CN104103877A - 阻抗型频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种阻抗型频率选择表面，在频率选择表面层(1)引入构造了有耗网络的介质间隔层(2)和电阻加载层(3)，电阻加载层(3)及隔离匹配层等效电载加载网络与频率选择表面层级联，率选择表面层和电阻加载层附着于介质间隔层；频率选择表面层对入射波电磁波电容、电感加载，引入反射损耗；电阻加载层对阻抗型频率选择表面层入射波、电磁波电阻加载；介质间隔层对加载电阻、电容、电感的匹配。本发明通过引入介质间隔层、电阻加载层，消除了现有频率选择表面阻带频段为全反射特性的限制，对阻带频段进行有效缩减，解决了现有频率选择表面天线罩RCS受限于结构外形的技术难题。本发明可以用作空间滤波器和天线罩的雷达散射截面控制。

Description

阻抗型频率选择表面

技术领域

本发明涉及一种应用于天线雷达散射截面(RCS)控制及电磁屏蔽等领域，透波及反射特性可综合设计的阻抗型频率选择表面，其较现有频率选择表面具有更好的应用效果。

背景技术

频率选择表面(Frequency Select Surface)是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的导电贴片单元或在导电屏上周期性排列的孔径单元构成的。这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(孔径型)。沿一维或二维方向周期排列的金属贴片阵列或金属平面上的孔径阵列可实现低通、高通、带通和带阻等不同的滤波器特性。频率选择表面对电磁波具有频率选择特性，能够有效的控制电磁波的传输和反射，其与电磁波相互作用可表现出明显的带通或带阻等频率滤波特性。就其本质而言是一个空间电磁滤波器，并且与一般意义上的通过电容、电感组成的滤波器在实现目的上是一致的。

根据频率选择表面谐振单元形式，主要可分为贴片类型、开槽类型。贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般而言是作为带阻型滤波器；开槽类型是在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔，其具有带通型滤波响应特性。对于开槽型频率选择表面，当低频电磁波照射时将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的开槽阵列反射系数低，透射系数高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，因此，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。因此，当高频电磁波入射时，透射系数减小，反射系数增大。综上所述，开槽型FSS可实现带通滤波的频率选择特性。

FSS通常还可以采用等效电路方法对其透波的频率选择特性进行分析，其周期性排布的导电片或导电屏上的孔径，可以等效为电容及电感的无耗并联网络。开槽型FSS从等效电路方法的角度来看，可以表述为电容、电感并联的等效电路。在低于谐振频率时，开槽类型的呈现感性电路特性；在高于谐振频率时，呈现容性电路特性。在入射电磁波频率为谐振频率时，开槽型FSS对谐振频率的电磁波是“透明”的。而贴片类型FSS恰恰相反，可以表述为电容、电感串联的等效电路，当入射波的频率接近其谐振频率时，将表现出对入射波全反射特性。

FSS具有特定的频率选择作用，因而被广泛地应用于微波、红外甚至可见光波段。目前FSS的应用十分广泛，可用于反射面天线的负反射器以实现频率复用，提高天线的利用率；可用于波极化器、分波束仪，对不同极化的波进行分离；可用作激光器的“腔体镜”，以提高激光器的泵浦功率；还可用于隐身技术，如FSS天线罩以降低天线系统的雷达散射截面(RCS)。其中，FSS天线罩则是其重要的应用之一，利用频率选择表面的特性，可实现在天线工作频段内，天线罩是透明的；在天线工作频段外，天线罩是全反射的，从而屏蔽罩内天线的强反射，并依靠罩体本身的几何外形提供重要角域方向的低RCS特性，达到降低天线系统的RCS的目的。

