CN102856653B - 频率选择复合材料及由其制成的频率选择天线罩和天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种频率选择复合材料，其包括一复合片层，所述复合片层包括两介质基板和置于所述两介质基板之间的结构层，所述结构层包括多条相互平行的第一间断金属线，每一第一间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第一间断金属线的线段的长度均相等、宽度均相等、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均相等；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均相等，而任两相邻第一间断金属线对应位置的线段的两对应端均平齐，使其对低频段的电磁波反射小、透波率高，而具有较好的透波性能，同时可抑制高频段的电磁波而具有带阻功能，从而具有低通高阻频率选择特性。本发明还涉及一种由此频率选择复合材料制成的频率选择天线罩和天线系统。
Description
技术领域
本发明涉及频率选择表面及由其制成的频率选择天线罩和天线系统，更具体地说，涉及一种设计新颖的频率选择复合材料及由其制成的频率选择天线罩和天线系统。
背景技术
天线罩是保护天线免受外界恶劣环境影响的结构件，特别是雷达系统的重要组成部分。传统上，用于制造这类天线罩的材料应具有优良的透波性能、稳定的高温介电性能、低线膨胀系数和抗粒子云侵蚀等特性。但是，天线罩是天线发射的电磁波传播方向上的障碍物，当电磁波经过时，不仅会发生反射，而且被天线罩吸收，造成了电磁能量的损耗。另外，目前的天线罩大多为全带通天线罩，用于飞行平台的雷达系统时，由于其工作于低频段，会在高频段产生谐振，并伴随栅瓣的出现，这时雷达散射截面(英文为Radar Cross Section，简称RCS)较大，当高频电磁波和\或以某入射角入射时，雷达系统很容易被敌方高频信号侦测到。因此，急需开发一种只允许雷达的工作频段的电磁波透射而阻挡非工作频段的电磁波的天线罩材料。
而频率选择表面(英文为frequency selective surface，简称FSS)对电磁波具有良好的选择性，可让其通带内的电磁波呈现全通特性，而让阻带内的电磁波则呈现全反射特性，具有非常好的滤波性能，可用来制作频率选择天线罩。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有良好透波性能的频率选择复合材料及由其制成的频率选择天线罩和天线系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种频率选择复合材料，其包括至少一复合片层，所述复合片层包括两结合在一起的介质基板和置于所述两介质基板之间的结构层，所述结构层包括多条相互平行的第一间断金属线，每一第一间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第一间断金属线的线段的长度均相等、宽度均相等、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均相等；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均相等，而任两相邻第一间断金属线对应位置的线段的两对应端均平齐。
优选地，所述复合片层还包括多条相互平行的第二间断金属线，每一第二间断金属线置于两相邻第一间断金属线之间，且相邻的第一间断金属线与第二间断金属线之间的距离均相等。
优选地，每一第二间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第二间断金属线的线段的长度均等于所述第一间断金属线的线段的长度、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均等于所述第一间断金属线的两相邻线段的两相邻端之间的距离，且所述第二间断金属线的任一线段的中点与相邻第一间断金属线的对应的两相邻线段之间的中点平齐。
优选地，所述线段的长度均为7.9～8.2mm、宽度均为0.07～0.09mm、厚度为0.017～0.018mm。
优选地，任两相邻线段的两相邻端之间的距离均为0.9～1.1mm。
优选地，任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均为8.8～9.4mm。
