CN108365306B - 新型双极化低通带吸型频率选择结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型双极化低通带吸型频率选择结构。传统的吸波性频率选择结构都采用带通型频率选择结构，此类结构通带带宽有限，并且很难覆盖低频。本发明采用单环反射平面，结合单环电路模拟吸收器，搭建出双极化低通带吸型频率选择结构，能够实现低频通带内低插入损耗，并在临近高频处产生一个较宽的吸波带。

Description

新型双极化低通带吸型频率选择结构
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种双极化低通带吸型频率选择结构，可作为低频段(VHF/UHF)天线的隐身天线罩,其潜在的应用场景包括军舰的综合通信桅杆等。
背景技术
在当前的军事应用中，频率选择表面和频率选择结构来作为天线罩是减少雷达散射截面的有效方式之一，该种方法能够有效地提升作战平台的隐身性能。
频率选择表面实质上是一种空间滤波器，只能对特定频段、极化方式以及入射角度等电磁波进行筛选，无法对电磁波进行吸收。因此，对于基于频率选择表面研制的天线罩，只能将探测波进行反射，偏离其入射路径从而减小RCS。但是这种方式只能够对单站起作用，对于双站甚至多站探测系统，只能通过将入射波吸收的方式达到隐身的目的。吸波性频率选择结构/表面的概念由此引出，该种理想天线罩呈现的特性为：在通带内，天线罩对入射电磁波不可见，电磁波因此能完全无损透过；而在工作频段外，其能够将入射的电磁波进行有效地吸收，从而达到隐身的目的。
目前已报道的吸波性频率选择结构均为带通型，带吸型尚未有报道。实际上，在诸多低频段的系统中，例如军舰上的综合桅杆，还有各种针对通信信号的侦测系统，其天线大多工作在VHF和UHF频段，因此迫切需要低频段透射而高频段(雷达频率)吸波的天线罩。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供二维平面级联吸波性频率选择表面，采用带阻反射面结合吸波面结构的方式，搭建出双极化低通带吸型频率选择表面，能够在高频处产生一个吸波带，而在低频段低插损的低通特性。这种结构厚度薄，结构简单，易于设计，便于加工，成本低。
本发明的双极化低通带吸型频率选择结构为周期性分布结构，每个结构单元垂直设置，包括带阻反射面和吸波面；吸波面与带阻反射面前后平行设置，且吸波面和带阻反射面之间留有一段空气间隙，该空气间隙距离略小于带阻反射频点对应波长的四分之一。
所述的吸波面为周期性分布结构单元，每个单元无缝排布，包括第一介质基片、以及镀在第一介质基片其中一表面的第一金属环；所述的第一金属环为封闭环形结构，边长小于第一介质基片的两轴长度，金属环的四边中心处共焊接有四个射频电阻。
所述的射频电阻阻值相同，其电阻阻值需具体情况具体分析，该电阻值的选取会影响该结构的吸波效果(吸波率)。
所述的带阻反射面为周期性分布结构单元，每个单元无缝排布，包括第二介质基片、以及镀在第二介质基片其中一表面的第二金属环；所述的第二金属环为封闭环形结构，边长小于第二介质基片两轴长度。
上述的第一、二介质基片的尺寸完全相同。
上述的第一、二金属环的尺寸完全相同。
上述的第一、二金属环与第一、二介质基片的中心重叠；且第二金属环与未镀有第一金属环的第一介质基片表面相邻。
上述第一、二介质基片的两轴长度指代第一、二介质基片的相邻两边长。
第二金属环谐振产生带阻特性，该带阻频率是由第二金属环的尺寸决定的；同时中间空气间隙的距离也是依据该第二金属环谐振频点进行对应设计的。
具体工作原理：电磁波射入结构表面，直接透过吸波面，射到带阻反射面，由于带阻反射面上的金属环谐振反射对应频段的电磁波，产生传输零点，从而产生低通通带以及较宽的阻带，通带内的电磁波透过带阻反射面，而阻带内的电磁波被反射到相同谐振频率的吸波面上，并被完全吸收。由于该结构x、y两轴方向结构完全相同，对于入射的TE波和TM波所感应出的频率特性完全相同，因此能够具备双极化的特性。
上述的TE波表示向z轴负方向入射且电场方向与y轴平行的电磁波；TM波表示向z轴负方向入射且电场方向与x轴平行的电磁波。
本发明的另一个目的是提供上述双极化低通带吸型率选择结构，作为低频段(VHF/UHF)天线的隐身天线罩上的应用。
带吸型宽带频率选择结构具有以下优点：
(1)这种新型双极化低通带吸型频率选择结构在高频段表现为一个吸波器，能较好地吸收入射电磁波；在低频段，对电磁波几乎透明，入射波和出射波均可低插损透过。这样的特性使其可以作为低频段(VHF，UHF)天线的天线罩时，既可降低RCS，又几乎不会降低天线的增益。
(2)这种新型双极化低通带吸型频率选择结构采用传统的二维平面的堆叠，实现了能够双极化工作的低频通带特性，通带的插入损耗极小，并且在高频处实现了较宽的吸波带。
(3)这种新型双极化低通带吸型频率选择结构制作简单，整个结构用普通的PCB工艺就可以实现，并且吸波面元器件只需要焊接电阻，制作简单，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的三维单元结构示意图；
图2是本发明的吸波面结构示意图；
图3是本发明的带阻反射面结构示意图；
图4是本发明的S参数仿真图；
图5是本发明的吸波率仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
本发明采用单环反射平面，结合单环电路模拟吸收器，搭建出双极化低通带吸型频率选择结构，能够实现低频通带内低插入损耗，并在临近高频处产生一个较宽的吸波带。
如图1所示，双极化低通带吸型频率选择结构为周期性结构，每个结构单元包括吸波面和带阻反射面；
如图2所示，吸波面包括厚度为0.508毫米的Rogers5880第一介质基片1，介质基片1左表面镀有第一金属环3，金属环3与介质基片1的中心重叠，金属环3的四边中心处共焊接有四个同样阻值的射频电阻2。
如图3所示，带阻反射面包括厚度为0.508毫米的Rogers5880第二介质基片4，介质基片4左表面镀有第二金属环5，金属环5与介质基片4的中心重叠。
如图1所示，吸波面和带阻反射面中心垂直对齐。
第一介质基片1和第二介质基片4均为方形。
第一金属环3和第二金属环5均为封闭环形结构,可以是方环结构。
具体结构几何参数如下：
其中p为单元结构在x轴方向的宽度周期和在y轴方向的长度周期(即Rogers5880第一介质基片1和第二介质基片4在x、y两轴方向的周期长度)，dl和wl分别为金属环的边长和宽度，lR和R分别为射频电阻的长度和阻值，ts为第一介质基片1和第二介质基片4的介质厚度，ha为吸波面和带阻反射面之间的空气间隙的距离。
Figure BDA0001551572690000041
图4和图5为该双极化低通带吸型频率选择结构的仿真结果。图4的仿真结果表明该结构通带呈现低通滤波特性，在小于1GHz的低频通带内插入损耗小于0.5dB，同时在高频处形成一个较宽的吸波带，频段范围为4-7GHz，相对带宽为54.5％。图5的仿真结果表明该低通带吸型频率选择结构在吸波带内的吸波效率接近100％，吸波效果极好。

