CN107946762A - 基于c型夹层雷达罩壁结构的x波段小型化高透波fss - Google Patents

基于c型夹层雷达罩壁结构的x波段小型化高透波fss Download PDF

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Abstract

基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，涉及X波段小型化频率选择表面领域，为了解决现有的X波段频率选择表面尺寸较大，对入射波入射角和极化的稳定性差，透波性能差问题。本发明包括2层第一蒙皮层、2层第二蒙皮、3层芯层和2层金属线层；各层均为正方形，各层平行且垂直于轴向；两端为第一蒙皮层，2层第一蒙皮之间依次设置芯层、第二蒙皮、芯层、第二蒙皮和芯层；金属线层位于第二蒙皮的中心；第一蒙皮层内的四个角均设置有正方形金属贴片。本发明适用于滤波。

Description

基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS
技术领域
本发明涉及X波段小型化频率选择表面领域。
背景技术
目前关于FSS的理论研究已相对成熟，然而在许多实际工程应用中，往往会要求设计的FSS工作在较宽的频带，而且在一些FSS的应用场景中，入射波的极化方向和入射角度会在较大范围内波动，即对FSS的透波性能提出较为严格的要求。而目前关于FSS的研究成果多数局限于较窄的工作带宽，没有对诸如功率传输效率、带内插损、带外抑制、入射波入射角和极化方式稳定性等性能指标引起足够的重视，这就使得其在实际工程应用中受到很大限制。
在FSS(Frequency Selective Surface的缩写，频率选择表面)研究中，小型化技术是一个至关重要的研究方向。小型化频率选择表面(Miniaturized Elements FSS，MEFSS)，因为其电尺寸较小，可以使空间栅瓣和表面波远离谐振通带，提升对入射波入射角和极化的稳定性，同时对于曲面频率选择表面结构，还可以减缓因单元形状扭曲而带来的传输特性恶化现象。然而现有的X波段频率选择表面尺寸较大，对入射波入射角和极化的稳定性差，透波性能差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的X波段频率选择表面尺寸较大，对入射波入射角和极化的稳定性差，透波性能差问题，从而提供基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS。
本发明所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，包括2层第一蒙皮层1、2层第二蒙皮2、3层芯层3和2层金属线层4；
各层均为正方形，各层平行且垂直于轴向；
两端为第一蒙皮层1，2层第一蒙皮1之间依次设置芯层3、第二蒙皮2、芯层3、第二蒙皮2和芯层3；
金属线层4位于第二蒙皮2的中心；
第一蒙皮层1内的四个角均设置有正方形金属贴片5。
优选的是，金属线层4包括至少一个金属线单元，金属线单元阵列式排布，金属线单元由金属线弯折而成，弯折后的图案为正方形且中心对称。
优选的是，金属线单元的图案为至少一个矩形波形状顺时针旋转90°、旋转三次形成的图案。
优选的是，金属线宽w为0.06mm，矩形波的长S为0.88mm，形成矩形波的相邻金属线间隔L为0.06mm。
优选的是，第一蒙皮1的厚度为0.38mm，第二蒙皮2的厚度为1.62mm，芯层3厚度为2.49mm，各层的正方形边长为1.67mm。
优选的是，第一蒙皮1和第二蒙皮2均为介电常数为3.2、介电损耗为0.01的玻璃钢。
优选的是，金属贴片5的边长a为0.32mm。
优选的是，金属线单元为正方形的螺旋线。
本发明采用异面互耦的频率选择表面结构，异面互耦的结构由金属线层和金属贴片层组成，金属线层可以等效为电感，是感性表面，金属贴片可以等效为电容，是容性表面，与金属线层形成的感性表面通过耦合入射波的电场和磁场实现滤波特性，是一种小型化的滤波结构。本发明由四面层平面金属屏级联而成，在保持FSS通带平坦的同时增加带外抑制度，从而实现高透波，对入射波入射角和极化的稳定性好。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS的透视图；
图2是具体实施方式一所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS的立体结构示意图；
图3是现有矩形金属线单元的结构示意图；
图4是具体实施方式二中的金属线单元的结构示意图；
图5是图4的金属线单元阵列后形成的金属线层的结构示意图；
图6是TE波不同入射角度时的传输系数曲线图；
图7是TM波不同入射角度时的传输系数曲线图；
图8是具体实施方式三中的金属线单元的结构示意图；
图9是图8的金属线单元阵列后形成的金属线层的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，包括2层第一蒙皮层1、2层第二蒙皮2、3层芯层3和2层金属线层4；
各层均为正方形，各层平行且垂直于轴向；
两端为第一蒙皮层1，2层第一蒙皮1之间依次设置芯层3、第二蒙皮2、芯层3、第二蒙皮2和芯层3；
金属线层4位于第二蒙皮2的中心；
第一蒙皮层1内的四个角均设置有正方形金属贴片5。