优选地，所述线段的长度均为8mm、宽度均为0.08mm、厚度为0.0175mm；任两相邻线段的两相邻端之间的距离均为1mm；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均为9mm。
优选地，所述两介质基板均由聚酰亚胺(PI)制成；所述线段由铜制成。
一种频率选择天线罩，其包括至少一复合片层，所述复合片层包括两结合在一起的介质基板和置于所述两介质基板之间的结构层，所述结构层包括多条相互平行的第一间断金属线，每一第一间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第一间断金属线的线段的长度均相等、宽度均相等、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均相等；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均相等，而任两相邻第一间断金属线对应位置的线段的两对应端均平齐。
一种天线系统，包括天线和设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的频率选择天线罩，所述频率选择天线罩包括至少一复合片层，所述复合片层包括两结合在一起的介质基板和置于所述两介质基板之间的结构层，所述结构层包括多条相互平行的第一间断金属线，每一第一间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第一间断金属线的线段的长度均相等、宽度均相等、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均相等；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均相等，而任两相邻第一间断金属线对应位置的线段的两对应端均平齐。
本发明频率选择复合材料及由其制成的频率选择天线罩和天线系统具有以下有益效果：由于其在两介质基板之间设置了间隔设置的多个金属线段，从而使所述频率选择复合材料对低频段的电磁波的反射变小、透波性能提高，而具有较好的透波性能，同时可抑制高频段的电磁波而具有带阻功能，从而具有低通高阻频率选择特性。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明频率选择复合材料的一个复合片层的结构示意图；
图2是图1中所述结构层的第一实施例的平面示意图；
图3是图2的阵列排布示意图；
图4是由第一实施例的结构层制成的一个频率选择复合材料样品的反射系数和透射系数随垂直入射电磁波的频率变化的响应曲线图；
图5是由第一实施例的结构层制成的一个频率选择复合材料样品的反射系数和透射系数随倾斜30度角、倾斜60度角入射电磁波的频率变化的响应曲线图；
图6是图1中所述结构层的第二实施例的平面示意图；
图7是图6的阵列排布示意图；
图8是由第二实施例的结构层制成的一个频率选择复合材料样品的反射系数和透射系数随垂直入射电磁波的频率变化的响应曲线图；
图9是本发明频率选择天线罩和天线系统的示意图。
图中各标号对应的名称为：
10复合片层、12介质基板、14结构层、16间断金属线、18、22、24线段、19结构单元、21第一间断金属线、23第二间断金属线、30天线系统、32天线、34频率选择天线罩
具体实施方式
本发明中的“片层”、“层”、“板”等术语既指平面、曲面、锥面、球面、异形面等任意形状的薄层材料，亦可包括柔软的薄膜，因应用需求而不同。为简明起见，本实施方式中的“复合片层”、“层”、“板”均以平面示意。
如图1所示，本发明频率选择复合材料包括至少一复合片层10，所述复合片层10包括两结合在一起的介质基板12和置于所述两介质基板12之间的结构层14。所述两介质基板12由聚合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制成，如环氧树脂玻璃纤维布(即FR4)、聚四氟乙烯(英文名为Polytetrafluoroethene，简称F4B)、高密度聚乙烯(英文名为High DensityPolyethylene，简称HDPE)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(英文名为Acrylonitrile Butadiene Styrene，简称ABS)或聚酰亚胺(英文名为Polyimide，简称PI)等。所述两介质基板12既可由同一种材料制成，也可由不同的材料制成；其厚度既可相等，也可不等。本实施方式中，所述两介质基板12由同一种材料制成，且厚度相等，均为0.82～0.88mm。
