CN106299674B - 一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法属于微波技术与飞行器隐身技术领域，涉及一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法，应用于满足飞行器隐身性能要求的频率选择表面天线罩设计。该方法先组建频率选择表面天线罩结构，再给定频带的谐振频率和最大入射角度，由最大入射角度确定带宽补偿介质层的等效介电常数，由带宽补偿介质层的等效介电常数和频带的谐振频率确定介质层合结构的结构参数；带宽补偿介质层采用由两种不同介电常数的介质构成的层合结构。补偿方法有效地解决了频率选择表面天线罩带宽随入射角变化而畸变的问题，弥补了现有带宽补偿方法无法工程应用的缺点与不足，可用于频率选择表面天线罩结构优化设计。

Description

一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法
技术领域
本发明属于微波技术与飞行器隐身技术领域，涉及一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法，应用于满足飞行器隐身性能要求的频率选择表面天线罩设计。
背景技术
频率选择表面天线罩是满足飞行器电磁隐身性能要求的一类电磁窗口，具备对己方制导电磁波“高透射”，对敌方探测电磁波“高反射”的电磁滤波特性。通常，为满足雷达天线大角度扫描探测需求，频率选择表面天线罩的滤波特性需要在0～70°扫描范围内保持稳定。表现为：谐振频率f0保持稳定、频带的带宽基本保持不变。其中，谐振频率的稳定性可以通过减小频率选择表面单元的电长度来实现。而频带带宽相对入射角度的稳定度尚未有较为可行的工程化解决方案。因此，研究频率选择表面天线罩带宽补偿方法，提高带宽的入射角度稳定性，是频率选择表面天线罩设计领域的关键问题。
近年来，围绕频率选择表面天线罩的结构设计问题，国内外学者展开了一系列研究，并取得了一定的研究成果。Munk,Benedikt A的美国专利“Space Filter”,公开号4125841中，发明了一种由双层频率选择表面阵列级联构成的空间滤波器结构，该结构对不同入射角和极化方向具有恒定带宽和谐振频率，可用于充当频率选择表面天线罩。针对频率选择表面天线罩带宽补偿问题，美国Munk教授提出了一种低介电常数外部介质层加载方法，“B.Munk,Frequency Selective Surfaces:Theory and Design.New York,NY,USA:Wiley,2000.”。该方法从理论上给出了频率选择表面天线罩带宽补偿的解决思路，但受制于介质层机械强度、介电常数难以实现等因素，该方法无法满足频率选择表面天线罩的工程化设计需求。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中缺少频率选择表面天线罩带宽补偿的工程化解决方案的问题，发明一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法，采用在频率选择表面阵列外侧加载带宽补偿介质层的方案，进行频率选择表面天线罩的带宽补偿。带宽补偿介质层采用由两种不同介电常数的介质构成的层合结构。方法有效地解决了频率选择表面天线罩带宽随入射角变化而畸变的问题，弥补了现有带宽补偿方法无法工程应用的缺点与不足，是具备工程可实现性的频率选择表面天线罩带宽补偿方法，为频率选择天线罩带宽补偿提供了可行的工程化解决方案。
本发明采用的技术方案是一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法，该方法先组建频率选择表面天线罩结构，再给定频带的谐振频率和最大入射角度，由最大入射角度确定带宽补偿介质层的等效介电常数，由带宽补偿介质层的等效介电常数和频带的谐振频率确定介质层合结构的结构参数；带宽补偿介质层采用由两种不同介电常数的介质构成的层合结构；其中，靠近频率选择表面阵列的介质层，选取低介电常数的介质材料；远离频率选择表面阵列的介质层，选取高介电常数的介质材料；方法的具体步骤如下：
