CN105161800A - 优化电磁传输特性的双屏频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，属于微波技术领域。解决了现有技术中双屏FSS在大角度照射时，通带性能极度恶化的技术问题。本发明的双屏频率选择表面，包括依次排列的第一介质层、第一胶黏剂层、第一频率选择表面层、第二频率选择表面层、第四胶黏剂层和第二介质层；还包括，设置在第一频率选择表面层和第二频率选择表面层之间的介质柱体层，介质柱体层由周期排列的介质柱体组成，介质柱体的两端分别固定在第一频率选择表面层和第二频率选择表面层的环状缝隙单元内的贴片上。该双屏频率选择表面在电波TE70°照射下，通带、阻带依然保持优良的频率响应特性，且重量轻、结构简单、成本低易于加工。

Description

优化电磁传输特性的双屏频率选择表面
技术领域
本发明涉及一种优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，属于微波技术领域。
背景技术
天线罩是用来保护天线或整个微波系统免受环境影响的外壳，在无线系统中应用广泛。天线罩位于天线的近场区，因此不可避免地会对天线的性能产生多种不良影响。因此设计天线罩的结构时，需要使其对天线性能的影响降至最低，并改善天线的某些性能。频率选择表面(FSS)由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成，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)，因此常与天线罩技术相结合形成FSS天线罩。
FSS天线罩(FSR)对雷达的工作频段提供带通的传输特性，同时改变雷达工作频段以外的雷达散射截面(RCS)特性，可以实现带外隐身。对于FSR而言，阻带的反射率越高，其带外隐身的效果就越好。所以为了提高FSR的阻带反射率，国内外学者做了大量研究。
现有技术中，提高FSR阻带反射率通常是采用双屏或多屏FSS级联的方法。但是，在大角度照射下，双屏FSS通带内传输特性劣化严重，并已成为一种技术瓶颈。为了解决这一技术问题，中国专利公开了一种基于基片集成波导技术的频率选择表面(公开号1825678A)，但是这种频率选择表面只是有效缓解了这一技术问题，并未达到很好的效果，当入射角度超过45°时，双屏FSS通带内传输特性劣化问题依然严重。B.A.Munk教授曾经撰文指出，产生这种现象的原因是：双屏或多屏FSS能量传输是电磁场耦合作用的结果，然而在大角度照射下，双屏或多屏FSS之间的电磁场极易出现“过临界耦合状态”，从而导致通带内传输特性劣化，宏观上表现为：TE70°电波照射下通带透过率低，通带内存在一个透过率极低的“零值凹陷”，严重制约了双屏FSS在天线罩上的应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中双屏FSS在大角度照射时，通带性能极度恶化的技术问题，提供一种优化电磁传输特性的双屏频率选择表面。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下。
优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，包括依次排列的第一介质层、第一胶黏剂层、第一频率选择表面层、第二频率选择表面层、第四胶黏剂层和第二介质层；
还包括，设置在第一频率选择表面层和第二频率选择表面层之间的介质柱体层；
所述第一介质层和第二介质层相同且相对于介质柱体层对称；
所述第一频率选择表面层和第二频率选择表面层均为环状缝隙频率选择表面，相同且相对于介质柱体层对称；
所述介质柱体层由周期排列的介质柱体组成，介质柱体与第一频率选择表面层的环状缝隙单元和第二频率选择表面层的环状缝隙单元均一一对应，介质柱体的截面形状与环状缝隙单元内的贴片的形状一致，介质柱体的两端分别固定在相对应的第一频率选择表面层的环状缝隙单元内的贴片和相对应的第二频率选择表面层的环状缝隙单元内的贴片上。
进一步的，还包括第二胶黏剂层和第三胶黏剂层，第二胶黏剂层和第三胶黏剂层的厚度在0.1mm以内，介质柱体的一端通过第二胶黏剂层固定在相对应的第一频率选择表面层的环状缝隙单元内的贴片上，介质柱体的另一端通过第三胶黏剂层固定在相对应的第二频率选择表面层的环状缝隙单元内的贴片上。
进一步的，所述环状缝隙为圆环形、十字形或者Y形。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层的电厚度均为0.05-0.1倍的工作波长。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层的相对介电常数均为1-3。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层的损耗角正切值均为10-3量级。
进一步的，所述第一胶黏剂层和第四胶黏剂层的厚度均为微米量级。
进一步的，所述介质柱体的相对介电常数小于等于3.5，更进一步的，所述相对介电常数小于等于3。
进一步的，所述介质柱体的损耗角正切值小于等于0.01，更进一步的，所述损耗角正切值小于等于0.005。
进一步的，所述介质柱体的电厚度为工作波长的0.4-0.6倍，更进一步的，所述电厚度为工作波长的0.5倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面通过引入周期性的介质柱体来调控大角度照射下的双屏FSS电磁场耦合状态，能够解决大角度照射下的双屏FSS通带传输特性劣化难题，在电波TE70°照射下，通带、阻带依然保持优良的频率响应特性；
