CN105789910A - 圆极化频率选择表面结构 - Google Patents

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周龙建
刘宇恒
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/165—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation
    • H01P1/17—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation for producing a continuously rotating polarisation, e.g. circular polarisation
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及圆极化频率选择表面结构，包括金属方槽阵列层，金属方槽阵列层有多个金属方槽单元组成，且多个金属方槽单元呈矩形阵列排布，金属方槽阵列层蚀刻在上表面外侧介质板的下表面，并形成上表面金属层，上表面金属层的下方设置有上表面内侧介质板，金属方槽阵列层蚀刻在下表面外侧介质板的上表面，并形成下表面金属层，下表面金属层的上方设置有下表面内侧介质板，上表面内侧介质板与下表面内侧介质板之间还设置有中间泡沫材料夹层。本发明的优点在于：单元尺寸小、厚度薄、圆极化波传输损耗和传输轴比低、带外抑制良好、电磁波扫描角域宽以及频率响应沿方位角扫描稳定。可以广泛应用于雷达、卫星通信、导航和飞行器等平台中的天线罩设计。

Description

圆极化频率选择表面结构
技术领域
本发明涉及频率选择表面天线罩技术领域，特别是圆极化频率选择表面结构。
背景技术
由于圆极化波传播可以不受到法拉第旋转效应和雨杂波的干扰，而且没有收发天线极化对准的严格要求，因此圆极化工作方式广泛应用于雷达、全球定位系统、卫星通信及飞行器中的无线设备。由于所述平台中的天线以圆极化方式工作，这些新的发展带来了一项潜在的应用：圆极化频率选择表面。对于这一新的需要，首先要求在天线的工作频带内，频率选择表面天线罩对圆极化波的透射性能良好，尽量不影响圆极化天线原有的辐射性能。而且天线通常需要工作在较宽的扫描角域，因此还要求频率选择表面对斜入射的电磁波具有良好的圆极化传输性能，且传输表现沿方位角扫描稳定。此外，高矩形系数的滤波响应可以抑制不需要的外来频率信号，减小外来干扰对平台内无线收发装置的影响。同时，频率选择表面天线罩良好的反射特性可以减少平台内装置的雷达回波，进而缩减整体结构的雷达散射截面。
而现有频率选择表面研究，多数考察的是对线极化波的透射能力，对圆极化波的透射性能讨论较少。但是圆极化频率选择表面天线罩却有着广阔的应用前景。另外，实现有效的宽频带带外抑制和滤波响应的高矩形系数，现有文献也报道较少。如何设计有良好的圆极化波传输特性兼具优良的带外抑制，是频率选择表面天线罩一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以在0~60°入射角域工作而且沿方位角扫描性能稳定的圆极化频率选择表面结构，在工作角域和工作频率范围内，要求圆极化波的插损和轴比均较小。还需要在工作频率范围外实现对电磁波传播良好的抑制。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：圆极化频率选择表面结构，包括金属方槽阵列层，金属方槽阵列层有多个金属方槽单元组成，且多个金属方槽单元呈矩形阵列排布，金属方槽阵列层通过PCB光刻工艺蚀刻在上表面外侧介质板的下表面，并形成上表面金属层，上表面金属层的下方设置有上表面内侧介质板，金属方槽阵列层通过PCB光刻工艺蚀刻在下表面外侧介质板的上表面，并形成下表面金属层，下表面金属层的上方设置有下表面内侧介质板，上表面内侧介质板与下表面内侧介质板之间还设置有中间泡沫材料夹层。
上表面外侧介质板、上表面内侧介质板、下表面内侧介质板和下表面外侧介质板均为相对介电常数为6.15，且厚度为0.635mm的介质板。
所述的上表面金属层与上表面内侧介质板通过上表面半固化片粘接成一体，下表面金属层与下表面内侧介质板通过下表面半固化片粘接成一体。
所述的金属方槽阵列层的槽宽小于槽间距。
所述的金属方槽阵列层的方槽周长与中心频率对应的介质波长相等。
所述的金属方槽单元的周期小于中心频率所对应的工作波长的1/7。
所述的中间泡沫材料夹层的厚度小于中心频率所对应的工作波长的1/12。
本发明具有以下优点：
1.在0～60°电磁波入射角域和工作频率范围之内，旋转对称的金属方槽单元对线极化的TE和TM波响应一致性较好，相应地，圆极化波的传输损耗和传输轴比在宽入射角域均较小。