Claims (8)

1.新型双极化低通带吸型频率选择结构，为周期性分布结构，吸波带频段范围为4-7GHz，相对带宽为54.5%，其特征在于每个结构单元垂直设置，包括带阻反射面和吸波面；吸波面与带阻反射面前后平行设置，且吸波面和带阻反射面之间留有一段空气间隙；
所述的吸波面包括第一介质基片、以及镀在第一介质基片其中一表面的第一金属环；所述的第一金属环为封闭环形结构，边长小于第一介质基片的两轴长度，金属环的四边中心处分别焊接有一个射频电阻；
所述的带阻反射面包括第二介质基片、以及镀在第二介质基片其中一表面的第二金属环；所述的第二金属环为封闭环形结构，边长小于第二介质基片两轴长度；
上述的第一、二金属环与第一、二介质基片的中心重叠；
吸波面和带阻反射面之间的空气间隙的距离ha = 9.4 mm；
第一、二金属环的尺寸完全相同，金属环的边长dl = 14.5 mm；
第一介质基片和第二介质基片的介质厚度ts= 0.508 mm；
所述的射频电阻阻值相同，阻值R = 370 ohm。
2.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于吸波面和带阻反射面之间的空气间隙距离小于带阻反射面反射频率对应的波长的四分之一。
3.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于所述的射频电阻阻值相同。
4.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于所述的第一、二介质基片的尺寸完全相同。
5.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于所述的第一、二金属环的尺寸完全相同。
6.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于第二金属环谐振产生带阻特性，该带阻频率是由第二金属环的尺寸决定的。
7.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于中间空气间隙的距离与第二金属环谐振频点设计有关。
8.如权利要求1所述的新型双极化低通带吸型频率选择结构，其特征在于带阻反射面上的第二金属环谐振反射对应频段的电磁波，产生传输零点。
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