CN107834195A - 一种频率选择表面天线罩 - Google Patents

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Abstract

一种频率选择表面天线罩，包含相互粘结的上层介质基板和下层介质基板，以及，以相邻阵列形式设置在上层介质基板上表面的多个顶层圆弧形贴片周期性结构，以相邻阵列形式设置在上层介质基板下表面或设置在下层介质基板上表面的多个中间层双方环贴片周期性结构，和以相邻阵列形式设置在下层介质基板下表面的多个底层圆弧形贴片周期性结构。本发明对不同入射角度及不同极化方式的电磁波均具有良好性能，结构简单，厚度较小，易于曲面建模，具有良好的应用前景，能够达到提高频率选择表面天线罩在宽频带内的透波性能，并实现天线罩带外隐身功能。

Description

一种频率选择表面天线罩
技术领域
本发明涉及雷达天线罩设计领域，涉及一种在超宽频带内具有极化和角度稳定带通特性的频率选择表面结构天线罩。
背景技术
近年来，FSS（频率选择表面）天线罩，作为一种较为新兴的天线罩工作机理，受到研究人员的广泛关注。与传统的天线罩相比，频率选择表面天线罩不仅能够提高雷达工作频带内的透波率，保证雷达正常工作，而且还能降低工作频带外的电磁波反射率，获得良好的隐身效果。
频率选择表面是一种具有独特电磁特性的周期结构，主要区别在于构成单元分为贴片型和孔径型两种结构，其本身不吸收能量，但是却能够有效的控制入射电磁波的传输和反射，即在单元谐振频率附近呈现全反射或全传输特性。
根据电路理论中滤波器的设计方法，多阶滤波器可以展现出较单阶滤波器更为优良的谐振性能。由于单层频率选择表面结构带外的衰减坡度较为缓慢且带内平坦性一般，不满足实际的工程应用需求。多层频率选择表面结构是将多个单层结构的频率选择表面级联构成多层阵列结构，层与层之间采用介质材料支撑及隔离。多层级联的频率选择表面相比于单层频率选择表面的情况，不仅带宽有展宽的趋势，而且还有较高的边缘截止性。对于各层不同结构需要对每层频率选择表面进行单独求解，再用级联方式处理。多层结构级联的频率选择表面可以有效抑制单层频率选择表面的表面波影响，进而间接地提高传输或反射的系数。
众多微波界学者对FSS进行系统深入的研究。美国加利福尼亚技术学院的T.K.Wu教授等人长期针对多频段卫星天线技术进行研究和分析，其研究内容主要涉及不同的FSS单元形状以及不同的介质衬底结构对电磁特性的影响。21世纪初，K.Sarabandi研究小组发表了多篇论文，内容主要涉及一些FSS的小型化以及在有限层数上提高阶数的设计方法。加拿大蒙特利尔大学的Wu Ke教授带领的团队则创造性的把基片集成波导技术应用到了FSS设计之中，通过在级联的多层FSS之间打上金属通孔从而有效的提高带通的陡峭度和带外抑制度。随着技术的发展，越来越多的场合需要结构较为简单的超宽频带内具有极化和角度稳定带通特性的频率选择表面结构。
东南大学在专利“双通带频率选择表面”（公开号：CN100433449C）中，提出了一种双通带频率选择表面，通过双面金属面的介质基片形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。与普通的由两种不同尺寸的周期性贴片或者缝隙构成的双频带频率选择表面相比，新结构引入了腔体谐振模式，实现了双通带的单边陡降特性，大大提高了通带的选择特性，其性能对于入射波的角度和极化性的稳定性好。但是该发明采用通孔设计，结构较复杂。
电子科技大学在专利“双频带宽频率选择表面”（公开号：CN105244619A）中，提出了一种双频带宽频率选择表面结构，通过波纹方环孔实现了更稳定的频率选择表面可以应用于天线罩来减小天线的RCS，也可以减小天线阵列之间的互耦，还可以用于增加天线的辐射增益效果。但是该发明设计的带宽较窄。
西安电子科技大学在专利“选择性高和角度稳定的频率选择表面”（公开号：CN105609903A）中，提出了一种选择性高和角度稳定的频率选择表面，通过在两层介质基板表面印制不同结构的辐射贴片，并在介质基板上设置介质通孔结构，实现24GHz~26GHz频率范围内的实现0°~45°角度范围内良好的通带特性。但是该发明带宽仍较窄，且采用通孔设计，结构较复杂。
发明内容
本发明提供一种频率选择表面天线罩，对不同入射角度及不同极化方式的电磁波均具有良好性能，结构简单，厚度较小，易于曲面建模，具有良好的应用前景，能够达到提高频率选择表面天线罩在宽频带内的透波性能，并实现天线罩带外隐身功能。
为了达到上述目的，本发明提供一种频率选择表面天线罩，包含：
相互粘结的上层介质基板和下层介质基板，
以及，以相邻阵列形式设置在上层介质基板上表面的多个顶层圆弧形贴片周期性结构，以相邻阵列形式设置在上层介质基板下表面或设置在下层介质基板上表面的多个中间层双方环贴片周期性结构，和以相邻阵列形式设置在下层介质基板下表面的多个底层圆弧形贴片周期性结构。
所述的顶层圆弧形贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构完全一致，该圆弧形贴片周期性结构为正方形结构，正方形四个顶角具有金属圆弧形贴片，该金属圆弧形贴片的圆心位于正方形结构的顶角，弧线是起止于正方形结构邻边的四分之一圆。