请参考图2，为所述结构层14的第一实施例，其包括多条相互平行的间断金属线16，每一间断金属线16包括多个间隔设置的线段18，所述线段18的长度均相等，任两相邻线段18的两相邻端之间的距离均等于D1，D1＝0.9～1.1mm。任一间断金属线16与相邻间断金属线16之间的距离均等于D2，D2＝8.8～9.4mm，且任两相邻间断金属线16对应位置的线段18的两对应端均平齐。每一线段18均由如铜、银等金属导电材料制成，其截面可以为扁平状或其他任意形状，如圆柱状。本实施例中，每一线段18的长度均等于L1，L1＝7.9～8.2mm、宽度均等于W，W＝0.07～0.09mm、宽度均相等，为0.017～0.018mm。
由上可知，所述线段18为呈阵列排布，如图3所示。若将每个线段18及其所在的方形区域(如图3)内的介质基板部分称为一个结构单元19，如图1中由虚线分隔形成的方形块。这样，所述复合片层10可看作是由多个所述结构单元19阵列而成。一般，每个结构单元19的几何尺寸与根据需要而设定响应的电磁波波长有关，本实施方式中，所述结构单元19的长度与宽度相等，等于图3中L2的长度。实际上，L2等于D2，为8.8～9.4mm。也即，两相邻线段18的中心之间的距离为8.8～9.4mm。
实际制作时，我们可选取一由PI制成且一表面覆有如铜箔等金属箔的PCB板，如美国杜邦公司(Dupont)的卡普顿(Kapton)电路板，在金属箔上通过蚀刻形成所述多条间断金属线16和线段18，在所述PCB板的两表面各叠加四片芳纶纤维半固化片，如美国杜邦公司的凯夫拉(Kevlar)，学名为聚对苯二甲酰对苯二胺，在真空条件(7帕气压)下热压(加热温度为175摄氏度)并保持一小时，即可将它们压制成所述复合片层10。另外，所述多条间断金属线16和线段18也可采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成。
为了验证所述复合片层10的响应特性，以下我们以一424×424mm的样品为例来进行测试。在所述样品中，所述两介质基板12均由美国杜邦公司的凯夫拉制成，厚度均为0.85mm。所述电路板由PI制成，其厚度为0.04mm；所述金属箔为铜箔，厚度为0.0175mm。而任一间断金属线16与相邻间断金属线16之间的距离D2为9mm；每一线段18的长度L1为8mm、宽度W为0.08mm；任一线段18与相邻线段18之间的距离均等于D1为1mm。经测试获得所述样品的反射系数(用R表示)和透射系数(用T表示)随垂直入射电磁波与倾斜30度角、倾斜60度角入射电磁波的频率变化的响应曲线图分别如图4和图5所示。由图可知，在低频段时，所述样品的透波性较好，大约在2～4GHz时反射小于-10dB，而在高频段(如8～12GHz)时反射多，阻止电磁波透过而形成带阻，具有低通高阻的频率选择特性。
请参考图6，为所述结构层14的第二实施例，其包括多条相互平行的第一间断金属线21和第二间断金属线23，所述第一间断金属线21与所述第二间断金属线23交替排布，所述第一间断金属线21与所述第二间断金属线23之间的距离均等于D3，D3＝4.4～4.7mm。每一第一间断金属线21包括多个间隔设置的线段22，所述线段22的长度均相等，任两相邻线段22的两相邻端之间的距离均等于D1，且任两相邻第一间断金属线21对应位置的线段22的两对应端均平齐。每一第二间断金属线23包括多个间隔设置的线段24，所述线段24的长度等于所述线段22的长度，任两相邻线段24的两相邻端之间的距离均等于每一第一间断金属线21的两相邻线段22的两相邻端之间的距离D1，且任两相邻第二间断金属线23对应位置的线段24的两对应端均平齐，而所述第二间断金属线23的任一线段24的中点与相邻第一间断金属线21的对应的两相邻线段22之间的中点平齐。同上，所述线段22、24由如铜、银等金属导电材料制成，其截面可以为扁平状或其他任意形状。本实施例中，所述线段22、24的长度均等于L1、宽度均等于W。
如图7所示，我们用多条正交的虚线分隔所述结构层14，则位于由所述虚线分隔形成的方形区域内的金属线段部分呈阵列排布。若将所速方形区域(如图3)内的介质基板和金属线段部分称为一个结构单元，同图1中由虚线分隔形成的方形块。这样，所述复合片层10同样可看作是由多个所述结构单元阵列而成。一般，所述结构单元的几何尺寸与根据需要而设定响应的电磁波波长有关，本实施方式中，所述结构单元的长度与宽度相等，等于图3中L3的长度。实际上，L3等于2×D3，为8.8～9.4mm。