FSS频率响应特性的主要指标有中心频率、中心频率处的透过率、传输带宽等，这些特性主要取决于FSS谐振单元的形式、单元的尺寸、单元的排布方式以及介质衬底的厚度、电参数等。影响FSS频率响应特性的因素还包括了入射波的极化方式与入射角度。在FSS的实际工程应用中,很多情况下入射波的极化方式是未知的,并且入射角度范围大,此时要采用一种对不同入射角度和极化方式性能都稳定的FSS结构,即兼具极化和角度稳定性的FSS。对于FSS极化稳定性的问题,正入射时可以选取对称单元实现极化稳定性，如圆形、六边形等，但是工程应用中往往涉及到大的入射角度,此时仅仅依靠单元的对称性已经不能实现结构的极化稳定性，还需要对各参数进行优化设计。频率选择表面还可通过多层级联的方式，实现特殊频率响应特性的设计。频率选择表面具有众多的几何参数和物理参数用于调整其频率响应特性，以满足各种实际需要，因此它的设计具有较强的灵活性；但另一方面，由于结构复杂、参数众多,FSS的理论分析和设计非常困难。形状简单的单元带栅型、网格型、栅环型、方环型等,其等效电路及相关的等效参数容易确定,而其它几何形状的单元,则由于等效电路参数不易直接获取而在应用中受到限制。近年来已发展的一些数值方法,如时域有限差分(FDTD)、有限元(FEM)以及积分方程(IE)方法等，由于计算内存占用量大、计算量大,从而导致计算效率很低。

根据给定的频率选择特性，FSS的设计过程大致有以下几个步骤：1)由要求的频率响应特性确定所需FSS的层数及各层FSS的导纳特性，FSS层数决定于频选特性的带宽、陡峭程度等。2)选择适当的FSS单元形式，使之满足各层FSS的导纳特性要求。3)根据初步FSS结构参数，分析其频率响应特性，并进行优化及迭代设计。

由于频率选择表面的作用原理和技术特点，其在应用方面还存在以下不足：

1.频率选择表面的阻带频段内，反射波等于入射波，即能量全反射，因此频率选择表面在隐身天线罩应用中受限于罩体结构外形。根据频率选择表面天线罩的技术特点，即其在天线工作频段外为阻带，因此罩体的自身几何外形是确定其带外RCS的主要因素，为了实现其低RCS特性往往需要罩体具有曲面流线型的几何外形，从而给频率选择表面天线罩的设计、加工带来极大的困难，甚至难以实现；

2.频率选择表面的透波特性仅由金属图案层确定，为实现更加陡峭的频选特性，需要采用多层金属图案进行级联的方式，从而大大增加了设计及加工难度，使其工程实现变得极为困难。

发明内容

本发明是针对现有频率选择表面技术的不足之处，提出了能够对反射、透射系数分别进行自由设计的阻抗型频率选择表面，可实现对阻带反射系数的控制及缩减，从而解决了现有频率选择表面在隐身天线罩应用中受限于罩体结构外形等技术难题，并为实现更加陡峭的频选特性提供了新的技术手段。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种阻抗型频率选择表面，包括：沿二维方向周期排列的金属贴片阵列或金属平面上的孔径阵列金属图案组成的频率选择表面层1，其特征在于，频率选择表面层1引入构造了有耗网络的介质间隔层2和电阻加载层3，电阻加载层3及隔离匹配层2等效电载加载网络与频率选择表面层1级联，率选择表面层1和电阻加载层3附着于介质间隔层2；频率选择表面层1对入射波电磁波电容、电感加载，引入反射损耗；电阻加载层3对阻抗型频率选择表面层1入射波、电磁波电阻加载；介质间隔层2对加载电阻、电容、电感的匹配。

本发明相比于现有技术具有如下有益结果：

1.本发明通过引入电阻加载层及隔离匹配层，与传统频率选择表面相比，构造了具有电容、电感、电阻及传输线组成的有耗网络，与传统频率选择表面仅等效为电容、电感组成的无耗网络相比，可通过对等效电阻、传输线的综合设计，增加了对频率响应特性的设计自由度；同时等效电阻的引入也突破了传统频率选择表面反射与透射系数的相关特性，通过对电容、电感、电阻及传输线的综合优化，可实现对反射与透射特性的自由(非相关)设计，从而扩展了其在雷达散射截面控制、电磁屏蔽等方面的应用范围。

2.传统频率选择表面其阻带频段为全反射，因此阻带频段RCS具有与其金属化外形RCS相当。本发明通过引入电阻加载层，实现了对部分频段入射波的能量吸收；并通过引入隔离匹配层，实现了对阻带频段反射系数的设计及有效缩减，突破了传统频率选择表面阻带频段为全反射的理论限制，可实现在阻带频段内比其金属化外形更低的后向散射，因此其在天线的雷达散射截面控制方面具有更好的应用效果。