所述的中间层双方环贴片周期性结构为正方形结构，该中间层双方环贴片周期性结构的边长与顶层圆弧形贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构的边长相同，中间层双方环贴片周期性结构上具有正方形金属外环和正方形金属内环，正方形金属外环的中心和正方形金属内环的中心重叠，正方形金属外环的边长与中间层双方环贴片周期性结构的边长相同，正方形金属内环的边长小于正方形金属外环的边长，且正方形金属外环和正方形金属内环相互不接触。
所述的顶层圆弧形贴片周期性结构、中间层双方环贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构的对称轴相同。
所述的上层介质基板和下层介质基板为RT5008基板，介质基板介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
所述的上层介质基板和下层介质基板的厚度均为H，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构、中间层双方环贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构的边长均为L，顶层圆弧形贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构上的金属圆弧形贴片的半径为R，中间层双方环贴片周期性结构上的正方形金属外环的边长为L，宽度为W，正方形金属内环的边长为L1，宽度为W1。
本发明利用两层介质基层与三层金属贴片层构造超宽频带频率选择表面天线罩结构，对不同入射角度及不同极化方式的电磁波均具有良好性能，结构简单，厚度较小，易于曲面建模，具有良好的应用前景，能够达到提高频率选择表面天线罩在宽频带内的透波性能，并实现天线罩带外隐身功能。
附图说明
图1是本发明提供的一种频率选择表面天线罩的局部结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是圆弧形贴片周期性结构的示意图。
图4是双方环贴片周期性结构的示意图。
图5为不同极化方式电磁波垂直入射表面结构时，实施例所述的多夹层宽频带频率选择表面结构的幅频特性图。
图6为水平极化（TM）电磁波以不同角度入射表面结构时，实施例所述的多夹层宽频带频率选择表面结构的透波系数图。
图7为垂直极化（TE）电磁波以不同角度入射表面结构时，实施例所述的多夹层宽频带频率选择表面结构的透波系数图。
图8为曲面共形超宽频多夹层频率选择表面结构天线罩示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图8，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种频率选择表面天线罩，包含：
相互粘结的上层介质基板11和下层介质基板22，
以及，以相邻阵列形式设置在上层介质基板11上表面的多个顶层圆弧形贴片周期性结构101，以相邻阵列形式设置在上层介质基板11下表面或设置在下层介质基板22上表面的多个中间层双方环贴片周期性结构102，和以相邻阵列形式设置在下层介质基板22下表面的多个底层圆弧形贴片周期性结构103。
如图3所示，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构101和底层圆弧形贴片周期性结构103完全一致，该圆弧形贴片周期性结构为正方形结构，正方形四个顶角具有金属圆弧形贴片33，该金属圆弧形贴片33的圆心位于正方形结构的顶角，弧线是起止于正方形结构邻边的四分之一圆。
如图4所示，所述的中间层双方环贴片周期性结构102也为正方形结构，该中间层双方环贴片周期性结构102的边长与顶层圆弧形贴片周期性结构101和底层圆弧形贴片周期性结构103的边长相同，中间层双方环贴片周期性结构102上具有正方形金属外环41和正方形金属内环42，正方形金属外环41的中心和正方形金属内环42的中心重叠，正方形金属外环41的边长与中间层双方环贴片周期性结构102的边长相同，正方形金属内环42的边长小于正方形金属外环41的边长，且正方形金属外环41和正方形金属内环42相互不接触。
如图2所示，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构101、中间层双方环贴片周期性结构102和底层圆弧形贴片周期性结构103都具有轴对称性，且顶层圆弧形贴片周期性结构101、中间层双方环贴片周期性结构102和底层圆弧形贴片周期性结构103的对称轴相同，形成带通型的谐振频点。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
自由空间的任意电磁波可以分解为水平极化（TM极化）和垂直极化（TE极化）两个极化分量。由于频率选择表面的三层结构均设计为轴对称结构，而FSS频率选择表面单元形状结构越对称，其不同极化波入射的交叉极化特性越好，因此对于图3和图4所示的三层周期结构能够实现不同极化的稳定特性。同时，利用多层FSS层叠加技术可以获得宽频的工作特性，将图3和图4所示的不同FSS周期结构进行级联设计，有效拓宽工作频带，最终实现极化性能稳定的超宽频带频率选择表面结构。在上层介质基板11上表面刻蚀生成多个顶层圆弧形贴片周期性结构101，在上层介质基板11下表面或在下层介质基板22上表面刻蚀生成多个中间层双方环贴片周期性结构102，在下层介质基板22下表面刻蚀生成多个底层圆弧形贴片周期性结构103。