为了验证由上述第二实施例的结构层14构成的复合片层10的响应特性，以下我们以一424×424mm的样品为例来进行测试。在所述样品中，所述第一间断金属线21与所述第二间断金属线23之间的距离D3为4.5mm，其上同第一实施例。经测试获得所述样品的反射系数(用R表示)和透射系数(用T表示)随垂直入射电磁波的频率变化的响应曲线图如图8所示。由图可知，在低频段时，所述样品同样具有较好的透波性，而在高频段时反射多，阻止电磁波透过而形成带阻，且具有宽频特性。因此，本发明频率选择复合材料具有低通高阻的频率选择特性，高频阻带较宽。
另外，根据实际需要，所述频率选择复合材料可包括多层所述复合片层10，且这些复合片层10既可沿垂直于复合片层表面的方向直接前、后表面相粘接而叠加在一起，也可将这些复合片层10等间距地排列组装在一起。
请参考图9，为本发明频率选择天线罩和天线系统的示意图。所述天线系统30包括天线32和用于保护所述天线32的频率选择天线罩34。所述天线32可以是贴片天线、缝隙天线、微带天线等任意类型的天线，也可以是由上述天线组成的天线阵，其馈电方式可以是同轴线、缝隙耦合、微带线等。所述频率选择天线罩34位于所述天线32接收和/或发射的电磁波的传播方向上。所述频率选择天线罩34包括至少一个所述复合片层10，其他同以上对所述复合片层10的相关描述。而根据实际需要，所述频率选择天线罩34可做成任意形状，如与所述天线32共形的形状，且可将多块平面或曲面的复合片层10通过机械连接、焊接或粘合的方式拼接在一起而构成大型频率选择天线罩，也可将多块平面或曲面的复合片层10叠加在一起而形成更厚的机械强度更高的频率选择天线罩。由上可知，本发明频率选择天线罩和天线系统对于低频段的电磁波，具有较高的透波率，且反射小，且可抑制较宽的高频段的电磁波而具有宽频带阻功能，而具有低通高阻的频率选择特性。此外，为了保护所述频率选择天线罩34，可在其表面上涂覆防酸、防腐、耐磨损等的保护层。
以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种频率选择复合材料，包括至少一复合片层，所述复合片层包括两结合在一起的介质基板和置于所述两介质基板之间的结构层，所述结构层包括多条相互平行的第一间断金属线，每一第一间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第一间断金属线的线段的长度均相等、宽度均相等、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均相等；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均相等，而任两相邻第一间断金属线对应位置的线段的两对应端均平齐；所述两介质基板采用相同的材料；
所述复合片层还包括多条相互平行的第二间断金属线，每一第二间断金属线置于两相邻第一间断金属线之间，且相邻的第一间断金属线与第二间断金属线之间的距离均相等；
每一第二间断金属线包括多个间隔设置的线段，所述第二间断金属线的线段的长度均等于所述第一间断金属线的线段的长度、任两相邻线段的两相邻端之间的距离均等于所述第一间断金属线的两相邻线段的两相邻端之间的距离，且所述第二间断金属线的任一线段的中点与相邻第一间断金属线的对应的两相邻线段之间的中点平齐。
2.根据权利要求1所述的频率选择复合材料，其特征在于，所述线段的长度均为7.9～8.2mm、宽度均为0.07～0.09mm、厚度为0.017～0.018mm。
3.根据权利要求1所述的频率选择复合材料，其特征在于，任两相邻线段的两相邻端之间的距离均为0.9～1.1mm。
4.根据权利要求1所述的频率选择复合材料，其特征在于，任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均为8.8～9.4mm。
5.根据权利要求1所述的频率选择复合材料，其特征在于，所述线段的长度均为8mm、宽度均为0.08mm、厚度为0.0175mm；任两相邻线段的两相邻端之间的距离均为1mm；任一第一间断金属线与相邻第一间断金属线之间的距离均为9mm。
6.根据权利要求1所述的频率选择复合材料，其特征在于，所述两介质基板均由聚酰亚胺(PI)制成；所述线段由铜制成。
7.一种频率选择天线罩，其特征在于，所述频率选择天线罩由权利要求1-6中任一项所述的频率选择复合材料制成。
8.一种天线系统，包括天线，其特征在于，所述天线系统还包括设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的频率选择天线罩，所述频率选择天线罩是权利要求7中所述的频率选择天线罩。
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