本实施方式中，金属线层4包括至少一个金属线单元，金属线单元阵列式排布，金属线单元由金属线弯折而成，弯折后的图案为正方形且中心对称。
本发明从FSS的宽带结构和小型化技术下手，基于等效电路法对工作频带覆盖X波段的高透波平面结构频率选择表面进行设计和研究。
现有雷达罩按照介质层的壁结构可分为实心半波壁、A型、B型、C型以及混合夹层结构等，与A型和B型相比，C型夹层有更宽的工作通带且在高入射角时保持稳定的透波性能。在一些流线型雷达罩往往将该结构作为优先考虑。为了进一步增加带外抑制度，提升矩形系数，增强结构对入射波的稳定性，本发明在C型夹层结构基础上增加一层金属线层，然后又对FSS结构中金属线层进行曲折化设计，加长了金属线单元的电长度，增加了等效电感，从而达到小型化的设计目的，提高对入射波入射角和极化的稳定性。
具体实施方式二：结合图3至图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS作进一步说明，本实施方式中，金属线单元的图案为3个矩形波形状顺时针旋转90°、旋转三次形成的图案。
经计算，曲折化后得到的金属线单元长度为现有矩形金属线单元长度的7.3倍。可见，通过这种将金属线内外弯折的形式，最大程度上加长了中间金属线单元的电长度，增加了等效电感，从而达到小型化的设计目的。
将曲折金属线代替矩形金属线后，对FSS结构芯层和蒙皮的厚度以及金属贴片大小等参数进行调整优化，得到小型化改进C型夹层FSS单元结构，如图1和2所示。结构由四层蒙皮材料和三层芯层材料级联而成，蒙皮材料是介电常数为3.2，介电损耗0.01的玻璃钢，上下两层蒙皮厚度d1＝d4＝0.38mm，中间两层蒙皮厚度d2＝d3＝1.62mm，三层芯层厚度均为t1＝t2＝t3＝2.49mm。FFS结构金属贴片边长a＝0.32mm，金属线宽w为0.06mm，矩形波的长S为0.88mm，形成矩形波的相邻金属线间隔L为0.06mm。整个结构单元尺寸为1.67×1.67×11.46mm3，相当于工作波长的十八分之一，可见小型化效果十分显著。
对以上结构仿真计算，直接得到入射波0°至60°斜入射情况下的传输系数曲线如图6和图7所示。
从图6可看出，对于斜入射TE波，FSS结构保持很好的斜入射稳定性，当入射波入射角从0°到60°逐渐增加时，传输曲线频带没有产生频偏，带宽也没有发生变化，只是通带插损略微增加，当60°斜入射时，传输系数达到波谷值0.91，仍保持在0.9以上；对于TM极化入射波，当斜入射角度增加时，仍保持通带平顶和带外抑制特性，同时传输系数曲线通带向高频方向展宽，但通带范围仍覆盖X波段。可见在大角度斜入射情况下，相对而言结构对TE波的频响稳定性更好。
总体来看，本发明的FSS结构小型化效果显著，在X波段对大角度范围内斜入射的TE波和TM波均保持宽且平坦的传输通带，同时保持较好的带外抑制特性，具有高透波性能，对入射波入射角和极化的稳定性好。
具体实施方式三：结合图8和图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS作进一步说明，本实施方式中，金属线单元为正方形的螺旋线。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，包括2层第一蒙皮层(1)、2层第二蒙皮(2)、3层芯层(3)和2层金属线层(4)；
各层均为正方形，各层平行且垂直于轴向；
两端为第一蒙皮层(1)，2层第一蒙皮(1)之间依次设置芯层(3)、第二蒙皮(2)、芯层(3)、第二蒙皮(2)和芯层(3)；
金属线层(4)位于第二蒙皮(2)的中心；
第一蒙皮层(1)内的四个角均设置有正方形金属贴片(5)。
2.根据权利要求1所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，金属线层(4)包括至少一个金属线单元，金属线单元阵列式排布，金属线单元由金属线弯折而成，弯折后的图案为正方形且中心对称。
3.根据权利要求2所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，金属线单元的图案为至少一个矩形波形状顺时针旋转90°、旋转三次形成的图案。
4.根据权利要求3所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，金属线宽w为0.06mm，矩形波的长S为0.88mm，形成矩形波的相邻金属线间隔L为0.06mm。
5.根据权利要求4所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，第一蒙皮(1)的厚度为0.38mm，第二蒙皮(2)的厚度为1.62mm，芯层(3)厚度为2.49mm，各层的正方形边长为1.67mm。
6.根据权利要求5所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，第一蒙皮(1)和第二蒙皮(2)均为介电常数为3.2、介电损耗为0.01的玻璃钢。
7.根据权利要求6所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，金属贴片(5)的边长a为0.32mm。
8.根据权利要求2所述的基于C型夹层雷达罩壁结构的X波段小型化高透波FSS，其特征在于，金属线单元为正方形的螺旋线。
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