CN110265788A - 新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体。传统的带通型雷达吸波体基于双层或多层二维平面级联的方式实现，在对损耗层进行设计时，需要对有耗元件所在结构进行特殊设计，才能够在吸波频段内得到低插损通带；而三维结构的带通型雷达吸波体将吸波腔和传输腔分开设计并堆叠而成，能够得到高选择性以及低插损的通带，但是其很难设计成双极化。所提出的二三维结合的双极化带通型雷达吸波体，采用传输线屏蔽的方式，利用传输线的特性对有耗层进行屏蔽，设计简单，原理清晰，结构轻便，并且具有良好的性能。

Description

新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种双极化带通型雷达吸波体。该种雷达吸波体能够用于设计战斗机雷达罩、军舰通信桅杆等军事应用，也可用于民用系统中，减少系统之间的干扰，或者用于微波暗室等减少室内电磁波的反射。
背景技术
在当前的军事应用中，雷达吸波体是用来减少雷达散射截面的有效方式之一，使得作战平台能够大幅提升其隐身特性。
雷达吸波体基于频率选择结构。传统的频率选择结构是一种空间滤波器，能够对特定频段、极化方式、入射角度的电磁波进行筛选，允许需要的电磁波透过，并反射不需要的电磁波，但是无法吸收电磁能量。因此，基于频率选择结构研制的天线罩只能够将不符合电磁特性的电磁波反射到偏离入射角的方向，从而减少雷达散射截面。这类天线罩能够对单站探测器起到隐形的效果，但是对双站、多站或者探测网络却无法提供有效的雷达散射截面的缩减。雷达吸波体的提出有效的解决了这个问题，其在工作频段内，能够透射电磁波，并且具有极低的损耗；在工作频段外，则以吸波体的形式存在，能够将电磁波完美吸收，从而达到理想的隐身效果。
目前国内外已经有许多带通型雷达吸波体被提出。传统的带通型雷达吸波体基于双层或多层二维平面级联的方式实现，在对损耗层进行设计时，需要对有耗元件所在结构进行特殊设计，才能够在吸波频段内得到低插损通带；而三维结构的带通型雷达吸波体将吸波腔和传输腔分开设计并堆叠而成，能够得到高选择性以及低插损的通带，但是其很难设计成双极化，与此同时，三维结构的带通型雷达吸波体的总体厚度相较于二维带通型雷达吸波体偏厚。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供基于二维平面和三维结构相结合的双极化带通型雷达吸波体。该带通型雷达吸波体结构采用一个加入集总电阻和端口阻抗渐变型缝隙电容的吸波面、一个二维带带通频率选择表面结合三维结构的方式，搭建出双极化带通型雷达吸波体，该结构能够实现低插损通带，以及通带两侧各一个宽吸波带。这种结构相对厚度薄，易于设计，便于加工，结构轻巧，相对于二维平面级联的吸波型雷达吸收体具有更强的机械强度，成本低。
本发明的二三维结合的双极化带通型雷达吸波体为周期性结构，每个结构单元从上至下包括吸波面、三维传输线结构以及带通频率选择表面。
所述的吸波面为周期性分布结构单元，以内嵌的方式与三维传输线结构形成电气连接。
所述的吸波面包括第一介质基片，以及镀在第一介质基片表面的第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容、与第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容相连接的第一至四集总电阻以及同时与四个电阻相连的第一金属圆环。
所述的三维传输线结构位于吸波面与带通频率选择表面之间，包括四块第二介质基片以及第一至四金属线。
四块第二介质基片依次相连成环形结构，并与第一介质基片垂直设置；
第一至四金属线分别镀在四块第二介质基片内侧壁上；金属线位于所在第二介质基片的中线上。
所述的第一至四金属线分别与吸波面上对应的第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容形成电气连接。
所述的带通频率选择表面与第一介质基片平行设置，紧靠三维传输线结构，但不与三维传输线结构的第一、第二、第三、第四金属线形成电气连接。
所述的带通频率选择表面包括第三介质基片以及设置在第三介质基片下表面的金属面；金属面刻有类矩形缝隙，每条边的中心位置由依次排列的第一至五“凵”型缝隙以及连接线结构构成，第一“凵”型缝隙与第五“凵”型缝隙形状高度相同，第二“凵”型缝隙与第四“凵”型缝隙形状高度相同，第一、二、三“凵”型缝隙呈阶梯状设置，且第三“凵”型缝隙最高；每条边上相邻“凵”型缝隙间距相等并通过连接线结构连通；“凵”型缝隙的开口朝外。
