CN108428976B - 抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构及天线罩 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料和天线罩技术领域，具体涉及一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构及天线罩。该结构包括一块非导电材料制成的介质基板和分别附着在所述介质基板上、下表面的周期性金属箔层；所述全极化柔性频率选择表面结构被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构；所述正方形单元结构包括介质基板单元、附着在介质基板单元上表面的第一金属微单元和附着在介质基板单元下表面的第二金属微单元。本发明天线罩，用于罩设在天线系统的辐射方向上，由全极化柔性频率选择表面结构组成。本发明能使天线在K波段从22.3GHz到25.3GHz的频带内保持良好的辐射特性，在通带外有很好的带外抑制性能。
Description
技术领域
本发明属于材料和天线罩技术领域，具体涉及一种在K波段(18GHz～26.5GHz)工作的抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构及天线罩领域。
背景技术
频率选择表面结构是一种具有频率选择特性的周期性结构。将其放在开放空间中并用不同频率电磁波对其进行照射。若入射电磁波的工作频率在频选表面结构的通带内时，该结构对于该电磁波来说是电磁透明的，入射电磁波可以顺利通过该结构。若在频选表面结构的阻带内，则入射电磁波被反射回来，不能通过该结构。这项具有空域滤波特性的频选表面结构已广泛应用于天线系统、雷达天线罩、无线安全屏蔽等领域。在天线系统领域中，频选表面结构可以和天线设计结合起来，形成高增益天线等。在雷达天线罩领域中，通常将频选表面结构加载到天线罩上，并借助天线罩的几何外形，使天线工作频带外的电磁信号被频选表面结构反射到远离来波的方向，以实现雷达隐身的功能，同时也可以在电子对抗中起到抗干扰的效果。在无线安全领域中，频选表面结构常用作特殊区域的隔离材料，使得特定频率的电磁波信号不会泄露到区域之外，且阻止其他信号进入到区域内，从而保证通信安全。
一些频选表面结构采用多层结构以达到带宽的要求。这种结构由于层数多，厚度大，重量重，难实现低剖面和易共形的目标。一些由多个同心圆环状缝隙构成单元结构的频选表面结构具有几个相邻的通带，容易让其他频带的电磁信号透过，难实现抗干扰和高隔离。还有一些由圆弧状缝隙构成单元结构的频选表面结构难以实现各种不同极化电磁波照射时传输性能稳定的全极化特性。因此，在应用上有其局限性。
发明内容
针对现有K波段频率选择表面天线罩难以实现抑制了寄生通带的单通带工作模式、全极化、厚度小以及重量轻等缺陷，提供一种抑制寄生通带的全极化超薄柔性频率选择表面结构及天线罩。因为该天线罩厚度薄，且是一种柔性周期结构，易于与被罩天线共形，形成低剖面、重量轻的天线罩-天线一体化结构。具体技术方案如下：
一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，包括一块非导电材料制成的介质基板和分别附着在所述介质基板上、下表面的周期性金属箔层；所述全极化柔性频率选择表面结构被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构10；所述正方形单元结构10包括介质基板单元11、附着在介质基板单元11上表面的第一金属微单元12和附着在介质基板单元下表面的第二金属微单元13；
所述第一金属微单元12为在金属箔上蚀刻出中心为圆孔15和十字缝隙14组合形状、第一圆环状缝隙16、第二圆环状缝隙17、第三圆环状缝隙18的结构；所述第二圆环状缝隙17、所述第三圆环状缝隙18分别由在各自圆环上不相连通的四段等长圆弧缝隙构成；
所述第一圆环状缝隙16的圆心、第二圆环状缝隙17的圆心、第三圆环状缝隙18的圆心、所述圆孔和十字缝隙组合形状的中心均与所述正方形单元结构10的上表面中心重合；
所述第二金属微单元13与所述第一金属微单元12的结构相同。
对上述结构的功能作简要说明，同心的第一圆环状缝隙16、第二圆环状缝隙17、第三圆环状缝隙18组合在一起形成了多个频率通带。将第二圆环状缝隙17和第三圆环状缝隙18进行不相连通的处理用以抑制低于所需通带的低端频率通带。第二圆环状缝隙17和第三圆环状缝隙18的不相连通区域均关于正方形单元结构10的中心对称，以实现当各种不同极化电磁波照射时传输性能稳定的全极化特性。圆孔15和十字缝隙14组合形状用以抑制高于所需通带的高端频率通带。同时，该组合形状有利于实现稳定的全极化特性。通过在介质基板单元11的上下两面附着相同的第一金属微单元结构12和第二金属微单元13来进一步拓宽所需频率通带的带宽。
