CN110247196A - 一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体 - Google Patents

一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，包括周期性设置的频率选择吸波体单元，频率选择吸波体单元包括依次设置的第一金属层、第一介质层、空气层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层、第四金属层；其中，第一金属层包括围成一个正方形的四组交趾结构，正方形的一条边上有一组交趾结构，相邻两组交趾结构之间通过集总电阻连接，每组交趾结构包括三个交趾单元，每组交趾结构中相邻两个交趾单元之间通过金属线条相连。本发明结构简单、加工容易、成本低，并且能够获得更宽的透射频带宽和更小的透射插损。

Description

一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体
技术领域
本发明涉及频率选择吸波体，特别是涉及中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体。
背景技术
在现代化战争中，雷达技术是最主要的探测手段，大量应用于飞机、导弹、航海等领域，雷达罩的应用也日趋广泛。雷达罩天线罩不仅可以保护天线，防止其收到雨雪、大风、灰尘等外界环境的干扰，而且具有一定的频选功能，可以减少周围反射天线的干扰。
根据雷达作用方程，雷达在自由空间的最大探测距离与目标的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)的4次方根成正比，RCS每减小10dB,可使雷达作用距离减小约44％。因此在保证自身雷达正常收发电磁波的前提下，提高雷达罩的隐身性能显得至关重要。由于不能影响自身雷达收发电磁波，不能直接应用外形隐身或者涂覆吸波材料进行隐身。目前，通常选用频率选择表面(FSS)对入射电磁波的传输和反射进行调控，在保持带内信号传输的低插损特性的同时减少天线的RCS。基于FSS的隐身雷达罩通常是利用外形隐身将带外电磁波反射到空间的其他方向以减小后向RCS，依靠外形隐身设计的FSS雷达罩只对减小雷达单站RCS起作用，且这种隐身往往以其他方向上RCS的增加为代价。为了减小雷达带外的双站RCS，将吸波体的概念引入FSS雷达罩的设计中，使其在雷达天线的工作频段内对电磁波透明，而在工作频带外入射电磁波全部被吸收，这种频率选择结构被称为频率选择吸波体。
然而，目前现有的平面频率选择吸波体中频透射频带宽较窄，透射插损较大，应用前景较窄。为了解决透射频带宽窄的问题，传统的做法是采用传输通道和吸波通道结合的方式，搭建三维宽带吸波式频率选择结构，但是结构较复杂，加工难度大，生产成本高，且往往是单极化敏感的。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，四个金属层是二维的。
技术方案：本发明所述的中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，包括周期性设置的频率选择吸波体单元，频率选择吸波体单元包括依次设置的第一金属层、第一介质层、空气层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层、第四金属层；其中，第一金属层包括围成一个正方形的四组交趾结构，正方形的一条边上有一组交趾结构，相邻两组交趾结构之间通过集总电阻连接，每组交趾结构包括三个交趾单元，每组交趾结构中相邻两个交趾单元之间通过金属线条相连。
进一步，所述第二金属层和第四金属层结构相同；第二金属层包括第一方形金属贴片。
进一步，所述第三金属层包括第二方形金属贴片，第二方形金属贴片中间挖掉一个方形环。
进一步，所述第二介质层与第三介质层的材料、尺寸均相同。
进一步，所有交趾单元的结构均相同。
有益效果：本发明公开了一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，通过二维的第一金属层对高频和低频电磁波进行吸收，并且吸波体还能对中频电磁波进行透射，相比现有技术的结构更简单、加工更容易、成本更低，对极化不敏感，并且能够获得更宽的透射频带宽和更小的透射插损。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中频率选择吸波体的立体图；
图2为本发明具体实施方式中频率选择吸波体的拆分结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中第一金属层的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中第二金属层的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中第三金属层的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中频率选择吸波体的吸波率、传输系数和反射系数的结果曲线。
具体实施方式
