CN108736167B - 新型三维宽阻带低通频率选择结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型三维宽阻带低通频率选择结构。传统的频率选择结构都设计为带通型频率选择结构，此类结构通带带宽有限，并且很难覆盖低频频段，即使能够做到低频带通，所需要设计出的实物尺寸也非常庞大，不便于使用。本发明采用两层平行板波导堆叠的方式，并将两层平行板波导中间部分设计为阻抗不连续平行板波导，设计出具有低通特性的频率选择结构，并且在其相邻高频处具有非常宽的带阻频段。

Description

新型三维宽阻带低通频率选择结构
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种新型三维宽阻带低通频率选择结构，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，采用频率选择表面/结构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。
频率选择表面本质上是一种空间滤波器，能对特定频带、极化方式以及入射角度的电磁波进行筛选，将需要的电磁波进行透射，不需要的电磁波反射。因此，采用频率选择表面研制的天线罩能够将探测波进行反射，使其偏离入射路径，从而达到减小天线RCS的目的。
目前已经报到的许多频率选择表面主要分为带通型频率选择结构和带阻型频率选择结构。其中带阻型频率选择结构也已经有了许多设计方案，但是以往设计出的带阻型频率选择结构往往阻带非常窄，或者低频部分通带的插入损耗比较大，无法达到使用要求。因此，迫切需要一种低频低插损且高频段(雷达探测频段)处宽阻带的频率选择结构的天线罩。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型三维宽阻带低通频率选择结构，采用两层阻抗不连续的平行板波导堆叠的方式，设计出三维宽阻带低通频率选择结构，能够在低频处形成低通特性，并且能够在相邻高频处得到一个非常宽的带阻频段。这种结构厚度薄，结构简单，易于设计，成本低，并且相较于传统的二维结构，频率响应稳定性更加高。
本发明的三维宽阻带低通带频率选择结构为周期性分布结构；每个结构单元沿x、y轴无缝排布，由上下两层阻抗不连续的平行板波导堆叠而成。
所述的上层平行板波导只由顶部的第一金属面和中间部分的第二金属面形成，两金属面间留有第一空气腔，无任何其他介质填充。第一空气腔两端的厚度大于中间段，且两端的厚度相同。
所述的下层平行板波导由第二金属面和第三金属面形成，两金属面间两端填充有介质层，中间部分为第二空气腔。两端介质层厚度小于第二空气腔，且两端介质层厚度相同。
所述的第二金属面为两层阻抗不连续平行板波导的共用金属面。
第一空气腔中间段与第二空气腔在z轴方向上的长度相等。
本发明还可通过改变在x轴方向的宽度周期和在y轴方向的长度周期px和py,单元结构在z轴方向上的长度l,第一空气腔中间段的高度ha,第一空气腔两端部分的高度ha+hm,第二空气腔的高度hm+hs,介质层的高度hs,介质层在z轴方向上的长度ls,第二空气腔在z轴方向上的长度la等结构参数对低频透波性能和高频反射性能进行综合调控。
具体工作原理：由于上层阻抗不连续平行板波导的第一空气腔中间部分阻抗小，第一空气腔两端部分的阻抗大，会形成低通特性，并且低频通带的截止频点会往高频处偏移。而下层平行板波导结构由于两端填充的介质层以及中间突起的第二空气腔部分，使得两端平行板波导的阻抗与中间平行板波导的阻抗相差很大，从而形成非常宽的带阻特性，同时其低频的反射也非常大。当电磁波射入结构表面，低频少部分电磁波能量通过下层结构透过，部分电磁波能量则通过上层结构通过，从而得到了一个比较理想的低通特性。而在相邻高频频段内，由于两层平行板波导共有的宽带带阻特性，从而得到极宽的阻带特性。
三维宽阻带低通频率选择结构具有以下优点：
(1)这种新型三维宽阻带低通频率选择结构在低频处能够较好的透过电磁波，而在高频极宽的一个频段内都能够等效成金属反射面，能够让不需要的电磁波反射到其他方向从而实现隐身特性。