3.本发明通过对电阻加载层及隔离匹配层的设计，其等效电阻及传输线网络可实现一定的频率选择特性，通过与频率选择表面层的级联，可实现更加陡峭的频选特性或特殊的频选特性，实现了传统多层频率选择表面才能达到的频选特性。

本发明利用频率选择表面层实现了对其透波特性的自由设计，并通过引入介质间隔层、电阻加载层，实现了对反射特性的自由设计，消除了现有频率选择表面阻带频段为全反射特性的限制，对阻带频段进行有效缩减，解决了现有频率选择表面天线罩RCS受限于结构外形的技术难题。本发明可以用作空间滤波器和天线罩的雷达散射截面控制。

附图说明

图1是本发明阻抗型频率选择表面的结构示意图。

图2是图1的等效电路图。

图3是本发明带阻类的频率选择表面层反射、透射率随频率变化的示意图。

图4是本发明带阻类的反射、透射率随频率变化的示意图。

图5是本发明带通类的频率选择表面层反射、透射率随频率变化的示意图。

图6是本发明带通类的反射、透射率随频率变化曲线图。

图中：1选择表面层，2介质间隔层，3电阻加载层。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，阻抗型频率选择表面由频率选择表面层1、介质间隔层2、电阻加载层3组成。其中，介质间隔层2由损耗较小的泡沫、玻璃钢、聚四氟乙烯等介质材料构成。由单层或多层周期性金属图案构成的频率选择表面层1附着于介质间隔层2，位于最外面的频率选择表面层1由其周期性金属图案组成，实现对入射波电磁波电容、电感加载，达到从频率对透波特性进行设计的目的。位于频率选择表面层1内表面的介质间隔层2，亦可包括一定的支撑材料或结构；电阻加载层3附着于介质间隔层2，位于介质间隔层2的外表面。位于最内面的电阻加载层3由具有高损耗特性的材料或电阻膜组成，实现对入射波的能量吸收，达到引入反射或传输损耗的目的。从等效电路分析，即实现了等效电阻的并联加载。位于中间的隔离匹配层2由低损耗介质材料组成，可对传输及反射波的相位进行调整，通过其参数的优化，可实现反射率的频率响应特性的设计，从等效电路分析，即通过传线的优化，实现等效各匹配。根据电阻加载层加载材料的不同，对介质间隔层2的需求也不同，特殊情况可不需要该介质间隔层。

参阅图2。采用等效传输线法及等效电路法，对本发明阻抗型频率选择表面各结构层进行分析，频率选择表面层1可等效为电容、电感网络；介质隔离层2可等效为传输线；电阻加载层3可等效为并联电阻单元或有耗传输线。根据级联矩阵理论，阻抗型频率选择表面的归一化级联矩阵，可由各层级联得到：

$\left[\stackrel{\‾}{A}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \stackrel{\‾}{G}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{kd}\right)& j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)\·{\stackrel{\‾}{Z}}_c\\ j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)/{\stackrel{\‾}{Z}}_c& \cos \left(\mathrm{kd}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \stackrel{\‾}{Y}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{kd}\right)& j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)\·{\stackrel{\‾}{Z}}_c\\ j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)/{\stackrel{\‾}{Z}}_c& \cos \left(\mathrm{kd}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \stackrel{\‾}{G}& 1\end{array}\right]$

其中，是归一化级联矩阵，为电阻加载层的等效并联归一化导纳；k为介质间隔层的波数，d为其介质厚度，为其归一化波阻抗，为频率选择表面层的等效并联导纳，j为虚数单位，且

$\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{1/{\mathrm{jwC}}_1+{\mathrm{jwL}}_1}+\frac{1}{1/{\mathrm{jwC}}_2+{\mathrm{jwL}}_2}$

当仅有电容C₁、电感L₁串联等效电路时，电容C₂为零、电感L₂趋近于无穷大，频率选择表面层1具有带阻的透波特性；当仅有C₁、L₂并联等效电路时，L₁为零、C₂趋近于无穷大，频率选择表面层1具有带通的透波特性。

采用散射矩阵与归一化级联矩阵的关系，可得到阻抗型频率选择表面的反射、透射系数

$\left[S\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{a+b-c-d}{a+b+c+d}& \frac{2(a\·d-b\·c)}{a+b+c+d}\\ \frac{2}{a+b+c+d}& \frac{b+d-a-c}{a+b+c+d}\end{array}\right]$