进一步地，所述正方形单元结构10的边长大小为4毫米～5毫米。
进一步地，所述中心为圆孔和十字缝隙组合形状中的十字缝隙14的长度为2毫米～3毫米，宽度为0.1毫米～0.6毫米，圆孔15的半径为0.1毫米～0.6毫米。所述十字缝隙14的长度为穿过圆孔的“一”或“|”整体长度。
进一步地，所述第一圆环状缝隙16的内半径为1.4毫米～1.6毫米、第二圆环状缝隙17的内半径为1.8毫米～2毫米、第三圆环状缝隙18内半径为2.2毫米～2.4毫米，所有圆环状缝隙宽度均为0.15毫米～0.25毫米。
进一步地，所述第二圆环状缝隙17中不相连通的四段等长圆弧缝隙均匀分布在圆环上，且相邻圆弧缝隙之间的间距大小范围为0.5毫米～0.8毫米。
进一步地，所述第三圆环状缝隙18中不相连通的四段等长圆弧缝隙均匀分布在圆环上，且相邻圆弧缝隙之间的间距大小范围为0.5毫米～0.8毫米。
进一步地，所述介质基板的厚度为0.254毫米，所述金属箔层的厚度为0.035毫米。
本发明还提供了一种天线罩2，用于罩设在天线系统的辐射方向上，天线罩由上述抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构组成。
采用本发明具有以下有益效果：本发明中全极化超薄柔性频率选择表面结构能使天线在K波段从22.3GHz到25.3GHz的频带内保持良好的辐射特性，能自由收发通信；同时，在通带外有很好的带外抑制性能，使天线的RCS降低，实现天线的隐身目的。
附图说明
图1是本发明中的正方形单元结构的三维示意图，建立直角坐标系xyz表示空间关系；
图2是第一金属微单元12的结构示意图；
图3为在高频电磁全波仿真软件HFSS中，当TE波和TM波分别正入射第一金属微单元的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数T/R coefficients的仿真结果；TE波(即s波)：在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波，TM波(即p波)：在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波；
图4是实施例中经加得到的由抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构组成的天线罩局部图；
图5是对本发明中天线罩进行测试的实验平台设置图；
图6是当频率从5.8GHz到30GHz的TE波正入射时，实测得到该频率选择表面结构组成的天线罩的传输系数；
图7是当TE波以不同角度照射本发明天线罩时，测得的传输系数；其中入射角θ分别为0°、15°、30°、45°和60°；图7(a)为极化角各入射角情况下的传输系数；图7(b)为极化角各入射角情况下的传输系数；图7(c)为极化角各入射角情况下的传输系数；图7(d)为极化角各入射角情况下的传输系数；
图8是当TM波以不同角度照射本发明天线罩时，测得的传输系数；其中入射角θ分别为0°、15°、30°、45°和60°；图8(a)为极化角各入射角情况下的传输系数；图8(b)为极化角各入射角情况下的传输系数；图8(c)为极化角各入射角情况下的传输系数；图8(d)为极化角各入射角情况下的传输系数；
图9是当标准喇叭发射天线31和接收天线32的相对位置保持固定不动，本发明天线罩和标准喇叭接收天线32的口径面之间的距离d不同时，测得的传输系数。其中，当d＝0mm时，表示天线罩紧贴喇叭天线32口径面上。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种K波段抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，如图1所示为抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构中正方形单元结构，所述正方形单元结构10包括介质基板单元11、附着在介质基板单元11上表面的第一金属微单元12和附着在介质基板单元下表面的第二金属微单元13；
第一金属微单元12和第二金属微单元13的几何结构一致。这两层周期性金属微单元均通过蚀刻工艺在金属箔层上得以实现。
图2是第一金属微单元12为在金属箔上蚀刻出中心为圆孔15和十字缝隙14组合形状、第一圆环状缝隙16、第二圆环状缝隙17、第三圆环状缝隙18的结构；所述第二圆环状缝隙17、所述第三圆环状缝隙18分别由在各自圆环上不相连通的四段等长圆弧缝隙构成；