本具体实施方式公开了一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，如图1，包括周期性设置的频率选择吸波体单元，如图2所示，频率选择吸波体单元包括依次设置的第一金属层1、第一介质层2、空气层3、第二金属层4、第二介质层5、第三金属层6、第三介质层7、第四金属层8。其中，第一金属层1包括围成一个正方形的四组交趾结构，如图3所示，正方形的一条边上有一组交趾结构，相邻两组交趾结构之间通过集总电阻12连接，每组交趾结构包括三个交趾单元11，每组交趾结构中相邻两个交趾单元11之间通过金属线条13相连。所有交趾单元11的结构均相同，这样谐振频点也相同。第二金属层4和第四金属层8结构相同。如图4所示，第二金属层4包括第一方形金属贴片41。如图5所示，第三金属层6包括第二方形金属贴片61，第二方形金属贴片61中间挖掉一个方形环62。第二介质层5与第三介质层7的材料、尺寸均相同。
第一金属层1和第一介质层2共同组成超材料吸波层，第二金属层4、第三金属层6、第四金属层8、第二介质层5和第三介质层7共同组成宽频带透波的频率选择表面层。空气层3用于调节超材料吸波层和频率选择表面层的距离。电磁波入射至本频率选择吸波体时，分别与超材料吸波层和频率选择表面层相互作用，中频透射频带范围内的电磁波由于超材料吸波层和频率选择表面层在透射频带内的插损都很小，能够以极小的插损透射出去，高频和低频吸收频带内的电磁波将会被第一金属层1中的四个集总电阻吸收，实现宽频带吸收。
下面介绍一下中频透射原理：12个交趾单元11的结构相同，谐振频点相同，谐振频率在中频透射频带内的12个交趾单元11调节超材料吸波层等效阻抗的虚部，使其在透射频带内达到无穷大，从而为超材料吸波层提供一个频带范围较宽的低插损透射窗口。同时频率选择表面层利用第二金属层4、第三金属层6、第四金属层8之间的层间耦合，在与超材料吸波层相同的透射频带内通过第二金属层4、第三金属层6、第四金属层8之间的LC并联谐振形成透射窗口。超材料吸波层的透射频带与频率选择表面层的透射频带重合，形成一个低插损的宽频带透射窗口。
下面介绍一下低频和高频吸波原理：在低频和高频的吸收频带内，第一金属层1中的12个交趾单元11、金属线条13和集总电阻12组成的结构发生LC串联谐振，第二金属层4、第三金属层6、第四金属层8作为金属接地面，与超材料吸波层一起对入射的电磁波实现高效率的吸收，入射的电磁能量由位于正方形四个角上的集总电阻12损耗。
实施例1：
本实施例中，频率选择吸波体单元的周期为15mm，空气层3的厚度为6.3mm，频率选择吸波体单元整体的厚度为12.5mm。第一介质层2采用相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037的RO4350B板材，厚度为0.2mm。12个交趾单元11结构相同且均谐振在10GHz。集总电阻12采用0201封装的贴片电阻，阻值为130欧姆。第二介质层5和第三介质层7采用介电常数为2.2，厚度为3mm的F4B板材。第二金属层4和第四金属层8的边长为7.5mm。方形环62的边长为6.3mm，宽度为0.15mm。所有金属层均选用铜，厚度均为0.035mm。
图6为本发明实施例中的吸波率、反射系数和传输系数(透射系数)随频率变化的仿真曲线，从图中可以看出本发明具有一个中频宽通带以及通带两侧的两个吸收带；通带插损在-1dB以上的频率范围为8-11GHz,相对带宽为31.5％，-3dB的通带范围为7.7-12GHz,相对带宽为43.65％，其中通带内最小插损为0.05dB；低频吸收带的范围为4-7GHz,相对带宽为54.5％，高频吸收带范围为12.4-14GHz,相对带宽为12％；在4-14GHz频率范围内的反射系数均低于-10dB相对带宽达到111％。

Claims (5)

1.一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，其特征在于：包括周期性设置的频率选择吸波体单元，频率选择吸波体单元包括依次设置的第一金属层(1)、第一介质层(2)、空气层(3)、第二金属层(4)、第二介质层(5)、第三金属层(6)、第三介质层(7)、第四金属层(8)；其中，第一金属层(1)包括围成一个正方形的四组交趾结构，正方形的一条边上有一组交趾结构，相邻两组交趾结构之间通过集总电阻(12)连接，每组交趾结构包括三个交趾单元(11)，每组交趾结构中相邻两个交趾单元(11)之间通过金属线条(13)相连。
2.根据权利要求1所述的中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，其特征在于：所述第二金属层(4)和第四金属层(8)结构相同；第二金属层(4)包括第一方形金属贴片(41)。
3.根据权利要求1所述的中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，其特征在于：所述第三金属层(6)包括第二方形金属贴片(61)，第二方形金属贴片(61)中间挖掉一个方形环(62)。
4.根据权利要求1所述的中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，其特征在于：所述第二介质层(5)与第三介质层(7)的材料、尺寸均相同。
5.根据权利要求1所述的中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体，其特征在于：所有交趾单元(11)的结构均相同。
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