2.金属方槽阵列两侧加载有高介电常数材料不仅缩小了单元周期，而且提高了圆极化波传输性能沿方位角扫描的稳定性，使得圆极化频率选择表面的响应对入射方位角变化不敏感。
3.设计的圆极化频率选择表面，其频率响应具有较高的矩形系数和良好的带外抑制表现，高矩形系数的滤波响应既保证了工作频带内天线原有的辐射特性且在工作频带外有效地对带外电磁波进行反射，因此可以在不影响天线带内通信的情况下，减小带外电磁波对载体平台内无线设备的干扰，进而降低无线收发装置的雷达散射截面，这对于新型电子设备至关重要。
由上述有益效果可知，本发明提出的圆极化频率选择表面结构具有低插入损耗和轴比，宽扫描角域及带外抑制良好等电性能优势；还兼具高强度、耐高温及机械稳定性好等结构性优势，提出的圆极化频率选择表面结构可以广泛应用于雷达、卫星通信、导航和飞行器中无线电子设备的天线罩。
附图说明
图1为本发明中金属方槽单元的结构示意图；
图2为本发明中金属方槽阵列层的结构示意图；
图3为本发明的圆极化频率选择表面介质板和金属层分布的剖面示意图；
图4为在0~60°电磁波入射角域内，圆极化波的传输系数；
图5为在0~60°电磁波入射角域内，圆极化波的传输轴比；
图中：1-金属方槽单元，2-金属方槽阵列层，3-上表面外侧介质板，4-上表面金属层，5-上表面半固化片，6-上表面内侧介质板，7-中间泡沫材料夹层，8-下表面内侧介质板，9-下表面半固化片，10-下表面金属层，11-下表面外侧介质板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1和图2所示，圆极化频率选择表面结构，包括金属方槽阵列层2，金属方槽阵列层2有多个金属方槽单元1组成，且多个金属方槽单元1呈矩形阵列排布，如图3所示，金属方槽阵列层2通过PCB光刻工艺蚀刻在上表面外侧介质板3的下表面，并形成上表面金属层4，上表面金属层4的下方设置有上表面内侧介质板6，金属方槽阵列层2通过PCB光刻工艺蚀刻在下表面外侧介质板11的上表面，并形成下表面金属层10，下表面金属层10的上方设置有下表面内侧介质板8，上表面内侧介质板6与下表面内侧介质板8之间还设置有中间泡沫材料夹层7，泡沫材料夹层7的相对介电常数为1.2，可减小圆极化波传输损耗和传输轴比。
上表面外侧介质板3、上表面内侧介质板6、下表面内侧介质板8和下表面外侧介质板11均为相对介电常数为6.15，且厚度为0.635mm的介质板，且介质板为Rogers3006介质板，因此上表面金属层4和下表面金属层10是包裹在刚性介质基板之中的，高介电常数高强度的介质材料有效地提高了整体结构的机械强度，使得本发明可以应用于高温高压甚至是高速飞行的工作环境。。
作为优选地，所述的上表面金属层4与上表面内侧介质板6通过上表面半固化片5粘接成一体，下表面金属层10与下表面内侧介质板8通过下表面半固化片9粘接成一体。
作为优选地，所述的金属方槽阵列层2的槽宽小于槽间距，提高了通带边沿下降率。
作为优选地，所述的金属方槽阵列层2的方槽周长与中心频率对应的介质波长相等。
作为优选地，所述的金属方槽单元1的周期小于中心频率所对应的工作波长的1/7，较小的金属方槽单元1延迟了栅瓣的出现，提高了所述圆极化频率选择表面结构沿方位角扫描频率响应的稳定性。
作为优选地，所述的中间泡沫材料夹层7的厚度小于中心频率所对应的工作波长的1/12，可以降低圆极化波的传输损耗和整体结构的重量。
本实施例设计的圆极化频率选择表面结构中心频率为20.7GHz，入射工作角域为0~60°，传输通带为20~21.4GHz。单元周期小于七分之一中心频率所对应的工作波长，总厚度约为四分之一中心频率所对应的工作波长。图4为圆极化波传输系数，在20~21.4GHz这一频段内，对于0~60°角域内入射的圆极化电磁波，所述的圆极化频率选择表面结构对圆极化波的插损均小于1dB。在0~16.37GHz和28.57~40GHz频率范围内，圆极化波传输抑制高于10dB。图4呈现的传输响应，通带内圆极化插损小，滤波响应的矩形系数高、带外抑制良好。图5为圆极化波传输轴比，在20~21.4GHz这一频率范围内，对于0~60°角域内入射的电磁波，圆极化波的传输轴比均小于1dB。因此透射波中圆极化纯度较好。
由上述结果可知，本发明是一种能够在宽入射角域内提供良好的圆极化波透射性能和带外抑制的圆极化带通型频率选择表面结构。采用本发明，可以构建具有空间滤波特性的圆极化频率选择表面天线罩，其在工作角域和工作频率范围内能够实现良好的传输表现：损耗小，圆极化纯度高。工作频带外有超宽带反射特性（传输系数低于-10dB），可以有效抑制带外电磁波对平台内无线设备的干扰。具有广阔的应用前景，可在雷达、卫星通信、全球定位系统和飞行器等平台的无线电子设备中应用。

