CN1080465C - 选频装置 - Google Patents

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Abstract

用来在一个或多个预定的传输频率附近传输(允许通过)电磁辐射(440)的选频表面(400)。该选频表面至少包含两个层(410、420)，外层(410)至少由一个带有导电元件的周期性图案的电磁反射层(412)组成。导电元件的周期性图案是为了获得一定的电磁辐射反射共振频率，其量级为所希望的传输频率的三倍以上。内层(420)与外层(410)相隔一个适当的预定距离(450)。内层(420)至少由一个带有孔径元件的周期性图案的电磁传输层组成。孔径元件的周期性图案是为了获得一定的电磁辐射传输共振频率，该频率与所希望的传输频率基本相同。

Description

选频装置
发明领域
本发明涉及一个或多个电磁探测器的保护(屏蔽)装置，使探测器免受不必要的电磁辐射。
发明背景
在很多连接中，希望对一个或多个电磁探测器如天线进行保护(屏蔽)，使其免受不必要的电磁辐射和机械的影响。通常希望对探测器敏感的电子设备进行保护，防止干扰和/或破坏信号及影响/削弱/改变探测器的雷达特征图象。物体的雷达特征图象是该物体的三维电磁辐射图，这个图是从不同频率电磁信号传输和物体自身产生的电磁辐射获得的。物体的雷达特征图象也可以视为物体等效的三维反射表面的图象，当然，这仅给出了λ射辐射的雷达特征图象。
有一种方法可得到满足上述要求的保护装置/屏蔽装置，该方法使用了选频表面或雷达罩(FSS-选频表面，RADOME-雷达罩)。
在选频表面结构中，可使用由孔径元件构成的周期性图案，简单地说，例如导电平板上某种形状的孔，或者，也可使用由导电元件如偶板子或印刷导电元件构成的周期性图案，这些元件可以描述为在绝缘板上的一定形状的导电岛状体。这两种类型的周期性图案，都使表面具有不同的频率行为。
如果使用了孔径元件，表面的传输频率为孔径元件的共振频率f0。这意味着表面具有一个传输窗口(与带通滤波器相比)，在由该元件的波长为λ(元件长度大约为λ/2{λ＝电波波长})的共振频率决定的频率附近，可获得通过表面的最大传输效果。相反，如果使用导电元件，则在该元件的共振频率处发生表面反射。这意味着该表面具有一个反射窗口(与抑止/带阻滤波器相比)，在由该元件的共振频率决定的频率(元件长度大约为λ/2)附近，可获得最大反射效果。
在建立选频表面/雷达罩时，很自然的选择便是带有孔径元件的周期性图案。这样的表面具有传输窗口，即对于某一选定的频率范围而言是透明的。通过将两个或多个这样的层结合起来并在各层之间留空隙，以及在窗口中采用比较陡直的波前的方法，可以辅助改进/改变雷达罩的特性，即在所期望的反射频率处得到全部的传输。
然而，这种结构存在几个缺点，这部分是由于具有这种表面的雷达罩在整数倍共振频率处(nf0，n＝1，2，…)是电磁开放型的(存在通带)缘故，另外也由于周期性的图案在大约1.5f0频率处产生波瓣(对典型的传统雷达罩结构而言)。栅瓣是一些不希望的波瓣、辐射，它是在适当频率的电磁辐射遇到或通过具有周期性对称图案的表面时，由于相互干扰引起的。
栅瓣出现时的辐射频率依赖于周期性图案的充填密度。如果元件分布比λ/2更稀，栅瓣就会出现在雷达罩的雷达特征图象上。这意味着，当电磁辐射的波长λ小于元件间距离的两倍时，就会出现栅瓣
换句话说，FSS-雷达罩对探测器的保护/屏蔽作用是有限的。在探测器固有频率的整数倍频率处，探测器是得不到电磁保护的，另外，由于栅瓣的缘故，也许以前没有出现过栅瓣，但通常在探测器的固有频率上或附近产生，探测器的雷达特征图象进一步恶化。雷达罩所提供的电磁保护，针对的是频率低于探测器固有频率的入射辐射，对这些频率而言，FSS-表面基本相当于纯金属表面。