步骤一、组建频率选择表面天线罩结构；
将芯层介质3安装在第一层频率选择表面阵列1和第二层频率选择表面阵列2之间，构成双层频率选择表面阵列级联结构；第一层频率选择表面阵列1和二层频率选择表面阵列2均由十字环形孔径单元构成，十字环形孔径单元按照二维周期性排布；低介电常数介质层4安装在第一层频率选择表面阵列1和第二层频率选择表面阵列2外层，高介电常数介质层5安装在低介电常数介质层4外侧，构成层合结构带宽补偿介质层；双层频率选择表面阵列级联结构和层合结构带宽补偿介质层，构成频率选择表面天线罩罩壁结构；该频率选择表面天线罩的带宽随入射角的变化基本保持稳定，具有较好的带宽稳定性；
步骤二、给定频带的谐振频率和最大入射角度；依据实际工程需要，给定设计的频率选择表面天线罩的谐振频率f0和最大入射角度θmax；
步骤三、由最大入射角度确定带宽补偿介质层的等效介电常数；
依据最大入射角度θmax，确定带宽补偿介质层的等效介电常数εeff，通过公式(1)进行计算：
εeff＝1+cos(θmax) (1)
步骤四、由带宽补偿介质层的等效介电常数和频带的谐振频率，确定构成介质层合结构的两种介质材料的介电常数，两种介质材料的介电常数满足如下约束条件：
ε2＜εeff＜ε1 (2)
其中，ε1为远离频率选择表面阵列的介质层的介电常数，ε2为靠近频率选择表面阵列的介质层的介电常数；
确定构成介质层合结构的两个介质层的几何厚度，通过如下公式计算：
其中，c为真空中的光速值，h1为远离频率选择表面阵列的介质层的几何厚度，h2为靠近频率选择表面阵列的介质层的几何厚度，k为常数，取值范围为0.25≤k≤0.35。
本发明的有益效果是补偿方法有效地解决了频率选择表面天线罩带宽随入射角变化而畸变的问题，弥补了现有带宽补偿方法无法工程应用的缺点与不足，为频率选择天线罩带宽补偿提供了可行的工程化解决方案，可用于频率选择表面天线罩结构优化设计。
附图说明
图1是本发明确定带宽补偿介质层结构参数的流程图。
图2是本发明实施例所述的频率选择表面天线罩结构示意图。其中，1-第一层频率选择表面阵列，2-第二层频率选择表面阵列，3-芯层介质，4-低介电常数介质层，5-高介电常数介质层。
图3十字环形孔径单元的结构示意图，其中，p-频率选择表面单元排列周期，w-十字形孔隙的缝隙宽度，L-十字形金属单元的臂长，s-十字形金属单元的线宽。
图4是TE极化波激励下不同入射角度下的频率响应特性曲线。
图5是TM极化波激励下不同入射角度下的频率响应特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案对本发明做进一步具体说明。
本发明从等效介电常数概念出发，利用两种不同介电常数的介质材料，按照逐层层合的布放原则，构建层合结构带宽补偿介质层。在频率选择表面阵列外侧布放低介电常数介质材料，并在低介电常数介质材料外侧，布放高介电常数介质材料，完成带宽补偿介质层设计。将本发明设计的带宽补偿介质层应用于频率选择表面阵列结构，实现了具备高带宽稳定性的频率选择表面天线罩罩壁结构设计。
图1是本发明确定带宽补偿介质层结构参数的流程图。方法的具体步骤如下：
步骤一、组建频率选择表面天线罩结构；
将芯层介质3安装在第一层频率选择表面阵列1和第二层频率选择表面阵列2之间，构成双层频率选择表面阵列级联结构。第一层频率选择表面阵列1和二层频率选择表面阵列2均由十字环形孔径单元构成，十字环形孔径单元按照二维周期性排布。本实施例中，低介电常数介质层4安装在第一层频率选择表面阵列1和第二层频率选择表面阵列2外层，高介电常数介质层5安装在低介电常数介质层4外侧，构成层合结构带宽补偿介质层。双层频率选择表面阵列级联结构和层合结构带宽补偿介质层，构成频率选择表面天线罩罩壁结构，如图2所示。该频率选择表面天线罩的带宽随入射角的变化基本保持稳定，具有较好的带宽稳定性。
步骤二、给定谐振频率f0和最大入射角度θmax。
本实施例中，取最大入射角度θmax＝70°，谐振频率f0＝10GHz。
步骤三、由谐振频率和最大入射角度θmax确定带宽补偿介质层的等效介电常数εeff。