其中，S₁₁、S₂₁分别为等效电路端口1的反射及透射系数，S₁₂、S₂₂分别为等效电路端口2的反射及透射系数。由于本发明具有内、外对称的结构形式，因此其为互易网络，等效电路端口1、等效电路端口2具有相同的反射、透射率，且有S₁₁＝S₂₂、S₂₁＝S₁₂。本发明通过引入电阻加载层3、介质间隔层2，可在保证特定透射系数S₁₂、S₂₁要求的情况下，对阻带频段的反射系数S₁₁、S₂₂进行非相关设计，实现比传统频率选择表面更低的反射系数。

通过应用等效分析方法及吸收体设计原理，本发明阻抗型频率选择表面可实现对阻带反射率的有效缩减，假设该阻抗型频率选择表面的反射缩减频段的中心频点f1，其最佳实施方式包括以下步骤：

(1)根据透波特性要求，对阻抗型频率选择表面的频率选择表面层1进行设计，其设计方法可参照传统频率选择表面的设计；

(2)根据该阻抗型频率选择表面的反射缩减频段的中心频点f1，按电阻吸收屏设计原理对介质隔离层2进行设计，要求其等效传输线长度为1/4中心频点f1的介质波长；

(3)根据该阻抗型频率选择表面的透波频段及介质隔离层的厚度要求，对介质的参数进行设计，如介电常数等，以保证透波频段良好的透波率；

(4)根据该阻抗型频率选择表面的反射缩减频段及透波频段的范围，按电阻吸收屏设计原理对电阻加载层3等效并联网络的归一化导纳随频率变化情况进行设计，即在反射缩减频段的中心频点f1归一化导纳为1，在其透波频段归一化导纳为零，自由空间波阻抗为377欧。

在最佳实施方案的设计条件下，阻抗型频率选择表面可在保证频率选择表面层(传统频率选择表面)透波特性的条件下，使反射缩减频段反射率最小。若阻抗型频率选择表面的反射缩减频段仍有一定透波特性，可通过对介质隔离层2厚度、加载导纳进行适当优化，仍可实现在设计频段内反射系数的有效缩减。

本发明可根据透波特性的不同分为带阻类、带通类、低通类、高通类，其主要由频率选择表面层的透波特性确定。

图3描述了带阻类的频率选择表面层反射、透射率随频率的变化关系。本发明的频率选择表面层可以为传统的频率选择表面，等效电路为无耗互易网络。因此在图3中，等效电路端口1、2具有相同的反射、透射率，并且在各频点的反射、透射率之和为1，在阻带频段为全反射。

图4描述了本发明带阻类反射、透射率随频率的变化关系。

在图4a中，反射缩减频率f1为带阻的中心频率f0，在频率f1的透波率小于1％，通过采用最佳实施方式，本发明与其图3所示频率选择表面层的反射率相比，在40％相对带宽范围内均有6dB以上的缩减效果，并且在反射率在缩减频率f1可趋近于零；本发明与其图3所示频率选择表面层的透射率相比，阻带频段的带宽及截止特性均有了进一步的提高，而在阻带频段外仍具有良好的传输性能。

在图4b中，反射缩减频率f1为带阻的中心频率f0的1.2倍，在频率f1仍有一定透波特性(约20％)，通过采用最佳实施方式，并对介质隔离层厚度进行适当优化(约1/4.6个介质波长)，本发明与图3所示其频率选择表面层的反射率相比，在40％相对带宽范围内均有10dB以上的缩减效果，并且在反射率在缩减频率f1可趋近于零；本发明与其图3所示频率选择表面层的透射率相比，阻带频段的带宽及截止特性均有了进一步的提高，而在阻带频段外仍具有良好的传输性能。

图5描述了本发明带通类的频率选择表面层反射、透射率随频率的变化关系。频率选择表面层1可以为传统的频率选择表面，其等效电路为无耗互易网络。因此在图3中，等效电路端口1、2具有相同的反射、透射率，并且在各频点的反射、透射率之和为1，在阻带频段为全反射。