多传输窗口的问题是由它们自身引起的，特别是如果FSS-雷达罩的构造是出于雷达特征图象的目的，即雷达罩的一个目的是保护其后面的探测器，使其免于被发现。在另外一个情况下，如果其的目的在于保护其后面探测器的电子设备以避开干扰性和破坏性信号时，多窗口传输系统也会成为问题。在栅瓣没有在不希望的共振频率处出现的情况下，其问题只在于和减少/改变雷达的特征图象这种期望相耦合，在这种情况下，即使探测器/天线自身的特性也受到干扰。
在一些已出版的文章中，已经对在选频表面/雷达罩中使用周期性孔径图案的方法进行了叙述。此外，还对这种将若干个图案相似的层结合在一起，以便在FSS表面获得不同特性的方法进行了说明。
在美国专利US patentNo.5208603中，公开了一种解决方案，其中，由孔径的周期性图案构成的外层与由导电元件的周期性图案构成的内置层结合在一起。该专利的目的是获得一种紧凑的雷达罩方案，该雷达罩在两个频率处传输。由导电元件构成的中间层的目的，是在孔径层之间产生耦合，从而允许在两个频率处进行传输。上述方案并没有解决雷达罩在不希望的传输频率的整数倍频率处是开放的这一问题。与传统的方案相比较，这种结构允许对元件进行更紧凑的封装，这意味着可以在频率f0处避免栅瓣。但是，由于与周围物交界的那一层是由孔径构成的，会在所不希望的传输频率f0处发生共振，然而，孔径的充填密度使得大约在2f0处发生栅瓣。
在英国专利GB2253519中叙述了一种方案，FSS表面由元件的周期性图案的致密充填的层构成，元件可以是孔径和/或导电元件。其目的在于获得一种表面，其传输/反射特性可由相互移位的各个层所改变。这些层被构造用于在给定的频率处进行传输或反射，所给定的频率可由相互改变位置的各个层改变。在该方法中，没有采取任何措施来防止在整数倍频率处的传输或栅瓣的发生。这个英国专利所提出的方案，其目的并非要解决这些问题而且也并没有解决这个问题。
发明概述
本发明的一个目的，是确定一种选频装置/表面，允许传输一个或多个预定频率的电磁辐射，即对这些频率的入射或发射电磁辐射来说是透明的。
本发明的另一个目的，是确定一种选频装置，该装置解决了在所希望的频率附近存在栅瓣的问题。
本发明的又一个目的，是确定一种选频装置，允许在一个或多个频率处传输电磁辐射，并且防止在整数倍的传输频率处传输电磁辐射。
本发明的一个附加目的，是为一个或多个探测器和/或发送和/或接收天线(天线装置或天线装置组)确定一种选频装置，允许控制和/或减少它们的雷达特征图象。
根据本发明，上述目的是通过选频表面/装置来实现的，该表面/装置用于在一个或多个预定的频率附近传输(允许通过)电磁辐射。该选频表面/装置包含若干层，并至少具有一个外部电磁反射层和一个内部电磁传输层。
外层比内层更靠近周围环境。内层则比外层更靠近天线装置，选频装置就在天线的前面，以作为天线装置(组)的选频装置。
外层包含至少一个电磁反射层，每个反射层都包含导电元件的周期性图案。每个导电元件的周期性图案都经过安排，以便具有一定的电磁辐射反射共振频率，这个频率要高于传输频率，最好为大于三倍的量级。
选频表面/装置的内层与外层相隔预定的距离，该距离是根据雷达罩应有的特性来选择的。例如，该距离可以为大约λ/4或大约λ/4+nλ/2，这里n＝1，2，3…(注意λ是两层之间的材料中的电波波长)。内层包含至少一个电磁传输层，每个传输层都包含孔径元件的周期性图案。每个孔径元件的周期性图案都经过安排，以便具有一定的电磁辐射传输共振频率，这个频率大致和传输频率相同。
根据本发明，安置在一个或多个天线装置(110，310，430，930)的前面、用来在至少一个预定的传输频率附近传输电磁辐射(440、442、940、942)的一种选频装置，其特征在于，选频装置包含许多层，其中至少包括一个内层(420、920)和一个外层(410、910)，内层(420、920)安置得比外层(410、910)更靠近天线装置或天线装置组(110，310，430，930)，其中：
