CN109216930A - 超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,包括泡沫材料层组、六边形贴片阵列层、六边形环阵列层、介质板层,泡沫材料层组由第一泡沫材料层与第二泡沫材料层组成,第一泡沫材料层与第二泡沫材料层之间依次交替设置有多层六边形贴片阵列层与六边形环阵列层,每层六边形贴片阵列层与每层六边形环阵列层之间均设有介质板层,本发明还公开了该频率选择表面结构设计方法的制作步骤,能够实现在超宽带范围内对于空间电磁波不同极化、宽入射角范围的高透波效果,达到宽阻带和通带到阻带之间的陡截止效果,在宽入射角域0~60度内实现通带相对带宽超过65%的高透波性能,广泛应用于雷达、卫星通信和飞行器等平台的天线罩中。
Description
技术领域
本发明涉及空间滤波技术领域,具体涉及超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构设计方法。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surfaces,简称FSS),是由谐振单元周期性排列构成的二维周期结构。这种结构对电磁波的透射或者反射有着很好的频率选择性,对于在其谐振频率附近的电磁波有着全反射(带阻型FSS)或者全透射(带通型FSS)的特性,因而已经被广泛的应用于空间滤波器、雷达天线罩、天线反射器和吸波材料等领域。
现代通信、雷达、飞行器或电子对抗系统中,对于频率选择表面天线罩的性能有着更严格的要求,通常要求频率选择表面天线罩在较宽的通带范围内有低插入损耗、宽扫描角域和角度稳定性等特性,而对于通带以外的电磁波进行尽可能的反射,减小干扰频率的影响。目前已有的研究主要集中在宽扫描角域的窄频高透波率频率选择表面结构方面,难以同时实现超宽通带和宽入射角的要求。那么如何设计有良好的宽带传输特性兼具优良的超宽通带、宽入射角和高透波性能的频率选择表面结构是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,能够实现超宽通带、宽入射角域和高透波的要求,能够在入射角域0~60度内实现通带相对带宽超过65%,插入损耗小于1dB,对扫描极化方向稳定的传输性能,同时在通带外具有宽阻带和从通带到阻带的陡截止特性,阻带频率范围内传输抑制大于20dB,用以解决现有技术导致的缺陷。
本发明还提供了超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构的设计方法。
为解决上述技术问题本发明提供以下的技术方案:超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,包括泡沫材料层组、六边形贴片阵列层、六边形环阵列层以及介质板层,所述泡沫材料层组由第一泡沫材料层与第二泡沫材料层组成,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层之间依次交替设置有多层所述六边形贴片阵列层与所述六边形环阵列层,每层所述六边形贴片阵列层与每层所述六边形环阵列层之间均设有所述介质板层。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层之间共设有三层所述六边形贴片阵列层、两层所述六边形环阵列层以及四层所述介质板层。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,所述六边形贴片阵列层由复数个六边形贴片单元组成,所述六边形环阵列层由复数个六边形环单元组成。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,所述六边形贴片单元按照三角栅格周期排列构成所述六边形贴片阵列层,所述六边形环单元按照三角栅格周期排列构成所述六边形环阵列层。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构的制作包括以下步骤:
步骤1:根据频率选择表面结构的工作频率,确定所述工作频率范围内的中心频率;
步骤2:根据所述中心频率制作第一泡沫材料层、第二泡沫材料层、六边形贴片阵列层、六边形环阵列层以及介质板层;
步骤3:将所述第一泡沫材料层、所述第二泡沫材料层、所述六边形贴片阵列层、所述六边形环阵列层以及所述介质板层制作成所述频率选择表面结构。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,组成所述六边形贴片阵列层的所述六边形贴片单元的排列周期长度设置于所述中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,所述六边形贴片单元的边长长度设置于所述中心频率对应波长的1/30到1/10之间,包含1/30和1/10;组成所述六边形环阵列层的所述六边形环单元的排列周期长度设置于所述中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,所述六边形环单元的线宽宽度小于所述中心频率对应波长的1/100。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层的厚度均设置于所述中心频率对应波长的1/10到1/5之间,包含1/10和1/5;所述介质板层的厚度设置于所述中心频率对应波长的1/40到1/15之间,包含1/40和1/15。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层的介电常数在1.01到2之间,包含1.01和2;所述介质板层的介电常数在2.5到5之间,包含2.5和5。
上述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,所述六边形贴片阵列层为金属材料制成,所述六边形环阵列层为金属材料制成。
依据上述本发明超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构提供的技术方案效果是:实现了超宽通带、宽入射角域和高透波的要求,能够在入射角域0~60度内实现通带相对带宽超过65%,插入损耗小于1dB,对扫描极化方向稳定的传输性能,同时在通带外具有宽阻带和从通带到阻带的陡截止特性,阻带频率范围内传输抑制大于20dB。
附图说明
图1为本发明超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构的纵向剖面示意图;