所述的第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容完全相同，呈中心对称排布。
所述的第一至四集总电阻阻值相同，呈中心对称排布。
第一至四金属线形状完全相同。
类矩形缝隙呈中心对称排布。
所述的吸波面、三维传输线结构和带通频率选择表面的中心均位于结构中心的竖直直线上。
所述的三维传输线结构与带通型频率选择表面的工作频率相同。
具体工作原理：当全频段的电磁波射入结构表面，先直接透过吸波面，由于三维传输线结构的存在，使得传输线工作刚好为半个波长时的电磁波可以无损或者低损透过。而当特定频段的电磁波使得吸波面结构分别谐振在四分之一以及四分之三波长，此时入射的电磁波与被带通型频率选择表面反射的电磁波形成相位抵消从而在端口阻抗渐变型缝隙电容与金属圆环被电磁波激励出强电流，并被电阻吸收，从而形成吸波带。通过吸波面、三维传输线结构以及带通频率选择表面的共同作用，使得该雷达吸波体能够实现极低插损的通带以及分布在其两侧的宽吸波带。该雷达吸波体为中心对称结构，故该其为双极化结构，对TE和TM极化波均有相同效果。
上述的TE波表示向z轴负方向入射且电场方向与y轴平行的电磁波；TM波表示向z轴负方向入射且电场方向与x轴平行的电磁波。本发明的目的是提供一种新颖的上述的雷达吸波体的设计思路以及双极化带通型雷达吸波体，作为雷达、天线的隐身天线罩的研究以及应用。
新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体具有以下优点：
(1)本发明采用传输线结构用以替代传统的带通谐振透波的方式，实现了对整个吸波面的屏蔽，并且该传输线在雷达吸波体中的应用，大大减小了三维带通型雷达吸波体的厚度。吸波面上的端口阻抗渐变型缝隙电容的设计提升了通带上方的吸波带的吸波效果，使得双吸波带得以实现。
(2)这种新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体可以实现一个极低插入损耗的通带，并且在通带两侧各分布一个吸波带，在用于设计天线罩时，可以提升天线的通信能力；
(3)这种新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体易于设计，制作简单，整个结构仅用PCB工艺就可以实现，并且一个单元内只用了四个集总电阻，大大的缩减了设计成本和设计的复杂度；
(4)这种新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体相较于传统的二维平面级联的带通型雷达吸收体具有更高的机械强度，相较于三维带通型雷达吸收体则更易于双极化性能的设计。
附图说明
图1是本发明的三维单元结构示意图；
图2是本发明的三维单元结构拆分示意图；
图3是本发明的吸波面的结构标注图；
图4是本发明的三维传输线结构的结构标注图；
图5是本发明的带通频率选择表面的结构标注图；
图6是本发明的仿真的频率响应图；
图7是本发明的仿真的吸波率曲线图。
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。
如图1，图2所示，新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体为垂直设置的周期性结构单元，每个结构单元无缝排布并从上至下包括吸波面、三维传输线结构和带通频率选择表面；
如图1，2，3所示，吸波面包括材料为Rogers5880的第一介质基片1，介质基片1上表面镀有第一、第二、第三、第四端口阻抗渐变型缝隙电容(均标注为2)和第一、第二、第三、第四集总电阻(均标注为3)，以及第一金属圆环4，均中心对称设置在吸波面上；
如图1，2，4所示，三维传输线结构包括材料为Rogers TMM 10的第二介质块5和第一、二、三、四金属线(均标注为6)，所有金属线5均设置在第二介质块的内侧中心处；
如图5所示，带通频率选择表面包括材料为Rogers5880的第三介质基片7和镀在其下表面的第一金属面8。
如图1所示，吸波面上的第一、第二、第三、第四端口阻抗渐变型缝隙电容2与三维传输线结构内侧的第一、二、三、四金属线6电气连接。
如图1所示，带通频率选择表面设置在结构最下方并紧贴三维传输线结构的第二介质块5。
如图1、图2所示，吸波面、三维传输线结构、带通频率选择表面的中心所在直线与z轴平行；
第一介质基片1和第三介质基片7均为正方形。
具体结构几何参数如图3、图4、图5中标注所示，具体描述如下：