2、本发明的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面重量轻、结构简单、成本低且易于加工，利用现有的数字机械加工、印刷线路板技术、天线罩层压技术均能够制作，其中，最佳的制作手段就是3D打印技术，既能突出三维周期结构的细节特征又可以一次性成型，大大缩短加工周期。
附图说明
图1为本发明优化电磁传输特性的双屏频率选择表面的效果图；
图2为本发明优化电磁传输特性的双屏频率选择表面的结构示意图；
图3为图1的侧视图；
图4为本发明优化电磁传输特性的双屏频率选择表面的环状缝隙频率选择表面的周期单元的结构示意图；
图5为本发明优化电磁传输特性的双屏频率选择表面在不同照射角度下的频响特性曲线；
图中，1、第一介质层，2、第一胶黏剂层，3、第一频率选择表面层，4、第二胶黏剂层，5、介质柱体层，6、第三胶黏剂层，7、第二频率选择表面层，8、第四胶黏剂层，9、第二介质层。
具体实施方式
本发明的原理是：在电波垂直照射条件下，现有技术中的双屏FSS以及本发明的双屏FSS耦合传输的电磁波均是FSS传播波。通过调控耦合电介质的电厚度、匹配双层FSS自由空间的阻抗、增加FSS金属层厚度等措施，能够实现双屏FSS“临界耦合”电磁波传输的目标。然而，随着电波照射倾角的增加，双层FSS之间的传播波必然发生“过临界耦合”，并导致其传输特性劣化，进而导致通带透过率降低，通带内出现“零值凹陷”。当光的波长与金属离子表面的等离子体振动频率相当时，即产生局域表面等离子体共振(LSPR)。当一束光照射在球形金属纳米粒子上时，振荡电场使传导电子一起振荡。当电子云相对于原子核有位移时，电子和原子核间的库仑相互作用将产生一个静电回复力使电子云相对于原子核作振动。当入射光的频率和金属内的等离子体振荡频率相同时，就会产生共振，这种共振会使金属纳米粒子周围电磁场强度呈量级性增强，一般在103-105倍左右。本发明基于局域表面等离子体共振增强技术，在双屏FSS之间引入周期性的介质柱体层，形成一个周期性的介质柱谐振器，利用介质柱体调控双屏FSS之间的电磁场的耦合状态，增强大角度照射下的双屏FSS之间耦合电磁波的传输能量。
以下结合附图1-5进一步说明本发明。
本发明的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，包括依次紧密排列的第一介质层1、第一胶黏剂层2、第一频率选择表面层3、第二胶黏剂层4、第三胶黏剂层6、第二频率选择表面层7、第四胶黏剂层8和第二介质层9，还包括，设置在第二胶黏剂层4和第三胶黏剂层6之间的介质柱体层5。
其中，第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7均为环状缝隙频率选择表面，结构、尺寸均相同且相对于介质柱体层5对称，环状缝隙的形状没有特殊限制，现有技术中的环状缝隙频率选择表面皆可使用，一般为圆环形、十字形或者Y形。环状缝隙频率选择表面的材料一般使用覆铜聚酰亚胺膜。
第一介质层1和第二介质层9相同且相对于介质柱体层5对称，第一介质层1和第二介质层9可选用常用介质材料，如氰酸脂石英布，电厚度一般为0.05-0.1倍的工作波长，相对介电常数处于1-3之间，损耗角正切值为10- 3量级。
介质柱体层5由周期排列的介质柱体组成，介质柱体与第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7的周期单元均一一对应，介质柱体的截面形状与环状缝隙频率选择表面的周期单元内的贴片的形状一致，如环状缝隙频率选择表面的周期单元内的贴片为圆形，介质柱体即为圆柱，每个介质柱体的一端通过第二胶黏剂层4黏贴固定在第一频率选择表面3的周期单元的贴片上，另一端通过第三胶黏剂层6黏贴固定在第二频率选择表面7的周期单元的贴片上。介质柱体的相对介电常数小于等于3.5，优选小于等于3；损耗角正切值小于等于0.01，优选小于等于0.005；电厚度为工作波长的0.4-0.6倍，优选0.5倍。一般可采用特氟龙棒。
第一胶黏剂层2、第二胶黏剂层4、第三胶黏剂层6和第四胶黏剂层8材料没有特殊限制，相对介电常数一般处于1-3之间，损耗角正切值一般为10-3量级，能够起到粘结作用即可，如EVA胶膜。第二胶黏剂层4和第三胶黏剂层6的作用是将介质柱体固定在对应的贴片上，如果通过立体打印技术制备本发明的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，介质柱体与对应的第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7的周期单元的贴片一体化成型，可以不需要第二胶黏剂层4和第三胶黏剂层6，此时介质柱体的两端分别直接固定在相对应的第一频率选择表面层3的周期单元的贴片上和相对应第二频率选择表面层7的周期单元的贴片上。
本发明提出的双屏FSS结构既可以通过数字机械加工、印刷线路板技术、天线罩层压技术实现，也可以通过3D打印技术实现，具体工艺制造过程请参考相关技术标准，皆为现有技术。制作本发明提出的双屏FSS注意事项归纳如下：
第一、第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7对称图案的对准精确度、介质柱体端面平整度将取决于工作波长，一般第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7的图案错位以及介质柱体端面端面平整度要求皆小于0.01λ。
