CN109904619B - 平面等角螺旋线型宽带频率选择表面 - Google Patents

平面等角螺旋线型宽带频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面等角螺旋线型宽带频率选择表面(FSS)，该选择表面采用平面等角螺旋线族构成周期结构单元，周期结构单元为矩形(或正方形)，矩形的长、宽(或正方形的边长)在
Figure DDA0001957479570000011
(λ为中心频率对应的波长)之间，在矩形(或正方形)内由同平面等角螺旋线族构成m(2，4，6…)臂平面等角螺旋结构，相邻两个臂之间的夹角为
Figure DDA0001957479570000012
周期结构单元在水平和垂直方向整齐排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸形成频率选择表面。本发明包含单层或多层结构，可应用于移动通信基站、雷达、电子导航等设备的天线罩中以达到抗干扰和减小雷达散射截面(RCS)的目的。

Description

平面等角螺旋线型宽带频率选择表面
技术领域
本发明涉及天线和微波技术领域，尤其涉及平面等角螺旋线型宽带频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(FSS)由二维周期排列的金属贴片单元或在导电金属屏上二维周期排列的开孔单元构成，是一种具有频率选择特性的二维周期结构。在安装有雷达传感器的各类飞行器(飞机、导弹与卫星等)上，都希望雷达天线罩在工作频段内实现低损耗传输，而在工作频段外像金属罩一样，与飞行器外形相赋形，从而达到低雷达散射截面(RCS)的目的，构成各类隐身飞行器。这种特殊的天线罩就是利用“频率选择表面”理论设计与研制的。频率选择表面是一种空间滤波器，它可作为雷达天线的帯通天线罩，也可作为无线通信双频天线的双工器，又可作为特定通带的透波和阻带的带阻结构件等。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足之处，提供一种平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，该选择表面在L波段(1-2GHz)、S波段(2-4GHz)以及部分C波段(4-8GHz)具有低插入损耗、宽频带的帯通特性，在X波段(8-12GHz)中形成阻带。
技术方案：本发明平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，该频率选择表面由水平和垂直方向整齐排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸的周期单元构成，其中的周期单元为矩形(或正方形)，矩形的长或宽(或正方形的边长)P为
Figure BDA0001957479550000011
(λ为阻带中心频率对应的波长)；矩形(或正方形)内由同平面等角螺旋线族构成m个平面等角螺旋臂(m＝2，4，6…)，相邻两个臂之间的夹角为
Figure BDA0001957479550000012
其中每一个“平面等角螺旋单元”的金属层由多条平面等角螺旋臂所组成。
每个平面等角螺旋臂由两条起始角相差
Figure BDA0001957479550000013
的平面等角螺旋线(内、外边缘)构建。
每条平面等角螺旋臂的内、外边缘的等角螺旋线满足如下极坐标方程关系式：
内：
Figure BDA0001957479550000014
外：
Figure BDA0001957479550000021
其中：r1、r2为螺旋线上极角
Figure BDA0001957479550000022
处所对应的极径；
r0为螺旋初始径向距离，取值范围为0<r0<P；
a为螺距增长快慢的常数，称为松紧率；
δ的取值范围为
Figure BDA0001957479550000023
Figure BDA0001957479550000024
为每条臂的起始极角，须满足
Figure BDA0001957479550000025
形成的平面等角螺旋臂极角
Figure BDA0001957479550000026
的取值范围为
Figure BDA0001957479550000027
单层频率选择表面：单层频率选择表面结构包含4种媒质，从上到下依次是：外蒙皮层、覆铜层、基板层、介质支撑层；其中：
外蒙皮层为常用的外罩保护材料；
覆铜层附着于基板层表面，为“平面等角螺旋”频率选择表面的周期结构单元印刷层；
基板层附着于介质层表面，为常规薄层介质材料层，有易于共形的特点；
介质支撑层为移动通信中采用的天线罩材料。
多层频率选择表面，该种频率选择表面可看作多个单层FSS结构的级联，从上到下依次是：外蒙皮层、覆铜层、基板层、介质支撑层、……、覆铜层、基板层、外蒙皮层，省略号为覆铜层、基板层、介质支撑层的重复，并且覆铜层在基板层的上、下均可；其中：
外蒙皮层为常用的外罩保护材料；
覆铜层附着于基板层表面，为“平面等角螺旋”频率选择表面的周期结构单元印刷层；
基板层附着于介质层表面，为常规薄层介质材料层，有易于共形的特点；
介质支撑层为移动通信常用的天线罩材料。
工作原理：本发明平面等角螺旋线型宽带频率选择表面(FSS)，该FSS结构采用平面等角螺旋线族构成周期结构单元，且形成的周期结构单元为分布在单层或多层介质基片上的金属覆铜层，各层之间含有不同厚度的介质支撑材料。该FSS是具有低插入损耗、宽频带、空间和频率滤波特性的帯通或带阻滤波器。
有益效果：本发明采用具有二层结构的频率选择表面，该种频率选择表面可做到在L波段(1-2GHz)、S波段(2-4GHz)和部分C波段(4-6GHz)内具有低插入损耗的带通特性以及在部分X波段(8-12GHz)具有明显抑制效果的带阻特性。且该平面等角螺旋线型宽带频率选择表面是具有低插入损耗、宽频带、空间和频率滤波特性的带通或带阻滤波器，可应用于移动通信基站、雷达、电子导航等设备的天线罩中以达到抗干扰和减小雷达散射截面(RCS)的目的。
附图说明
图1为本发明四臂平面等角螺旋结构图；
图2为本发明周期单元排列图，其中图(2a)为单元整齐分布图，图(2b)为单元“品”字型分布图；
图3为本发明四臂平面等角螺旋贴片单元图；
图4为本发明四臂平面等角螺旋缝隙单元图；
图5为本发明单层FSS示意图；
图6为本发明多层FSS示意图；