所述第一圆环状缝隙16的圆心、第二圆环状缝隙17的圆心、第三圆环状缝隙18的圆心、所述圆孔和十字缝隙组合形状的中心均与所述正方形单元结构10的上表面中心重合；
第一圆环状缝隙16、第二圆环状缝隙17、第三圆环状缝隙18的内半径大小依次增大。所述第一圆环状缝隙16的内半径为1.4毫米～1.6毫米、第二圆环状缝隙17的内半径为1.8毫米～2毫米、第三圆环状缝隙18内半径为2.2毫米～2.4毫米，所有圆环状缝隙宽度均为0.15毫米～0.25毫米。
所述第二圆环状缝隙17中不相连通的四段圆弧缝隙均匀分布在圆环上，且相邻圆弧缝隙之间的间距大小范围为0.5毫米～0.8毫米。
所述第三圆环状缝隙18中不相连通的四段圆弧缝隙均匀分布在圆环上，且相邻圆弧缝隙之间的间距大小范围为0.5毫米～0.8毫米。
实施例中制作介质基板的非导电材料采用的是Rogers公司的RO4350，相对介电常数为3.66，介电损耗为0.004。金属箔层可以选择金属箔中的金箔或银箔或铜箔任一种材料。
在高频电磁全波仿真软件HFSS中，用TE波和TM波分别正入射正方形单元结构10的电磁模型时，得到其随频率变化的传输/反射系数(T/R coefficients)的仿真结果，如图3所示。从图中可以看到，在30GHz以下和在任意极化波的正入射情况下，该结构均只有一个通带。当TE波入射时，其通带中心频率为22.5GHz。当TM波入射时，其通带中心频率为23.5GHz。3dB带宽均为1GHz。
图4是实施例中经加得到的由抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构组成的天线罩。该天线罩由1600个正方形单元结构10组成，其尺寸大小为200×200×0.254mm3。该天线罩的介质基板采用Rogers公司的板材，介电常数为3.66，介电损耗为0.004，厚度为0.254毫米。
图5是对天线罩进行测试的实验平台设置图。该实验过程在微波暗室中完成，设置五对标准喇叭天线作为发射天线31和接收天线32与矢量网络分析仪相连接。五对标准喇叭天线分别为C波段(4GHz～8GHz)、X波段(8GHz～12GHz)、Ku波段(12GHz～18GHz)、K波段(18GHz～26.5GHz)以及Ka波段(26.5GHz～40GHz)的标准喇叭天线。图5中的标准喇叭天线31和32为K波段的。将本发明中的全极化柔性频率选择表面结构组成的天线罩置于两天线31、32之间，其中天线罩2与天线32之间的间距d可调。同时，在图5中给出了以供参考的直角坐标系xyz以及入射角θ和极化角其中，入射角θ为从发射天线31发出的电磁来波与z轴之间的夹角；极化角为电磁来波在xoy平面上的投影与x之间的夹角。发射天线31和接收天线32相距8米，满足远场测试条件；且都将最大辐射方向对准对方；它们的口径面都平行于xoy平面。地面与xoz平面平行。TE波的电场沿y轴方向，且与地面垂直。TM波的电场沿x轴方向，且与地面平行。
图6是当频率从5.8GHz到30GHz的TE波正入射(θ＝0°,)时，实测得到该频率选择表面结构天线罩2的传输系数。从实测数据可以看到在30GHz以下的宽频带内，该天线罩的通带仅有一个，为从22.3GHz到25.3GHz，带内透波率大于95％。因此有效地抑制了宽频带的寄生通带。
当标准喇叭天线的工作频率小于5.8GHz时，因口径面较大，该频率选择表面天线罩2难以覆盖整个喇叭天线的口径面。因此测试频带低端是从5.8GHz开始的。由于在本专利中只研究该天线罩在30GHz以下频带的性能，因此测试频带高端到30GHz截止。
图7(a)至图7(d)是当TE波以不同角度照射该频率选择表面天线罩时，测得的传输系数。图7(a)为极化角各入射角情况下的传输系数；图7(b)为极化角各入射角情况下的传输系数；图7(c)为极化角各入射角情况下的传输系数；图7(d)为极化角各入射角情况下的传输系数。每幅图中的入射角θ均为从0°到60°,步进为15°。以z轴为对称中心，该频率选择表面天线罩2关于极化角和对称，因此在实验中极化角分别为0°、15°、30°和45°。从45°到90°的测试结果与从0°到45°的结果一致。
当极化角和时，随着入射角θ增大，传输性能的一致性保持得较好。当和时，当入射角θ＞45°时，传输系数减小。因此，在极化角的范围内，当入射角θ＜45°时，该天线罩有较好的透波特性。
图8(a)至图8(d)是当TM波以不同角度照射该频率选择表面天线罩2时，测得的传输系数。每一个图中的入射角θ均为从0°到60°,步进为15°。图8(a)为极化角各入射角情况下的传输系数；图8(b)为极化角各入射角情况下的传输系数；图8(c)为极化角各入射角情况下的传输系数；图8(d)为极化角各入射角情况下的传输系数。
