口的设置，得到第二模型结构体；所述激励端口为Floquet端口；所述边界为主从边界；

步骤603：设置第二模型结构体的初始值，分别记为优化臂长初始值L₀、优化边长初始值A₀、优化缝隙长初始值W₀、优化间距初始值T₀，令L₀=1.3mm、A₀=3.6mm、W₀=0.5mm、T₀=0.2mm；

步骤604：依据优化原则对L、A、W、T进行参数优化，得到最佳结构体；

所述优化原则是使最佳结构体谐振在29GHz，1dB带宽最小，带内透视率透射系数大于95%；

对L、A、W、T的参数优化的端值满足：1.3mm＜L＜1.7mm、3mm≤A≤4mm、0.4mm≤W≤1.2mm和0.1≤T≤0.5；

步骤605：优化后的尺寸参数分别为L=1.6mm、A=3.6mm、W=1mm、T=0.4mm；最佳结构体谐振在29GHz，1dB带宽为5GHz，带内的透射系数TR大于97%。

2.根据权利要求1所述的十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法，其特征在于：依据优化后的尺寸参数，采用覆铜技术在介质基板（1）上制作出十字环形缝隙频率选择表面单元结构体，所述结构体上设有十字形铜条层（2）和铜屏层（3）；十字形铜条层（2）与铜屏层（3）之间是十字环形缝隙（4）；十字形铜条层（2）和铜屏层（3）构成频率选择表面。

3.根据权利要求2所述的十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的优化方法，其特征在于：介质基板（1）为正方形。

4.一种利用十字环形缝隙频率选择表面单元构成的共形低RCS天线罩，其特征在于：所述共形低RCS天线罩是由多个十字环形缝隙频率选择表面单元结构体，并按照位于中心的所述十字环形缝隙频率选择表面单元结构体沿上下左右方向周期延拓排列形成。

5.根据权利要求4所述的利用十字环形缝隙频率选择表面单元构成的共形低RCS天线罩，其特征在于：所述十字环形缝隙频率选择表面单元结构体是采用覆铜技术在介质基板（1）上制作出十字环形缝隙频率选择表面单元结构体，所述结构体上设有十字形铜条层（2）和铜屏层（3）；十字形铜条层（2）与铜屏层（3）之间是十字环形缝隙（4）；十字形铜条层（2）和铜屏层（3）构成频率选择表面。

6.根据权利要求4所述的利用十字环形缝隙频率选择表面单元构成的共形低RCS天线罩，其特征在于：介质基板（1）为正方形。

7.根据权利要求4所述的利用十字环形缝隙频率选择表面单元构成的共形低RCS天线罩，其特征在于：所述十字环形缝隙频率选择表面单元结构体的尺寸关系存在有：A₁＝2L_4-3+L₄，W₄＝2T_2-4+W₂，L₄＝2T_2-4+L₂；

A₁表示介质基板的边长；

L_4-3表示十字环形缝隙的外腔壁与介质基板边界线的间距；

L₄表示十字环形缝隙的腔长；

W₄表示十字环形缝隙的腔宽；

T_2-4表示十字形铜条层的外侧臂与十字环形缝隙的内腔壁之间的间距；

W₂表示十字形铜条层的臂宽；

L₂表示十字形铜条层的臂长。

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