(2)这种新型三维宽阻带低通频率选择结构采用三维结构，在设计工艺能够实现的情况下，能够将x-y平面周期排布的单元尺寸缩减到很小，从而实现非常稳定的频率响应特性。
附图说明
图1是本发明的三维单元结构示意图；
图2是本发明的三维结构侧视图及其标注；
图3是本发明的S参数仿真图。
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。
本发明采用双层阻抗不连续平行板波导堆叠的方式，搭建出三维宽阻带低通频率选择结构，能够实现低通特性，并且在临近高频处产生一个极宽的阻带。
如图1、2所示，三维宽阻带低通频率选择结构为周期性结构，每个结构单元包括上层阻抗不连续平行板波导和下层阻抗不连续平行板波导。
所述的上层阻抗不连续平行板波导包括第一金属面1和第二金属面2。
所述的下层阻抗不连续平行板波导包括第二金属面2和第三金属面4，以及填充在两层金属面两端的介质层3。
所述的第二金属面为两层阻抗不连续平行板波导的共用金属面，且中间部分凸起。
具体结构几何参数如下：
其中px和py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，l为单元结构的在z轴方向上的长度，ha为第一金属面1和第二金属面2的中间凸起部分金属面之间的高度，hm为第二金属面2中间部分的凸起高度，hs为第二金属面和第三金属面之间介质板的高度。ls为介质板在z轴方向上的长度，la为中间凸起部分在z轴方向上的长度。
Figure BDA0001615081390000031
图3为该新型三维宽阻带低通频率选择结构的仿真结果。该仿真结果表明该结构通带呈现低通滤波特性，低频处的最大插入损耗为1.3dB。在相邻高频频段出产生了3.2–16.8GHz的宽带阻带，相对带宽达到136％，并且阻带非常平坦，具有非常优越的带阻特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.三维宽阻带低通频率选择结构，包括若干周期性分布的单元结构，沿x、y轴无缝排布，其特征在于每个单元结构由上下两层阻抗不连续的平行板波导堆叠而成；
上层平行板波导由顶部的第一金属面和第二金属面形成，两金属面间留有第一空气腔；其中第一空气腔两端的厚度大于中间段，且两端的厚度相同；
下层平行板波导由第二金属面和第三金属面形成，两金属面间两端填充有介质层，中间部分为第二空气腔；其中两端介质层厚度小于第二空气腔，且两端介质层厚度相同；
所述的第二金属面为两层阻抗不连续平行板波导的共用金属面。
2.根据权利要求1所述的三维宽阻带低通频率选择结构，其特征在于两层平行板波导中间部分凸起，形成阻抗不连续特性。
3.根据权利要求1所述的三维宽阻带低通频率选择结构，其特征在于所述的下层平行板波导两端填充的介质层材质相同。
4.根据权利要求1所述的三维宽阻带低通频率选择结构，其特征在于x轴方向的宽度周期px，y轴方向的长度周期py,单元结构在z轴方向上的长度l, 第一空气腔中间段的高度ha, 第一空气腔两端部分的高度 ha+hm, 第二空气腔的高度hm+hs,介质层的高度hs,介质层在z轴方向上的长度ls, 第二空气腔在z轴方向上的长度la结构参数可调，对低频透波性能和高频反射性能进行综合调控。
5.根据权利要求1所述的三维宽阻带低通频率选择结构，其特征在于上层平行板波导的第一空气腔中间段阻抗小，第一空气腔两端部分的阻抗大，从而形成低通特性，并且低频通带的截止频点会往高频处偏移；而下层平行板波导结构由于两端填充的介质层以及中间凸起的第二空气腔部分，使得两端平行板波导的阻抗与中间平行板波导的阻抗相差很大，从而形成非常宽的带阻特性，同时其低频的反射也非常大；
当电磁波射入结构表面，低频少部分电磁波能量通过下层平行板波导结构透过，部分电磁波能量则通过上层平行板波导结构通过，从而构成低通特性；而在相邻高频频段内，由于两层平行板波导共有的宽带带阻特性，从而得到极宽的阻带特性。
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