其中b为单元结构在x轴和y轴方向的周期，D为第一介质基片1的边长，w1、wc、s、d、d1、d2、d3为第一金属结构内部参数，具体对应结构如图3所示，Ra为焊接在第一金属结构上第一、二、三、四集总电阻的电阻值。l1、w1为三位传输线结构内侧所分布的第一、二、三、四金属线的长度和宽度。w2、l2、s1、s2、s3、s4为第一金属面7上的缝隙的结构参数，具体对应关系参考图5中的标注。t1为第一、第三介质基片的厚度，t2为第二介质块的厚度。
表1
图6和图7为该新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体的仿真结果。从图6的仿真结果可以看出该结构实现了一个很宽的电磁波吸收/透射带，从2.79GHz到8.40GHz，相对带宽达到102.9％。在该频带中，通带的3dB带宽为5.64GHz到6.17GHz，相对带宽为9.0％。高频吸波带和低频吸波带分别为2.79–5.11GHz和6.76–8.40GHz，相对带宽分别为58.7％和21.6％。图7为显示了该结构具有非常优异的吸波性能。
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.新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体为周期性结构，其特征为每个结构单元从上至下依次包括吸波面、三维传输线结构以及带通型频率选择表面；
所述的吸波面包括第一介质基片，以及镀在第一介质基片表面的第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容、与第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容相连接的第一至四集总电阻以及同时与四个电阻相连的第一金属圆环；
所述的三维传输线结构位于吸波面与带通频率选择表面之间，包括四块第二介质基片以及第一、第二、第三、第四金属线；
四块第二介质基片依次相连成环形结构，并与第一介质基片垂直设置；
第一至四金属线分别镀在四块第二介质基片内侧壁上；金属线位于所在第二介质基片的中线上；
所述的第一至四金属线分别与吸波面上对应的第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容形成电气连接；
所述的带通频率选择表面与第一介质基片平行设置，紧靠三维传输线结构，但不与三维传输线结构的第一、第二、第三、第四金属线形成电气连接；
所述的带通频率选择表面包括第三介质基片以及设置在第三介质基片下表面的金属面；金属面刻有类矩形缝隙，每条边的中心位置由依次排列的第一至五“凵”型缝隙以及连接线结构构成，第一“凵”型缝隙与第五“凵”结构形状高度相同，第二“凵”型缝隙与第四“凵”型缝隙形状高度相同，第一、二、三“凵”型缝隙呈阶梯状设置，且第三“凵”型缝隙最高；每条边上相邻“凵”型缝隙间距相等并通过连接线结构连通。
2.如权利要求1所述的新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体，其特征在于所述的第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容呈中心对称排布；第一至四集总电阻阻值相同呈中心对称排布；类矩形缝隙呈中心对称排布；第一至四金属线形状完全相同；
吸波面、三维传输线结构和带通频率选择表面的中心均位于结构中心的竖直直线上。
3.如权利要求1所述的新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体，其特征在于所述的吸波面上的所有集总电阻的电阻值相等；第一至四端口阻抗渐变型缝隙电容相同。
4.如权利要求1所述的新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体，其特征在于所述的三维传输线结构与带通型频率选择表面的工作频率相同。
5.如权利要求1所述的新型二三维结合的双极化带通型雷达吸波体，其特征在于当全频段的电磁波射入结构表面，先直接透过吸波面，由于三维传输线结构的存在，使得传输线工作刚好为半个波长时的电磁波可以无损或者低损透过；而当特定频段的电磁波使得吸波面结构分别谐振在四分之一以及四分之三波长，此时入射的电磁波与被带通型频率选择表面反射的电磁波形成相位抵消，从而在端口阻抗渐变型缝隙电容与金属圆环被电磁波激励出强电流，并被电阻吸收，从而形成吸波带；通过吸波面、三维传输线结构以及带通频率选择表面的共同作用，使得该雷达吸波体能够实现极低插损的通带以及分布在其两侧的宽吸波带。
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