图7为本发明单层FSS结构图，图(7a)为单元左视图，图(7b)为单元立体图；
图8为本发明双层FSS结构图，图(8a)为单元左视图，图(8b)为单元立体图；
图9为四臂平面等角螺旋贴片单元FSS的传输系数图。
具体实施方式
如图1所示，本发明结构上采用平面等角螺旋线族构成周期结构单元，且形成的周期结构单元为分布在单层或多层介质基片上的覆铜层，各层之间含有不同厚度的介质支撑材料。
如图2所示，频率选择表面由水平和垂直方向整齐排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸的周期单元构成。其中的周期单元为矩形(或正方形)，矩形的长或宽(或正方形的边长)P为(为阻带中心频率对应的波长)；矩形(或正方形)内由同平面等角螺旋线族构成m臂平面等角螺旋(m＝2，4，6…)，相邻两个臂之间的夹角为。每个平面等角螺旋臂可由两条起始角相差的平面等角螺旋线(内、外边缘)来构建。
如图3所示，每条平面等角螺旋臂的内、外边缘的等角螺旋线满足如下极坐标方程关系式：
内：
Figure BDA0001957479550000041
外：
Figure BDA0001957479550000042
其中：r1、r2为螺旋线上极角
Figure BDA0001957479550000043
处所对应的极径；
r0为螺旋初始径向距离，取值范围为0<r0<P；
a为螺距增长快慢的常数，决定了螺旋松紧的程度，可称为松紧率，其值可正可负，若a为正值，则形成右手螺旋曲线，若a为负值，则形成左手螺旋曲线；
δ的取值范围为
Figure BDA0001957479550000044
Figure BDA0001957479550000045
为每条臂的起始极角，须满足
Figure BDA0001957479550000046
形成的平面等角螺旋臂的极角
Figure BDA0001957479550000047
的取值范围为
Figure BDA0001957479550000048
改变初始极角
Figure BDA0001957479550000049
即可得到同一单元的不同“平面等角螺旋臂”，初始极角不同的“平面等角螺旋臂”组成一个“平面等角螺旋单元”，如“四臂平面等角螺旋”、“八臂平面等角螺旋”等。
如图3、图4所示，本发明为平面等角螺旋线型宽带频率选择表面可为贴片结构，也可为缝隙结构。当平面等角螺旋臂为金属层时，此时为贴片结构；当平面等角螺旋臂为缝隙时，此时的金属部分即变为单元中与“平面等角螺旋臂”互补的部分，成为缝隙结构。
如图5所示，频率选择表面为单层频率选择表面时，单层频率选择表面结构包含4种媒质，从上到下依次是：外蒙皮层、覆铜层、基板层、介质支撑层；其中：
外蒙皮层采用外罩保护材料；
覆铜层附着于基板层表面，为“平面等角螺旋”频率选择表面的周期结构单元印刷层；
基板层附着于介质层表面，为常规薄层介质材料层，有易于共形的特点；
介质支撑层为移动通信常用的天线罩材料。
如图6所示，频率选择表面为多层频率选择表面时，该种频率选择表面可看作多个单层FSS结构的级联，从上到下依次是：外蒙皮层、覆铜层、基板层、介质支撑层、……、覆铜层、基板层、外蒙皮层，省略号为覆铜层、基板层、介质支撑层的重复，并且覆铜层在基板层的上、下均可；其中：
外蒙皮层为常用的外罩保护材料；
覆铜层附着于基板层表面，为“平面等角螺旋”频率选择表面的周期结构单元印刷层；
基板层附着于介质层表面，为常规薄层介质材料层，有易于共形的特点；
介质支撑层为移动通信常用的天线罩材料。
平面等角螺旋线型宽带频率选择表面与平面螺旋天线中的平面等角螺旋天线的区别是：该发明为基于平面等角螺旋线的频率选择表面，与平面等角螺旋天线并无直接联系，工作时并不需要馈电。
图7为本发明的单层的频率选择表面(FSS)结构单元，其中(7a)为单层的单元结构的左视图；(7b)为单层的单元结构立体图。72为外蒙皮层，71为“四臂平面等角螺旋单元”的覆铜层，73为基板层，74为介质层。
图8为本发明的双层频率选择表面(FSS)结构，其中(8a)为双层的单元结构的左视图；(8b)为双层的单元结构立体图。81为“四臂平面等角螺旋单元”的第一覆铜层，82为“四臂平面等角螺旋单元”的第二覆铜层，83为上外蒙皮层，87为下外蒙皮层，84为上基板层，86为下基板层，85为介质层。
为了使频率选择表面结构易于加工生产，通常将周期性的金属单元印刷于很薄的媒质基底材料之上。如图(2a)所示，正方形的单元沿水平和垂直方向周期扩展，整体排布构成一个平面图案，一个单元周围与四个单元相接，所形成的频率选择表面的大小与目标天线罩相同。
本发明所述的单层频率选择表面结构包含4层媒质：如图(7a)所示，72为外蒙皮层，位于最上方，其厚度为0.44mm，相对介电常数为3.2；71为“四臂平面等角螺旋单元”的覆铜层，位于蒙皮层下方，同时附着于基板上侧，起始内径为1.00mm，螺距增长常数a为0.38，螺旋方位角为1.30π；73为基板层，厚度为0.20mm，介电常数位于4～5之间；74为最下方的支撑介质层，厚度为5.00mm，相对介电常数为1.1，单元周期间距P为11.00mm。
本发明所述的双层频率选择表面结构包含7层媒质：如图(8a)、(8b)所示，83为上外蒙皮层，87为下外蒙皮层，厚度均为0.44mm，相对介电常数为3.2；81为“四臂平面等角螺旋单元”的第一覆铜层，82为“四臂平面等角螺旋单元”的第二覆铜层，分别贴于基板的上、下侧，其起始内径相同，为1.00mm(内径)，螺距常数a均为0.38，81的螺旋方位角为1.34π，82的螺旋方位角为1.29π；84为上基板层，86为下基板层，厚度均为0.20mm，介电常数位于4～5之间；85为中间的支撑介质层，厚度为7.00mm，相对介电常数为1.1，单元周期间距P为11.00mm。
图9是本发明频率选择表面的电磁波透射系数图，相应的数据对应于表1所示。对于单层FSS，其在1.00-4.70GHz内，插入损耗小于1dB，对应于通带，通带中心频率处插入损耗为0.34dB；在8.30-9.20GHz内，插入损耗大于10dB，对应于阻带，阻带中心频率处插入损耗为27.89dB。对于双层FSS，其在1.00-6.30GHz内，插入损耗小于1.04dB，对应于通带，通带中心频率处插入损耗为1.02dB；在7.40-10.00GHz内，插入损耗大于10dB，对应于阻带，阻带中心频率处插入损耗为16.68dB。
表1组合单元性能
Figure BDA0001957479550000061

