CN105870638A - 一种基于分形单元的频率选择表面结构及窗口吸收体 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于分形单元的频率选择表面结构，包括：第一频率选择表面层、第一介质板。第一频率选择表面层包括多个贴片单元，每个贴片单元包括第一至第四分形环。第一分形环为正三角形环，且每边均设有“凵”型弯折部；第二至第四分形环位于正三角形环内部，且关于正三角形环的中心呈旋转对称分布。第二至第四分形环为四边形环，其第一至第三顶角依次为120°、90°、90°。第四顶角与第一顶角相对，第四顶角的两边设有“凵”型弯折部。本发明的频率选择表面结构具有良好的极化稳定性，且能在保持吸波特性的基础上，有效提高透波特性。另外，本发明还公开了一种基于所述频率选择表面结构的窗口吸收体。

Description

一种基于分形单元的频率选择表面结构及窗口吸收体
技术领域
本发明涉及电磁超材料领域，尤其涉及一种基于分形单元的频率选择表面结构及窗口吸收体。
背景技术
窗口吸收体，也称吸波透波一体化结构，是一种主要面向雷达天线罩的电磁结构。该电磁结构不仅能在天线工作频带内实现透波功能，而且能在天线工作频段外实现吸波功能。因此，窗口吸收体能显著降低天线工作频段外的雷达散射截面、提高天线的隐身性能。
窗口吸收体是由雷达吸波结构发展而来。雷达吸波结构主要由表面电阻层、介质层、金属背板组成。窗口吸收体对雷达吸波结构的发展在于，用FSS(频率选择表面)代替了金属背板，从而在保证吸波特性的基础上实现了透波功能。在窗口吸收体中，频率选择表面可以选取带通型FSS结构或者带阻型FSS结构。对于中央透波、两侧吸波的结构来说，若选取带通型FSS结构，则只需设计中频带通FSS；若选取带阻型FSS结构，则需要分别设计高频带阻FSS与低频带阻FSS。由于两侧吸波频带的影响，带阻型FSS结构的透波率较差。但是，带阻型FSS结构的优势在于，通过多层耦合吸收结构的设计，能够实现较宽的吸波频带与较高的吸波效率。
在宽带吸收的窗口吸收体中，高频带阻FSS与低频带阻FSS各需要两层，因此，其整体结构的厚度较大，电磁波的传输损耗也较大。为了减薄整体结构的厚度，我们可以提高介质的介电常数。但是，提高介质的介电常数会导致吸波频带变窄，因此介电常数的提高空间非常有限。
针对现有技术中带阻型FSS结构的缺陷，亟需一种厚度较小、且能实现宽带吸波特性的带阻型FSS结构以及窗口吸收体，以在保持吸波特性的基础上有效提高透波特性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种厚度较小、且能实现宽带吸波特性的带阻型FSS结构以及窗口吸收体，以克服现有技术中的缺陷。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于分形单元的频率选择表面结构，其包括：第一介质板、第一频率选择表面层；第一频率选择表面层位于第一介质板正面，其包括呈阵列分布的N个贴片单元；
所述贴片单元为嵌套分形结构，包括：第一分形环、第二至第四分形环；第一分形环为正三角形环，并且所述正三角形环的每边均设有向内弯折的“凵”型弯折部；
第二至第四分形环位于第一分形环内部，且关于所述正三角形环的中心呈120°旋转对称分布；第二至第四分形环为四边形环；在所述四边形环中：第一顶角为120°，第二、第三顶角为与第一顶角相邻的直角，第四顶角与第一顶角相对，在第四顶角的两边均设有向内弯折的“凵”型弯折部，并且，第四顶角的两边与所述正三角形环的顶角的两边分别平行、第一顶角的两边与所述正三角形环的顶角的两边分别垂直；其中，N为大于等于1的整数。
优选的，所述频率选择表面结构还包括：第二频率选择表面层；第二频率选择表面层位于第一介质板背面，且其与第一频率选择表面层具有相同结构。