-外层(410、910)至少包含一个由导电元件的周期性图案组成的电磁反射层(412、912、914)，这里，导电元件的周期性图案经过了安排，使其具有一定的电磁辐射反射共振频率，该频率高于传输频率，
-内层(420、920)至少包含一个电磁传输内层(422、922)，该内层与外层相距一个预定的距离(450)，所述电磁传输内层包含孔径元件的周期性图案，这里，周期性图案经过了安排，使其具有一定的电磁辐射传输共振频率，该频率基本上等于传输频率。
附图简述
参照附图，将采用解释性的方式而不是限制性地对本发明进行说明，附图是为解释服务的，其中：
图1表示的是飞机头部的一个示意图，其头部的雷达罩可采用本发明，
图2示意性地表示了早先已经知道的周期性图案的一个实例，
图3表示的是飞机头部的另外一个示例，其头部的雷达罩可采用本发明，
图4示意性地表示了本发明的一个实施方案，
图5是导电元件的周期性图案构成的一个层的频率特性示意图，本发明包含了这些导电元件，
图6是孔径元件的周期性图案构成的一个层的频率特性示意图，本发明包含了这些孔径元件，
图7表示的是图5和图6的重叠关系，
图8表示的是根据本发明的导电元件层和孔径元件层的最终频率特性，以及
图9示意性地表示了本发明的另一个实施方案。
优选实施方案说明
为清楚地解释根据本发明的装置，下面联系图1至图9叙述一些应用实例，应该注意的是，图中的大小比例不很准确。
原则上，所有的电磁探测器和传输装置，天线装置如属于航空设备的雷达天线都带有保护雷达罩。即使在大量的陆基和海基设备上，也要借助于雷达罩对传输和接收天线进行保护。原则上，下面所有与航空设备有关的讨论都同样适用于海基设备及陆基设备。例如，快速移动的船只和车辆也需要气动外形。
图1表示了一个电磁探测器/天线110，位于雷达罩120后面并受到机械保护。雷达罩120适合在电磁上为透明的、在机械上为稳定的，以便在飞机100的头部提供气动保护壳，并且在气动方面与机身的其它部分相适合。
由于接收器技术已从阀门开始发展到半导体放大器，同样也提高了探测器对实际需要的信号和大功率的破坏性辐射灵敏度。这就必须采用不同的保护电路。例如，由于保护电路主要用于在从其传输装置传输的过程中，保护接收电路以避免大功率辐射，所以常常要优化这些电路，使其在雷达的传输频率附近工作得最好。为使保护电路更方便，雷达罩适合为选频的，即雷达罩只让处于所希望的频率范围内的电磁辐射在两个方向上都可以通过。
一种构造选频表面的方法是采用由狭槽或偶极子组成的周期性图案(见图2)。在构造选频雷达罩时，最常用的方法是采用一层或多层狭槽(孔径元件)。根据图1，可以将这个(这些)层构造成雷达罩120，以便也形成一定的电磁保护。
没有必要将外雷达罩和选频表面放在一起，不这样做还有利于控制雷达的特征图象。在图3中，选频表面322与探测器/天线前的外雷达罩324分开，以便形成以角反射器形式存在的选频表面322，从而增加并获得等效反射表面，该表面比其几何表面要大好几倍。对商用飞机300来说，使其电磁清楚可见即带有雷达是很有价值的，但在其它连接方面就没有这种必要了。如果希望不是电磁清楚可见的话，图3中的选频表面322或图1中的雷达罩120(带有选频层)就可以按几何方式构成，使其等效反射表面最小。
为通过采用如具有选频表面的雷达罩或只是一个选频表面(为增加或减少等效反射表面)的特殊几何形状，获得一种可控制和可预知的雷达特征图象，这就要求选频表面只传输(允许通过)所需频率的辐射。用传统方法构成的选频表面/雷达罩，具有一个或多个由孔径元件如狭槽组成的层，并组成周期性的图案，这种方法产生了(如前所述)多传输窗口及不希望的栅瓣的出现等问题。
