CN110718765A - 一种频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率选择表面，包括：介质基板；设于介质基板正面的正面金属贴片，其上刻蚀有形状、大小不同的第一槽线和第二槽线；设于介质基板背面的U型金属贴片；用于连接正面金属贴片和U型金属贴片的导电通孔及设于第一槽线靠近介质基板边缘一侧的第一集总电阻。本发明的频率选择表面与多层结构的频率选择表面相比，结构简单、灵活，FSR的通带插入损耗低，具有更理想的频带特性；透波通带两侧的频带具有高吸波特性，并且吸波带的带宽可以调节；双极化实现方式较为简单，只需将已有结构旋转90°。

Description

一种频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种频率选择表面。
背景技术
雷达技术在对飞行器、舰船等军事目标探测侦察、监控中起着越来越重要的作用，采用雷达隐身技术降低飞行器可探测性，成为提高飞行器综合作战效能的关键问题之一。在天线罩中加入带通FSS可以制成带内透波、带外全反射的选频透波天线罩，使天线系统在透波带内外表现不同的电磁特性，在频带内有很好的透波性能，不影响天线正常工作；在频带外，借用隐身外形设计，将雷达波反射到远离来波方向，减小带外单站RCS。但是，该隐身手段不能实现全方位的隐身，某些视角可能产生很大的RCS增加。基于这种新挑战，一种具有透波/吸波特性FSS被提出，频带内，允许信号良好通过，频带外，产生良好宽带吸波，有效降低反射。
2012年，国外学者Costa等人在IEEE Transaction on Antennas andPropagation上发表了“A frequency selective radome with wideband absorbingproperties”的研究论文，提出了一种2D平面的频率选择表面，该结构为Jerusalem FSS与单层吸波的层叠组合，能实现低插入损耗的透波带和超带宽吸波带，但不能实现宽带透波和双吸波带频率选择表面。2015年，国内学者Qiang Chen等人在IEEE Antennas andWireless Propagation Letters上发表了“A Miniaturized Absorptive FrequencySelective Surface”的研究论文，提出了一种小型化2D平面的频率选择表面，该结构为加载集总电阻的表面阻抗与双层FSS的层叠组合，通过增加不同层中两个金属贴片之间的分布电容来实现小型化，表面阻抗中加入集总电阻实现强吸波带，但透波带宽太窄，不能同时在通带两侧实现吸波功能。2017年，我国Yufeng Yu等人在IEEE Transaction on onAntennas and Propagation上发表了“3D frequency selective rasorber with wideupper absorption band”的研究论文，提出了一种3D腔体型的频率选择表面，该结构利用两个有损谐振腔实现吸波带，一个无损腔实现透波带，这种多腔体3D结构具有非常好的频带特性，但为保证各个腔体的良好谐振，整体结构很难通过旋转实现双极化性能。
综上所述，现有技术存在以下问题：
(1)传统FSS结构，由于电流流过通带内的有损结构，导致FSR的通带插入损耗通常很高；
(2)多层2D平面的频率选择表面，通常只能实现单侧的吸波频带，且透波带带宽非常窄；
(3)腔体3D结构虽然具有非常好的频带特性，但整体结构复杂，很难实现双极化特性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单、通带插入损坏低、带宽可调的双吸波带频率选择表面。
基于此，本发明的技术方案是：
一种频率选择表面，包括：
介质基板；
正面金属贴片，设于所述介质基板的正面，其上刻蚀有形状、大小不同的第一槽线和第二槽线；
U型金属贴片，设于所述介质基板的背面；
导电通孔，用于连接所述正面金属贴片和所述U型金属贴片；及
第一集总电阻，设于所述第一槽线靠近所述介质基板边缘的一侧。
优选地，所述第一槽线和第二槽线整体呈矩形，所述第一槽线矩形槽的一侧为宽槽线，另一侧的相对两长边上分别对应设有多个∪型弯折部的窄槽线；所述第二槽线矩形槽的相对两长边中心分别对应设有∩型弯折部的宽槽线，两端为窄槽线。
优选地，所述U型金属贴片位于所述第二槽线的所述宽槽线的背面中心。
优选地，所述正面金属贴片上还刻蚀有第三槽线，所述第三槽线与所述第一槽线呈中心对称，所述第三槽线靠近所述介质基板边缘的一侧设有第二集总电阻。