优选的，第一分形环的周长为C1，第二至第四分形环的周长均为C2，且
优选的，所述贴片单元的厚度d满足：0＜d≤1μm。
优选的，第一介质板的介电常数ε1满足：1≤ε1≤1.5。
优选的，第一介质板的厚度为7.5mm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种窗口吸收体，包括依次层叠的电阻层、第二介质板、带阻频选层。所述带阻频选层为本发明所述的频率选择表面结构，并且，第二介质板的正面与所述电阻层相邻，第二介质板的背面与第一频率选择表面层相邻；
优选的，第二介质板的介电常数ε2满足：1≤ε2≤1.5。
优选的，第二介质板的厚度为7.5mm。
优选的，所述电阻层为金属板；所述金属板的正面设有呈阵列分布的环形缝隙，所述金属板的背面与第二介质板的正面相邻。
本发明提出了一种基于分形单元的FSS结构，包括第一介质板、第一频率选择表面层。第一频率选择表面层中的贴片单元为嵌套分形结构，包括：第一分形环、第二至第四分形环。第一分形环为正三角形环，并且每边均设有“凵”型弯折部；第二至第四分形环位于第一分形环内部，且关于正三角形环的中心呈旋转对称分布。第二至第四分形环为四边形环，所述四边形环的第一至第三顶角依次为120°、90°、90°，第四顶角与第一顶角相对，且在第四顶角的两边均设有“凵”型弯折部。本发明的FSS结构，能够在保持电磁结构吸波特性的基础上，有效提高电磁结构的透波特性。将本发明的FSS结构应用于窗口吸收体中，能够改善窗口吸收体的很多特性指标，比如低频吸波特性、曲面结构特性、极化稳定性等等。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是频率选择表面结构的示意图；
图2是嵌套分形结构的示意图；
图3是单层窗口吸收体的示意图；
图4是双层窗口吸收体的示意图；
图5是单层窗口吸收体的吸波衰减曲线；
图6是双层窗口吸收体的透波率曲线；
图7是双层窗口吸收体的反射率曲线；
图8是双层窗口吸收体的吸波衰减曲线；
1、第一介质板；2、第一频率选择表面层；3、第二频率选择表面层；4、电阻层；5、第二介质板；201、贴片单元；2011、第一分形环；2012、第二分形环；2013、第三分形环；2014、第四分形环。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
目前，在设计带阻型FSS结构时主要存在以下难题：如何减小结构的厚度，如何在保证良好吸波特性的基础上提高透波率。本申请的发明人在研究中发现，采用分形单元能有效减小结构的厚度，提高透波率。因此，本申请的发明人提出了一种基于分形单元的FSS结构，以及基于该FSS结构的窗口收体。该基于分形单元的FSS结构可有效减薄结构的厚度，在保持吸波特性的基础上提高透波特性。而且，该基于分形单元的FSS结构能覆盖低频吸波频段，具有良好的极化稳定性。
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行详细说明。本发明实施例中的基于分形单元的频率选择表面结构，如图1所示，包括：第一介质板1、第一频率选择表面层2。
第一介质板1可选取泡沫或塑料等介质材料制成。在具体实施时，第一介质板1的厚度、介电常数等参数可根据所需透波频段的中心波长、透波带宽等因素确定。较佳的，第一介质板1的介电常数ε1满足：1≤ε1≤1.5，第一介质板1的厚度设定为所需透波频段的中心波长的四分之一。比如，当所需透波频带的中心频率为10GHz，则第一介质板的厚度可设定为7.5mm。第一频率选择表面层2位于第一介质板1正面，其包括呈阵列分布的N个贴片单元201。其中，N为大于等于1的整数。在具体实施时，贴片单元201的个数N、阵列分布方式可根据实际设计需求进行确定。比如，N可以取12，多个贴片单元可呈矩形阵列或三角形阵列分布。