图2为本发明超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构中六边形贴片阵列层与介质板层的部分结构示意图;
图3为本发明超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构中六边形环阵列层与介质板层的部分结构示意图;
图4为本发明超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构实施例中入射电磁波在0~60度角域内的TE极化波传输系数图;
图5为本发明超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构实施例中入射电磁波在0~60度角域内的TM极化波传输系数图。
其中,附图标记如下:六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102、介质板层103、第一泡沫材料层104、第二泡沫材料层105、六边形贴片单元201、六边形环单元301。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解,下结合具体图示,进一步阐述本发明。
本发明的一较佳实施例是提供超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,目的是实现了超宽通带、宽入射角域和高透波的要求,能够在入射角域0~60度内实现通带相对带宽超过65%,插入损耗小于1dB,对扫描极化方向稳定的传输性能,同时在通带外具有宽阻带和从通带到阻带的陡截止特性,阻带频率范围内传输抑制大于20dB。
如图1所示,超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其中,包括泡沫材料层组、六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102以及介质板层103,泡沫材料层组由第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105组成,第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105之间依次交替设置有多层六边形贴片阵列层101与六边形环阵列层102,每层六边形贴片阵列层101与每层六边形环阵列层102之间均设有介质板层103。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105之间共设有三层六边形贴片阵列层101、两层六边形环阵列层102以及四层介质板层103。
如图2-3所示,本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的六边形贴片阵列层101由复数个六边形贴片单元201组成,六边形环阵列层102由复数个六边形环单元301组成。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的六边形贴片单元201按照三角栅格周期排列构成六边形贴片阵列层101,六边形环单元301按照三角栅格周期排列构成六边形环阵列层102。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构的制作方法包括以下步骤:
步骤1:根据频率选择表面结构的工作频率,确定工作频率范围内的中心频率;
步骤2:根据中心频率制作第一泡沫材料层104、第二泡沫材料层105、六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102以及介质板层103;
步骤3:将第一泡沫材料层104、第二泡沫材料层105、六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102以及介质板层103制作成频率选择表面结构。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的组成六边形贴片阵列层101的六边形贴片单元201的排列周期长度设置于中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,六边形贴片单元201的边长长度设置于中心频率对应波长的1/30到1/10之间,包含1/30和1/10;组成六边形环阵列层102的六边形环单元301的排列周期长度设置于中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,六边形环单元301的线宽宽度小于中心频率对应波长的1/100。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105的厚度均设置于中心频率对应波长的1/10到1/5之间,包含1/10和1/5;介质板层103的厚度设置于中心频率对应波长的1/40到1/15之间,包含1/40和1/15。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105的介电常数在1.01到2之间,包含1.01和2;介质板层103的介电常数在2.5到5之间,包含2.5和5。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构采用的六边形贴片阵列层101为金属材料制成,六边形环阵列层102为金属材料制成。
本实施例提供的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构在具体的制作时,首先需要确定工作频率,通过确定的工作频率确定中心频率,其次根据中心频率制作第一泡沫材料层104、第二泡沫材料层105、六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102以及介质板层103;最后将第一泡沫材料层104、第二泡沫材料层105、六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102以及介质板层103制作成频率选择表面结构。
在具体的操作时,假设工作频率的范围为3.7-7.7GHz,工作频率范围内的中心频率为5.7GHz,根据第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105的厚度均设置于中心频率对应波长的1/10到1/5之间,包含1/10和1/5,第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105的介电常数在1.01到2之间,包含1.01和2,选取第一泡沫材料层104与第二泡沫材料层105的厚度均为12.6毫米,介电常数均为1.4;