图6描述了本发明带通类反射、透射率随频率的变化关系。

在图6中，反射缩减频率f1为带阻频段，在频率f1的透波率小于10％，通过采用最佳实施方式，本发明与其图5所示频率选择表面层的反射率相比，在40％相对带宽范围内均有10dB以上的缩减效果，并且在反射率在缩减频率f1可趋近于零；本发明与其图5所示频率选择表面层的透射率相比，在通带频段内仍具有良好的传输性能，并且阻带频段的截止特性有了明显提高。

Claims (10)

1.一种阻抗型频率选择表面，包括：沿二维方向周期排列的金属贴片阵列或金属平面上的孔径阵列金属图案组成的频率选择表面层(1)，其特征在于，频率选择表面层(1)引入构造了有耗网络的介质间隔层(2)和电阻加载层(3)，电阻加载层(3)及隔离匹配层(2)等效电载加载网络与频率选择表面层(1)级联，率选择表面层(1)和电阻加载层(3)附着于介质间隔层(2)；频率选择表面层(1)对入射波电磁波电容、电感加载，引入反射损耗；电阻加载层(3)对阻抗型频率选择表面层(1)入射波、电磁波电阻加载；介质间隔层(2)对加载电阻、电容、电感的匹配。

2.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，介质间隔层(2)由泡沫、玻璃钢、聚四氟乙烯其中一种介质材料构成。

3.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，电阻加载层(3)等效并联网络的归一化导纳随频率变化，在反射缩减频段的中心频点f1归一化导纳为1，在其透波频段归一化导纳为零。

4.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，位于最内面的电阻加载层(3)由具有高损耗特性的材料或电阻膜组成，实现对入射波的能量吸收。

5.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，位于中间的隔离匹配层(2)由低损耗介质材料组成，对传输及反射波的相位进行调整，实现反射率的频率响应特性。

6.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，频率选择表面层(1)等效为电容、电感网络；介质隔离层(2)等效为传输线；电阻加载层(3)可等效为并联电阻单元或有耗传输线。

7.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，根据级联矩阵理论，阻抗型频率选择表面的归一化级联矩阵，由各层级联得到：

$\left[\stackrel{\‾}{A}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \stackrel{\‾}{G}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{kd}\right)& j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)\·{\stackrel{\‾}{Z}}_c\\ j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)/{\stackrel{\‾}{Z}}_c& \cos \left(\mathrm{kd}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \stackrel{\‾}{Y}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{kd}\right)& j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)\·{\stackrel{\‾}{Z}}_c\\ j\·\sin \left(\mathrm{kd}\right)/{\stackrel{\‾}{Z}}_c& \cos \left(\mathrm{kd}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \stackrel{\‾}{G}& 1\end{array}\right],$

其中，是归一化级联矩阵，为电阻加载层的等效并联归一化导纳，k为介质间隔层的波数，d为其介质厚度，为其归一化波阻抗，为频率选择表面层的等效并联导纳，j为虚数单位。

8.如权利要求7所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，所述的等效并联导纳

$\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{1/{\mathrm{jwC}}_1+{\mathrm{jwL}}_1}+\frac{1}{1/{\mathrm{jwC}}_2+{\mathrm{jwL}}_2}$

当仅有电容C₁、电感L₁串联等效电路时，电容C₂为零、电感L₂趋近于无穷大，频率选择表面层1具有带阻的透波特性；当仅有C₁、L₂并联等效电路时，L₁为零、C₂趋近于无穷大，频率选择表面层1具有带通的透波特性。

9.如权利要求1所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，采用散射矩阵与归一化级联矩阵的关系，可得到阻抗型频率选择表面的反射、透射系数

$\left[S\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{a+b-c-d}{a+b+c+d}& \frac{2(a\·d-b\·c)}{a+b+c+d}\\ \frac{2}{a+b+c+d}& \frac{b+d-a-c}{a+b+c+d}\end{array}\right]$

其中，S₁₁、S₂₁分别为等效电路端口1的反射及透射系数，S₁₂、S₂₂分别为等效电路端口2的反射及透射系数。

10.如权利要求9所述的阻抗型频率选择表面，其特征在于，等效电路端口1、等效电路端口2具有相同的反射、透射率，且有S₁₁＝S₂₂、S₂₁＝S₁₂；并且在各频点的反射、透射率之和为1，在阻带频段为全反射。