图2为本发明实施例中的贴片单元201的结构示意图。从图2可见，贴片单元201为嵌套分形结构，具体包括：第一分形环2011、第二分形环2012、第三分形环2013、第四分形环2014。其中，第一分形环2011为正三角形环，并且在所述正三角形环的每边均设有向内弯折的“凵”型弯折部。第二至第四分形环位于第一分形环2011内部，且三者关于第一分形环2011的中心呈120°旋转对称分布。第二至第四分形环具有相同结构。下面我们以第二分形环2012为例进行说明。第二分形环2012为四边形环，其包括第一至第四顶角。具体的，第一至第四顶角依次为120°、90°、90°、60°，第二顶角α2、第三顶角α3与第一顶角α1相邻，第四顶角α4与第一顶角α1相对。并且，在第四顶角α4的两条边上均设有向内弯折的“凵”型弯折部。所述四边形环与第一分形环2011还满足以下位置关系：第四顶角α4的两边与第一分形环2011的顶角的两边分别平行、第一顶角α1的两边与第一分形环2011的顶角的两边分别垂直。需要说明的是，所述第一分形环的顶角是指第一分形环中的60°的角。
在本发明实施例中，第二至第四分形环的周长均为第一分形环的周长的三分之一，贴片单元的厚度d满足：0＜d≤1μm。需要指出的是，在具体实施时，贴片单元201中的各个尺寸参数，如第一分形环的周长、第二至第四分形环的周长、贴片单元的厚度、以及图1所示的第一分形环中的L1、L2、L3参量等，可根据吸波频段的中心波长和吸波频段的带宽确定。只要不影响本发明的实施，任何对贴片单元尺寸参数的修改都在本发明的保护范围内。
较佳的，本发明实施例中的频率选择表面结构还包括第二频率选择表面层3。第二频率选择表面层3位于第一介质板1的背面，且其与第一频率选择表面层2具有相同结构。需要指出的，第二频率选择表面层中贴片单元的具体尺寸参数与第一频率选择表面层不同。比如，在一个具体的实施例中，第一频率选择表面层的相关参数如下：第一分形环的周长为61.728mm，第二分形环的周长为20.576mm，第一分形环中的L1为0.576mm，L2为6.9mm，L3为3.1mm；第二频率选择表面层的相关参数如下：第一分形环的周长为84.507mm，第二分形环的周长为28.169mm，第一分形环中的L1为0.569mm，L2为9.52mm，L3为4.28mm。本发明实施例的频率选择表面结构，通过分形单元的设计有效减薄了结构的厚度，在保持吸波特性的基础上提高了透波率。而且，该结构能覆盖低频吸波频段，具有良好的极化稳定性。
本发明实施例中的频率选择表面结构可应用于窗口吸收体的设计中。图3为基于本发明实施例中的频率选择表面结构设计出的单层窗口吸收体，其包括依次层叠的电阻层4、第二介质板5、第一频率选择表面层2、第一介质板1。其中，第二介质板5的正面与电阻层4相邻，第二介质板5的背面与第一频率选择表面层相邻。在本发明实施例中的单层窗口吸收体中，电阻层4为金属板，并且所述金属板的正面设有呈阵列分布的环形缝隙，所述金属板的背面与第二介质板5的正面相邻。第二介质板5的介电常数、厚度等可根据所需透波频段的中心波长、透波带宽等因素确定。较佳的，第二介质板的介电常数ε2满足：1≤ε2≤1.5，第二介质板5的厚度设定为所需透波频段的中心波长的四分之一。比如，当所需透波频带的中心频率为10GHz，则第二介质板的厚度为7.5mm。
另外，基于本发明实施例中的频率选择表面结构，发明人还设计了双层窗口吸收体。从图4可见，与单层窗口吸收体相比，双层窗口吸收体中还包括第二频率选择表面层3。当电磁波从左侧入射时，首先遇到电阻层5，然后经过第二介质层4后进入第一频率选择表面层2。在此过程中，电磁波在第二介质层中形成吸收，而且电磁波中的高频分量、低频分量被第一频率选择表面层2反射。此后，电磁波继续行进，经第一介质层1后进入第二频率选择表面层3。在此过程中，电磁波在第一介质层中形成吸收，并且电磁波中的高频、低频分量被再次反射。最后，电磁波中的中频分量从该结构透射而出。