本实施例中，取最大入射角度θmax＝70°，带入公式(1)，求得带宽补偿介质层的等效介电常数为εeff＝1.342。
步骤四、由带宽补偿介质层的等效介电常数εeff和频带的谐振频率f0确定介质层合结构的结构参数。
本实施例中，满足约束(2)，选取构成带宽补偿介质层的两种介质材料的介电常数为ε1＝3.2，ε2＝1.1。其中，ε1＝3.2的介质材料，用于构建远离频率选择表面的介质层；ε2＝1.1的介质材料，用于构建靠近频率选择表面的介质层。取k＝0.25，带入公式(3)、(4)，求解方程组，算得的介质层几何厚度分别为h1＝0.63mm，h2＝5.95mm。
频率选择表面阵列间的芯层介质3选用介电常数为ε＝2.5的介质材料，几何厚度为h＝4.7mm。如图3所示，构成第一层频率选择表面阵列1和第二层频率选择表面阵列2的十字环形孔径单元的结构参数为：p＝8mm，L＝3.4mm，w＝0.6mm，s＝0.2mm。
对实施例中的频率选择表面天线罩结构进行仿真分析：
仿真1：TE极化波激励下，入射角度分别为0°、30°、60°、70°的频率响应曲线，如图4所示。由图4可以看出，设计的频率选择表面天线罩具有稳定的谐振频率和-3dB带宽。当入射角度增加到70°时，谐振频率保持10GHz不变，-3dB带由1GHz变为0.85GHz，基本满足设计要求。
仿真2：TM极化波激励下，入射角度分别为0°、30°、60°、70°的频率响应曲线，如图5所示。由图4可以看出，设计的频率选择表面天线罩具有稳定的谐振频率和-3dB带宽。当入射角度增加到70°时，谐振频率为10.2GHz，谐振频率偏移2％，-3dB带由1GHz变为1.13GHz，基本满足设计要求。
本实施例中，将本发明设计的层合结构带宽补偿介质层应用于双层频率选择表面阵列级联结构，形成频率选择表面天线罩罩壁结构。该频率选择表面天线罩的带宽随入射角变化保持稳定，畸变程度较低，满足频率选择表面天线罩的工程应用需求。

Claims (1)

1.一种频率选择表面天线罩带宽补偿方法，其特征在于，该方法先组建频率选择表面天线罩结构，再给定频带的谐振频率和最大入射角度，由最大入射角度确定带宽补偿介质层的等效介电常数，由带宽补偿介质层的等效介电常数和频带的谐振频率确定介质层合结构的结构参数；带宽补偿介质层采用由两种不同介电常数的介质构成的层合结构；其中，靠近频率选择表面阵列的介质层，选取低介电常数的介质材料；远离频率选择表面阵列的介质层，选取高介电常数的介质材料；方法的具体步骤如下：
步骤一、组建频率选择表面天线罩结构；
将芯层介质(3)安装在第一层频率选择表面阵列(1)和第二层频率选择表面阵列(2)之间，构成双层频率选择表面阵列级联结构；第一层频率选择表面阵列(1)和二层频率选择表面阵列(2)均由十字环形孔径单元构成，十字环形孔径单元按照二维周期性排布；低介电常数介质层(4)安装在第一层频率选择表面阵列(1)和第二层频率选择表面阵列(2)外层，高介电常数介质层(5)安装在低介电常数介质层(4)外侧，构成层合结构带宽补偿介质层；双层频率选择表面阵列级联结构和层合结构带宽补偿介质层，构成频率选择表面天线罩罩壁结构；
步骤二、给定频带的谐振频率和最大入射角度；依据实际工程需要，给定设计的频率选择表面天线罩的谐振频率f0和最大入射角度θmax；
步骤三、由最大入射角度确定带宽补偿介质层的等效介电常数；
依据最大入射角度θmax，确定带宽补偿介质层的等效介电常数εeff，通过公式(1)进行计算：
εeff＝1+cos(θmax) (1)
步骤四、由带宽补偿介质层的等效介电常数，确定构成介质层合结构的两种介质材料的介电常数，两种介质材料的介电常数满足如下约束条件：
ε2＜εeff＜ε1 (2)
其中，ε1为远离频率选择表面阵列的介质层的介电常数，ε2为靠近频率选择表面阵列的介质层的介电常数；
确定构成介质层合结构的两个介质层的几何厚度，通过如下公式计算：
其中，c为真空中的光速值，h1为远离频率选择表面阵列的介质层的几何厚度，h2为靠近频率选择表面阵列的介质层的几何厚度，k为常数，取值范围为0.25≤k≤0.35。
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