根据六边形贴片阵列层101的六边形贴片单元201的排列周期长度设置于中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,六边形贴片单元201的边长长度设置于中心频率对应波长的1/30到1/10之间,包含1/30和1/10,选取六边形贴片单元201的排列周期长度为14毫米、边长长度为4.4毫米;
根据六边形环阵列层102的六边形环单元301的排列周期长度设置于中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,六边形环单元301的线宽小于中心频率对应波长的1/100,选取六边形环单元301的排列周期长度为14毫米、线宽为4.4毫米;
根据介质板层103的厚度设置于中心频率对应波长的1/40到1/15之间,包含1/40和1/15,介质板层103的介电常数在2.5到5之间,包含2.5和5,选取介质板层103的介电常数为3.4,介质板层103设有四层,外侧两层的介质板层103的厚度为2.6毫米,中间两层的介质板层103的厚度为2.8毫米;
将制作好的第一泡沫材料层104、第二泡沫材料层105、六边形贴片阵列层101、六边形环阵列层102以及介质板层103制作成频率选择表面结构。
制作好的频率选择表面结构通过电磁全波仿真软件计算得到的结果如图4和图5所示:通带工作频率范围3.7~7.7GHz,中心频率为5.7GHz,可工作入射角域为0~60度。依据图4和图5所示,在3.7~7.7GHz的通带范围内,对于0~60度角域入射的电磁波,频率选择表面结构TE、TM波插损均小于1dB,相对频率带宽为70%,其中图4为TE极化波传输系数,图5为TM极化波传输系数。
由上述结果可知,本发明是一种能够在宽入射角域内提供良好的超宽通带滤波性能的频率选择表面结构,能够广泛应用于现代通信、雷达、飞行器或电子对抗系统中。
综上,本发明的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,能够实现了超宽通带、宽入射角域和高透波的要求,能够在入射角域0~60度内实现通带相对带宽超过65%,插入损耗小于1dB,对扫描极化方向稳定的传输性能,同时在通带外具有宽阻带和从通带到阻带的陡截止特性,阻带频率范围内传输抑制大于20dB。
以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,发明并不局限于上述特定实施方式,其中未尽详细描述的制作方法和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换,这并不影响发明的实质内容。
Claims (9)
1.超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,包括泡沫材料层组、六边形贴片阵列层、六边形环阵列层以及介质板层,所述泡沫材料层组由第一泡沫材料层与第二泡沫材料层组成,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层之间依次交替设置有多层所述六边形贴片阵列层与所述六边形环阵列层,每层所述六边形贴片阵列层与每层所述六边形环阵列层之间均设有所述介质板层。
2.如权利要求1所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层之间共设有三层所述六边形贴片阵列层、两层所述六边形环阵列层以及四层所述介质板层。
3.如权利要求2所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,所述六边形贴片阵列层由复数个六边形贴片单元组成,所述六边形环阵列层由复数个六边形环单元组成。
4.如权利要求3所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,所述六边形贴片单元按照三角栅格周期排列构成所述六边形贴片阵列层,所述六边形环单元按照三角栅格周期排列构成所述六边形环阵列层。
5.如权利要求1或3所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构的制作包括以下步骤:
步骤1:根据频率选择表面结构的工作频率,确定所述工作频率范围内的中心频率;
步骤2:根据所述中心频率制作第一泡沫材料层、第二泡沫材料层、六边形贴片阵列层、六边形环阵列层以及介质板层;
步骤3:将所述第一泡沫材料层、所述第二泡沫材料层、所述六边形贴片阵列层、所述六边形环阵列层以及所述介质板层制作成所述频率选择表面结构。
6.如权利要求4或5所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,组成所述六边形贴片阵列层的所述六边形贴片单元的排列周期长度设置于所述中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,所述六边形贴片单元的边长长度设置于所述中心频率对应波长的1/30到1/10之间,包含1/30和1/10;组成所述六边形环阵列层的所述六边形环单元的排列周期长度设置于所述中心频率对应波长的1/8到1/3之间,包含1/8和1/3,所述六边形环单元的线宽宽度小于所述中心频率对应波长的1/100。
7.如权利要求2或5所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层的厚度均设置于所述中心频率对应波长的1/10到1/5之间,包含1/10和1/5;所述的介质板层的厚度设置于所述中心频率对应波长的1/40到1/15之间,包含1/40和1/15。
8.如权利要求7所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,所述第一泡沫材料层与所述第二泡沫材料层的介电常数在1.01到2之间,包含1.01和2;所述介质板层的介电常数在2.5到5之间,包含2.5和5。
9.如权利要求6所述的超宽通带、宽入射角的高透波频率选择表面结构,其特征在于,所述六边形贴片阵列层为金属材料制成,所述六边形环阵列层为金属材料制成。
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