Claims (7)

1.一种平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面由水平和垂直方向排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸的周期单元构成；所述的周期单元为矩形或正方形，矩形的长或宽或正方形的边长P为
Figure FDA0003004845900000011
矩形或正方形内由同平面等角螺旋线族构成m个平面等角螺旋臂，相邻两个臂之间的夹角为
Figure FDA0003004845900000012
所述λ为阻带中心频率对应的波长；其中m＝2，4，6…；
所述每个平面等角螺旋臂内、外边缘由两条起始角相差
Figure FDA0003004845900000013
的平面等角螺旋线构建；
所述每条平面等角螺旋臂的内、外边缘的等角螺旋线满足如下极坐标方程关系式：
内：
Figure FDA0003004845900000014
外：
Figure FDA0003004845900000015
其中：r1、r2为螺旋线上极角
Figure FDA0003004845900000016
处所对应的极径；
r0为螺旋初始径向距离，取值范围为0＜r0＜P；
a为螺距增长快慢的常数，称为松紧率；
δ的取值范围为
Figure FDA0003004845900000017
Figure FDA0003004845900000018
为每条臂的起始极角，须满足
Figure FDA0003004845900000019
形成的平面等角螺旋臂极角
Figure FDA00030048459000000110
的取值范围为
Figure FDA00030048459000000111
2.根据权利要求1所述的平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述的频率选择表面为单层频率选择表面，所述单层频率选择表面结构包含4种媒质，从上到下依次是：外蒙皮层、覆铜层、基板层、介质支撑层；所述覆铜层附着于基板层表面，所述基板层附着于介质支撑 层表面。
3.根据权利要求1所述的平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述覆铜层为平面等角螺旋频率选择表面的周期结构单元印刷层。
4.根据权利要求1所述的平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述的频率选择表面为多层频率选择表面，所述多层频率选择表面为多个单层频率选择表面结构的级联，所述单层频率选择表面的结构从上到下依次是：外蒙皮层、覆铜层、基板层、介质支撑层。
5.根据权利要求4所述的平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述覆铜层附着于基板层表面；所述基板层附着于介质支撑 层表面。
6.根据权利要求1所述的平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述平面等角螺旋线型宽带频率选择表面为贴片结构。
7.根据权利要求1所述的平面等角螺旋线型宽带频率选择表面，其特征在于：所述平面等角螺旋线型宽带频率选择表面为缝隙结构。
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