各个角度入射波照射该频选表面结构天线罩2的情况下，与图7相比，图8中的传输系数保持了更好的一致性。具体原因如下：支撑天线及天线罩的转台为垂直架设的金属结构，对垂直于地面的TE波影响较大，对平行于地面的TM波影响较小。因此当TM波照射该天线罩时能得到更好更一致的传输系数。
图9为TE波正入射频率选择表面天线罩2-接收天线32一体化结构时，天线罩2和接收喇叭天线32的口径面之间间距d不同的条件下，测得的传输系数。天线罩2与接收喇叭天线32口径面平行。其中，“d＝0mm”表示天线罩2直接和接收喇叭天线32的口径面贴合在一起。从图9可以看出，当间距d改变时，传输系数变化不大，因此传输系数不是间距d的敏感函数。为了减小天线罩2-接收天线32一体化结构的尺寸，形成低剖面的一体化结构，完全可将天线罩2直接贴在任意喇叭天线的口径面上。
在1GHz到30GHz频带内，该频率选择表面结构从22.3GHz到25.3GHz为高透波率通带，带内透波率大于95％；在通带外，没有寄生通带。当任意极化的线极化电磁波照射到该频率选择表面结构上时，其电磁特性基本保持不变，实现了全极化特性。
应当指出，本发明并不局限于以上特定实施例，本领域技术人员在权利要求的保护范围内做出任何变形或改进，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：包括一块非导电材料制成的介质基板和分别附着在所述介质基板上、下表面的周期性金属箔层；所述全极化柔性频率选择表面结构被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构(10)；所述正方形单元结构(10)包括介质基板单元(11)、附着在介质基板单元(11)上表面的第一金属微单元(12)和附着在介质基板单元下表面的第二金属微单元(13)；
所述第一金属微单元(12)为在金属箔上蚀刻出中心为圆孔15和十字缝隙(14)组合形状、第一圆环状缝隙(16)、第二圆环状缝隙(17)、第三圆环状缝隙(18)的结构；所述第二圆环状缝隙(17)和所述第三圆环状缝隙(18)分别由在各自圆环上不相连通的四段等长圆弧缝隙构成；
所述第一圆环状缝隙(16)的圆心、第二圆环状缝隙(17)的圆心、第三圆环状缝隙(18)的圆心、所述圆孔和十字缝隙组合形状的中心均与所述正方形单元结构(10)的上表面中心重合；第一圆环状缝隙(16)、第二圆环状缝隙(17)、第三圆环状缝隙(18)的内半径大小依次增大；
所述第二金属微单元(13)与所述第一金属微单元(12)的结构相同。
2.如权利要求1所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：所述正方形单元结构(10)的边长大小为4毫米～5毫米。
3.如权利要求1所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：所述中心为圆孔和十字缝隙组合形状中的十字缝隙(14)的长度为2毫米～3毫米，宽度为0.1毫米～0.6毫米，圆孔(15)的半径为0.1毫米～0.6毫米，所述十字缝隙(14)的长度为穿过圆孔的“一”或“|”整体长度。
4.如权利要求1所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：所述第一圆环状缝隙(16)的内半径为1.4毫米～1.6毫米、第二圆环状缝隙(17)的内半径为1.8毫米～2毫米、第三圆环状缝隙(18)内半径为2.2毫米～2.4毫米，所有圆环状缝隙宽度均为0.15毫米～0.25毫米。
5.如权利要求1所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：所述第二圆环状缝隙(17)中不相连通的四段等长圆弧缝隙均匀分布在圆环上，且相邻圆弧缝隙之间的间距大小范围为0.5毫米～0.8毫米。
6.如权利要求1所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：所述第三圆环状缝隙(18)中不相连通的四段等长圆弧缝隙均匀分布在圆环上，且相邻圆弧缝隙之间的间距大小范围为0.5毫米～0.8毫米。
7.如权利要求1所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构，其特征在于：所述介质基板的厚度为0.254毫米，所述金属箔层的厚度为0.035毫米。
8.一种天线罩，用于罩设在天线系统的辐射方向上，其特征在于：由所述天线罩由权利要求1至7任一项中所述的一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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