下面详细描述本发明中宽频带频率选择表面结构和尺寸。
所述的上层介质基板11和下层介质基板22为RT5008基板，介质基板介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，上层介质基板11和下层介质基板22的厚度均为H，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构101、中间层双方环贴片周期性结构102和底层圆弧形贴片周期性结构103均为正方形，边长均为L，顶层圆弧形贴片周期性结构101和底层圆弧形贴片周期性结构103上的金属圆弧形贴片33的半径为R，中间层双方环贴片周期性结构102上的正方形金属外环41的边长为L，宽度为W，正方形金属内环42的边长为L1，宽度为W1。几何参数分别为L=6mm，R=1.5mm，W=0.126mm，W1=0.025mm，H=0.8mm。
所述的频率选择表面工作频率能够覆盖9.8~27GHz频段，本发明能够在微波频段的9.8~27GHz超宽频带内实现对水平极化和垂直极化波一致的频响特性，实现在K波段天线罩的带通特性及带外的屏蔽特性。
本发明提供的极化稳定的超宽频带频率选择表面结构，其不同极化方式电磁波垂直入射的幅频特性仿真结果如图5所示，表明结构具有极化稳定性。
本发明提供的极化稳定的超宽频带频率选择表面结构，其水平极化（TM）电磁波和垂直极化（TE）电磁波以不同角度入射表面结构时的幅频特性仿真结果分别如图6和如图7所示，表明该结构在频带内具备角度稳定性。
本发明提供的极化稳定的超宽频带频率选择表面结构，此时的上层介质基板11和下层介质基板22采用曲面结构，并在曲面结构上刻蚀形成顶层圆弧形贴片周期性结构101、中间层双方环贴片周期性结构102和底层圆弧形贴片周期性结构103。其曲面共形天线罩结构如图8所示，易于建模，性能稳定。
本发明利用两层介质基层与三层金属贴片层构造超宽频带频率选择表面天线罩结构，对不同入射角度及不同极化方式的电磁波均具有良好性能，结构简单，厚度较小，易于曲面建模，具有良好的应用前景，能够达到提高频率选择表面天线罩在宽频带内的透波性能，并实现天线罩带外隐身功能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种频率选择表面天线罩，其特征在于，包含：
相互粘结的上层介质基板和下层介质基板，
以及，以相邻阵列形式设置在上层介质基板上表面的多个顶层圆弧形贴片周期性结构，以相邻阵列形式设置在上层介质基板下表面或设置在下层介质基板上表面的多个中间层双方环贴片周期性结构，和以相邻阵列形式设置在下层介质基板下表面的多个底层圆弧形贴片周期性结构。
2.如权利要求1所述的频率选择表面天线罩，其特征在于，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构完全一致，该圆弧形贴片周期性结构为正方形结构，正方形四个顶角具有金属圆弧形贴片，该金属圆弧形贴片的圆心位于正方形结构的顶角，弧线是起止于正方形结构邻边的四分之一圆。
3.如权利要求2所述的频率选择表面天线罩，其特征在于，所述的中间层双方环贴片周期性结构为正方形结构，该中间层双方环贴片周期性结构的边长与顶层圆弧形贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构的边长相同，中间层双方环贴片周期性结构上具有正方形金属外环和正方形金属内环，正方形金属外环的中心和正方形金属内环的中心重叠，正方形金属外环的边长与中间层双方环贴片周期性结构的边长相同，正方形金属内环的边长小于正方形金属外环的边长，且正方形金属外环和正方形金属内环相互不接触。
4.如权利要求3所述的频率选择表面天线罩，其特征在于，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构、中间层双方环贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构的对称轴相同。
5.如权利要求4所述的频率选择表面天线罩，其特征在于，所述的上层介质基板和下层介质基板为RT5008基板，介质基板介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
6.如权利要求5所述的频率选择表面天线罩，其特征在于，所述的上层介质基板和下层介质基板的厚度均为H，所述的顶层圆弧形贴片周期性结构、中间层双方环贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构的边长均为L，顶层圆弧形贴片周期性结构和底层圆弧形贴片周期性结构上的金属圆弧形贴片的半径为R，中间层双方环贴片周期性结构上的正方形金属外环的边长为L，宽度为W，正方形金属内环的边长为L1，宽度为W1。
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