为解决传统选频表面/雷达罩出现的多传输窗口及在雷达特征图象中出现的栅瓣等问题，必须满足许多因数。选频表面/雷达罩应该做成在与希望的传输频率分离的频率处，以及在整数倍传输频率处反射而不是传输。外来入射辐射场遇到并在其中反射的表面，其结构应该不会产生栅瓣，直到远离所期望的传输频率的频率(如6f0)处为止。
通过在不同的层中，将具有周期性元件(开口或导电元件)图案的两种类型的层以某种特殊的方式结合起来，由此所得到的构造，将选频表面/雷达罩中的多通带和较早(在频率方面)出现栅瓣的问题减至最低。
根据本发明(见图4)的选频表面/装置400，至少结合了具有周期性图案的两个层410和420。第一和外层410至少包含一个由偶极型元件组成的周期性图案层412，第二和内层420至少包含一个由狭槽形的孔径元件组成的周期性图案层422。
选定适当的外层410的尺寸，使其在3f0处产生反射共振。根据图5，所得到的层具有阻带特性，其中X轴是频率，Y轴是传输率，f0是所希望的传输频率。应该指出，反射共振大约选定在频率3f0处。由于元件在3f0处共振，周期性图案的充填密度可进一步调整，这样在大约6f0之前都不会产生栅瓣。
内层420的大小适合用来在f0处传输共振，即获得一个带通滤波器，与此同时也存在上述的一些缺点。通过将该带通滤波器(见图6)和前面根据图5选定尺寸的带阻滤波器结合在一起，其中阻带滤波器更靠近环境，就可以获得一种带通滤波器(见图8)，该滤波器没有多通带，并且选频表面/雷达罩的外面产生的栅瓣，在沿频率方向至大约6f0的频率处有明显的偏移。将一个叠加到另外一个上，图7表示了这两种不同的传输曲线是如何出现的。
在结合过程中有一件很重要的事，即靠近环境的那一层(外层)应当是反射层，这一层替传输层(内层)挡住了超过所期望的共振频率f0的那些频率。在接近f0时，在选频表面/雷达罩的内部将产生栅瓣，但对外面雷达的特征图象来说意义不大。
根据图4，可以根据所希望的选频表面/雷达罩的特性选择层410、420之间的距离450。优先选择的距离大约为λ/4，更佳的距离则是λ/4+nλ/2，n＝1，2，3…(注意λ是基底中的电波波长)。当然，各层间的其它距离可根据所希望的特性进行选择。同样，两个层中间的空腔内为空气也是可行的，但从实际应用考虑，通常使用多孔材料，这些材料的介电特性与空气非常类似。
元件的选择并不仅限于狭槽和偶极子，任何类型的孔径元件(狭槽，环形槽，三角形槽等)以及各类相应的导电元件(偶极子，环，三振子等)都可以结合到该结构中。孔径元件和导电元件可使用任何导电材料，如铜、铝等来制造。这些材料的选择是根据各种因数来决定的，如成本、加工、寿命等等。所用导电材料的厚度通常为几十至几百毫米的量级。导电元件被安装在任何绝缘体如玻璃纤维、凯夫拉(kevlar)、热塑性材料等上面。和前面一样，这些材料的选择是根据若干因数来决定的，如成本、加工、寿命、温度范围等等。
为补充加强滤波器的功能并在滤波器的边缘产生较大的梯度，或为了产生另一种滤波器功能，其中的一个层或两个层都可以有好几层。这意味着各个开口/导电元件层可以由两个或更多个相同或相似类型的元件层组成。
在采用多个层时，带有孔径元件的层被绝缘材料至少隔开一定的距离，从而保证各个层之间相互绝缘。带有导电元件的层至少也被绝缘材料隔开，这些元件就安放在绝缘材料上。在外层包含两层时，可以对这两层进行安排，使得导电元件分布在它们所在的绝缘材料的各个面上。
内层和外层中每个层的传输共振频率和反射共振频率，可以分别基本相同(在制造探测器过程中，尽可能使每个层具有相同的反射共振频率或传输共振频率)或稍微有一些偏移，这个偏移最大可为相关频率的10％。