第二、周期性的介质柱体端面必须与第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7图案内贴片对应一致，两者之间的第二胶黏剂层4和第三胶黏剂层6的厚度必须小于等于0.1mm，否则影响介质柱体调控双屏FSS耦合效果。
实施例1
假设通带为7GHz±500MHz，0°-70°透过率要求≥85％，阻带为2GHz-4GHz，0°-70°反射率要求≥90％。接下来将以该技术指标要求为例来展示如何具体实施本发明。
根据Munk与Mittra对FSS理论研究可知，FSS图案中的谐振尺寸与工作波长λ一致，本发明为了验证方法的准确性，第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7采用了简单的圆环缝隙单元，其尺寸满足λ≈2π(Rin+Rout)，式中，Rin为圆环内半径与Rout为外半径。
结合各层要求，设计实施例1的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面的结构如下：
第一介质层1和第二介质层9的厚度d1＝2.6mm，相对介电常数εr1＝3.17，损耗角正切值tanδ1＝0.005；
第一胶黏剂层2、第二胶黏剂层4、第三胶黏剂层6和第四胶黏剂层8的厚度d3＝0.045，相对介电常数εr3＝2.45，损耗角正切值tanδ3＝0.005；
第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层7的材料为覆铜聚酰亚胺膜，厚度d2＝0.025，相对介电常数εr2＝3，损耗角正切值tanδ2＝0.005，环状缝隙单元为圆环，Rout＝6mm、Rin＝4mm、周期T＝14mm；
介质柱体厚度h＝14mm，介质柱体的周期间隔T＝14mm，介质柱体的材料的相对介电常数εr4＝2.2，损耗角正切值用tanδ4＝0.002。
利用CST微波工作室频域求解器中的参数扫描功能，将第一介质层1和第二介质层9的厚度d1、介质柱体高度h＝14分别在0.1λ以及0.5λ附近进行最优化扫描。经过扫描后确定d1＝3mm，h＝15mm。
然后对实施例1设计的双屏FSS进行仿真计算，仿真结果如图5所示。从图5可以看出，在0°-70°照射下，双屏FSS频率响应特性基本满足技术指标要求，说明本发明的双屏FSS能够解决大角度照射下双屏FSS通带内传输特性劣化难题。

Claims (10)

1.优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，包括依次排列的第一介质层(1)、第一胶黏剂层(2)、第一频率选择表面层(3)、第二频率选择表面层(7)、第四胶黏剂层(8)和第二介质层(9)；
其特征在于，还包括，设置在第一频率选择表面层(3)和第二频率选择表面层(7)之间的介质柱体层(5)；
所述第一介质层(1)和第二介质层(9)相同且相对于介质柱体层(5)对称；
所述第一频率选择表面层(3)和第二频率选择表面层(7)均为环状缝隙频率选择表面，相同且相对于介质柱体层(5)对称；
所述介质柱体层(5)由周期排列的介质柱体组成，介质柱体与第一频率选择表面层(3)的环状缝隙单元和第二频率选择表面层(7)的环状缝隙单元均一一对应，介质柱体的截面形状与环状缝隙单元内的贴片的形状一致，介质柱体的两端分别固定在相对应的第一频率选择表面层(3)的环状缝隙单元内的贴片和相对应的第二频率选择表面层(7)的环状缝隙单元内的贴片上。
2.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，还包括第二胶黏剂层(4)和第三胶黏剂层(6)，第二胶黏剂层(4)和第三胶黏剂层(6)的厚度均在0.1mm以内，介质柱体的一端通过第二胶黏剂层(4)固定在相对应的第一频率选择表面层(3)的环状缝隙单元内的贴片上，介质柱体的另一端通过第三胶黏剂层(6)固定在相对应的第二频率选择表面层(7)的环状缝隙单元内的贴片上。
3.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述环状缝隙为圆环形、十字形或者Y形。
4.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层(1)和第二介质层(9)的电厚度均为0.05-0.1倍的工作波长。
5.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层(1)和第二介质层(9)的相对介电常数均为1-3。
6.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层(1)和第二介质层(9)的损耗角正切值均为10-3量级。
7.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述第一胶粘剂层(2)和第四胶粘剂层(8)的厚度均为微米量级。
8.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述介质柱体的相对介电常数小于等于3.5。
9.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述介质柱体的损耗角正切值小于等于0.01。
10.根据权利要求1所述的优化电磁传输特性的双屏频率选择表面，其特征在于，所述介质柱体的电厚度为工作波长的0.4-0.6倍。
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