为了详细说明本发明实施例中的单层、双层窗口吸收体的吸波、透波效果，下面以一具体结构的仿真结果为例进行说明。图5给出了单层窗口吸收体的吸波衰减曲线。从图5可见，该单层窗口吸收体对中心频率为5.9GHz和17.7GHz的两个频段具有强吸收作用。图6给出了双层窗口吸收体的透波率曲线。从图6可见，该双层窗口吸收体在10GHz左右的频段实现了透波平台，该透波平台的平坦性较单层窗口吸收体有所提高，而且该结构的透波率达到了-4dB左右。图7给出了双层窗口吸收体的反射率曲线。从图7可见，该双层窗口吸收体在2GHz到14GHz的频段内的平均RCS缩减值达到了-10dB左右。图8给出了双层窗口吸收体的吸波衰减曲线。从图8可见，该双层窗口吸收体在6.2GHz和13GHz左右形成了强吸收峰，而且其吸波频带的带宽较单层窗口吸收体提高很多，低频吸波效果较单层窗口吸收体提高很多。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (10)

1.一种基于分形单元的频率选择表面结构，其特征在于，所述频率选择表面结构包括：第一介质板、第一频率选择表面层；第一频率选择表面层位于第一介质板正面，其包括呈阵列分布的N个贴片单元；
所述贴片单元为嵌套分形结构，包括：第一分形环、第二至第四分形环；第一分形环为正三角形环，并且所述正三角形环的每边均设有向内弯折的“凵”型弯折部；
第二至第四分形环位于第一分形环内部，且关于所述正三角形环的中心呈120°旋转对称分布；第二至第四分形环为四边形环；在所述四边形环中：第一顶角为120°，第二、第三顶角为与第一顶角相邻的直角，第四顶角与第一顶角相对，在第四顶角的两边均设有向内弯折的“凵”型弯折部，并且，第四顶角的两边与所述正三角形环的顶角的两边分别平行、第一顶角的两边与所述正三角形环的顶角的两边分别垂直；
其中，N为大于等于1的整数。
2.如权利要求1所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述频率选择表面结构还包括：第二频率选择表面层；
第二频率选择表面层位于第一介质板背面，且其与第一频率选择表面层具有相同结构。
3.如权利要求2所述的频率选择表面结构，其特征在于，第一分形环的周长为C1，第二至第四分形环的周长均为C2，且
4.如权利要求3所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述贴片单元的厚度d满足：
0＜d≤1μm。
5.如权利要求4所述的频率选择表面结构，其特征在于，第一介质板的介电常数ε1满足：1≤ε1≤1.5。
6.如权利要求5所述的频率选择表面结构，其特征在于，第一介质板的厚度为7.5mm。
7.一种窗口吸收体，包括依次层叠的电阻层、第二介质板、带阻频选层，其特征在于，所述带阻频选层为权利要求1-6中任一所述的频率选择表面结构，并且，第二介质板的正面与所述电阻层相邻，第二介质板的背面与第一频率选择表面层相邻。
8.如权利要求7所述的窗口吸收体，其特征在于，第二介质板的介电常数ε2满足：1≤ε2≤1.5。
9.如权利要求8所述的窗口吸收体，其特征在于，第二介质板的厚度为7.5mm。
10.如权利要求9所述的窗口吸收体，其特征在于，所述电阻层为金属板；
所述金属板的正面设有呈阵列分布的环形缝隙，所述金属板的背面与第二介质板的正面相邻。
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