不同的层之所以选用相似或稍微变化的频率，完全取决于希望选频表面所应具有的特性。在希望选频表面对一个以上的传输频率为透明的情况下，适合给每个传输频率选择一个传输层，并使每个传输频率有一个传输共振频率。
然而，这却增加了整个雷达罩结构的复杂性。合适的选择是采用两层偶极型元件并结合一到两个狭槽类型的元件层。图9表示了根据本发明的选频表面900的优选实施方案。在这个方案中，外层910包含带有偶极型元件的两个层912和914。内层920则包含带有狭槽类型元件的层922。通过这种方法，入射电磁辐射940和传输电磁辐射942可以在所希望的频率处，到达和从探测器/天线传输出去。
本发明并不局限于上述的实施方案，而是可在所附的权利要求的范围内变化。

Claims (16)

1、安置在一个或多个天线装置(110，310，430，930)的前面、用来在至少一个预定的传输频率附近传输电磁辐射(440、442、940、942)的一种选频装置，其特征在于，选频装置包含许多层，其中至少包括一个内层(420、920)和一个外层(410、910)，内层(420、920)安置得比外层(410、910)更靠近天线装置或天线装置组(110，310，430，930)，其中：
-外层(410、910)至少包含一个由导电元件的周期性图案组成的电磁反射层(412、912、914)，这里，导电元件的周期性图案经过了安排，使其具有一定的电磁辐射反射共振频率，该频率高于传输频率，
-内层(420、920)至少包含一个电磁传输内层(422、922)，该内层与外层相距一个预定的距离(450)，所述电磁传输内层包含孔径元件的周期性图案，这里，周期性图案经过了安排，使其具有一定的电磁辐射传输共振频率，该频率基本上等于传输频率。
2、根据权利要求1的选频装置，其特征在于，反射共振频率的量级为传输频率的三倍以上。
3、根据权利要求1或2的选频装置，其特征在于，内层和外层之间的预定距离大约为λ/4+nλ/2，其中，n＝0，1，2，3，…，λ是电波波长。
4、根据权利要求1或2的选频装置，其特征在于，外层包含两个电磁反射层。
5、根据权利要求4的选频装置，其特征在于，两个电磁反射层被设计成具有基本相同的反射共振频率。
6、根据权利要求4的选频装置，其特征在于，两个电磁反射层被设计使得反射共振频率的偏移在10％以内。
7、根据权利要求1或2的选频装置，其特征在于，内层包含两个电磁传输层。
8、根据权利要求7的选频装置，其特征在于，两个电磁传输层被设计成具有基本相同的传输频率。
9、根据权利要求7的选频装置，其特征在于，两个电磁传输层被设计使得传输频率的偏移在10％以内。
10、根据权利要求1的选频装置(120，322，400，900)，其特征在于：
-外层(410、910)包含两个电磁反射层(412、912、914)，每一层包含导电元件的周期性图案，这里，导电元件的周期性图案经过了安排，具有一定的电磁辐射反射共振频率，该频率的量级为传输频率的三倍以上，
-内层(420、920)与外层之间相距一个预定的距离(450)，大约为λ/4，λ是电波波长。
11.根据权利要求3的选频装置，其特征在于，所述外层包括两个电磁反射层。
12.根据权利要求11的选频装置，其特征在于，所述两个电磁反射层被分配了基本相同的反射谐振频率。
13.根据权利要求11的选频装置，其特征在于，所述两个电磁反射层被分配的反射谐振频率彼此偏移10％。
14.根据权利要求4的选频装置，其特征在于，所述内层包括两个电磁发射层。
15.根据权利要求14的选频装置，其特征在于，所述两个电磁发射层被分配了基本相同的发射频率。
16.根据权利要求14的选频装置，其特征在于，所述两个电磁发射层被分配的发射频率彼此偏移10％以内。
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