Claims (7)

1.圆极化频率选择表面结构，其特征在于：包括金属方槽阵列层（2），金属方槽阵列层（2）有多个金属方槽单元（1）组成，且多个金属方槽单元（1）呈矩形阵列排布，金属方槽阵列层（2）通过PCB光刻工艺蚀刻在上表面外侧介质板（3）的下表面，并形成上表面金属层（4），上表面金属层（4）的下方设置有上表面内侧介质板（6），金属方槽阵列层（2）通过PCB光刻工艺蚀刻在下表面外侧介质板（11）的上表面，并形成下表面金属层（10），下表面金属层（10）的上方设置有下表面内侧介质板（8），上表面内侧介质板（6）与下表面内侧介质板（8）之间还设置有中间泡沫材料夹层（7）。
2.根据权利要求1所述的圆极化频率选择表面结构，其特征在于：上表面外侧介质板（3）、上表面内侧介质板（6）、下表面内侧介质板（8）和下表面外侧介质板（11）均为相对介电常数为6.15，且厚度为0.635mm的介质板。
3.根据权利要求1所述的圆极化频率选择表面结构，其特征在于：所述的上表面金属层（4）与上表面内侧介质板（6）通过上表面半固化片（5）粘接成一体，下表面金属层（10）与下表面内侧介质板（8）通过下表面半固化片（9）粘接成一体。
4.根据权利要求1所述的圆极化频率选择表面结构，其特征在于：所述的金属方槽阵列层（2）的槽宽小于槽间距。
5.根据权利要求1所述的圆极化频率选择表面结构，其特征在于：所述的金属方槽阵列层（2）的方槽周长与中心频率对应的介质波长相等。
6.根据权利要求1所述的圆极化频率选择表面结构，其特征在于：所述的金属方槽单元（1）的周期小于中心频率所对应的工作波长的1/7。
7.根据权利要求1所述的圆极化频率选择表面结构，其特征在于：所述的中间泡沫材料夹层（7）的厚度小于中心频率所对应的工作波长的1/12。
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