优选地，所述第二槽线设于所述第一槽线与所述第三槽线之间。
优选地，所述介质基板的相对介电常数为2.55，厚度为0.2mm。
与现有技术相比，本发明的技术效果主要体现在：
(1)与多层结构的频率选择表面相比，本发明的频率选择表面结构简单、灵活，FSR的通带插入损耗低，具有更理想的频带特性；
(2)透波通带两侧的频带具有高吸波特性，并且吸波带的带宽可以调节；
(3)双极化实现方式较为简单，只需将已有结构旋转90°。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的频率选择表面立体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的等效电路图；
图3为本发明实施例1提供的频率选择表面的正面结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的频率选择表面的背面结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的频率选择表面在TE极化波垂直入射条件下的反射特性和传输特性示意图；
图6为本发明实施例1提供的频率选择表面在TE极化波垂直入射条件下的吸收率示意图；
图7是本发明实施例2提供的频率选择表面立体结构示意图；
图8为本发明实施例2提供的频率选择表面在TE极化波垂直入射条件下的反射特性和传输特性示意图；
图9为本发明实施例2提供的频率选择表面在TE极化波垂直入射条件下的吸收率示意图；
图10为本发明实施例2提供的频率选择表面在TM极化波垂直入射条件下的反射特性和传输特性示意图；
图11为本发明实施例3提供的双极化频率选择表面立体结构示意图；
图12为本发明实施例3提供的双极化频率选择表面在TE极化波和TM极化波在垂直入射条件下的反射特性和传输特性示意图。
其中，1、介质基板，2、正面金属贴片，3、第一槽线，4、第二槽线，5、U型金属贴片，6、导电通孔，7、第一集总电阻，8、第三槽线，9、第二集总电阻。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
本实施例提供一种频率选择表面，结构如图1、图3、图4所示。包括介质基板1、设于介质基板1正面的正面金属贴片2、刻蚀在正面金属贴片2上的形状、大小不同的第一槽线3和第二槽线4、设于介质基板1背面的U型金属贴片5、导电通孔6和第一集总电阻7，记为R1。导电通孔6用于连接U型金属贴片5和正面金属贴片2，第一集总电阻7设于第一槽线3靠近介质基板1左侧边缘的间隙里。
图2为图1的等效电路图，上半部分为有损谐振器，可实现吸波功能，介质基板1上半部分的第一槽线3的宽槽线和窄槽线可等效为传输线，从而产生不同的谐振频率，并分别位于通带频段的两侧。第一集总电阻7位于前端接收入射电磁波，为减少入射波的反射，第一集总电阻7阻抗值应与自由空间阻抗值相等，第一集总电阻7消耗电磁能量，因此可完成频率选择表面双频段吸波功能；下半部分为无损谐振器，可实现透波功能，介质基板1背面中心加载的U型金属贴片5等效为电感，下半部分第二槽线4间的间隙等效为电容。该结构可看为理想的频率选择表面，并且在通带内能产生不同的谐振频率，因此可实现宽带通带透波功能。
通过改变上半部分第一槽线3的尺寸可调节通带两侧的谐振频率，从而调节吸波带的位置。
通过改变下半部分第二槽线4的尺寸可调节通带内的谐振频率，从而调节透波带的位置。
通过改变基板背面U型金属贴片5的尺寸可控制通带内的不同谐振频率间的耦合强度，调节透波带的带宽。
通过改变第一集总电阻7的阻值可实现自由空间与频率选择表面的阻抗匹配，同时消耗电磁能量，完成频率选择表面的吸波功能。
本发明的频率选择表面通过介质基板1正面的第一槽线3和第二槽线4将电磁波传播空间划分开，得到几个谐振频率不同的有损或无损谐振器。有损谐振器是通过加载第一集总电阻7的方式，吸收谐振带内的电磁能量从而形成吸波带；无损谐振器等效为理想的频率选择表面，在谐振频率处能够无损耗的通过，从而实现透波带。这种思路为AFST提供了一种新的技术路线，由于吸波带和透波带分别由有损和无损谐振器实现，从而吸波带和透波带相对独立，可以较为方便的对吸波带和透波带分别设计实现。该3D结构频率选择表面的透波带和吸波带可通过调节各单元尺寸参数改变，具有很强的适应性和可重复性。
同时，本发明的频率选择表面与多层结构的频率选择表面相比，结构简单、灵活，FSR的通带插入损耗低，具有更理想的频带特性；透波通带两侧的频带具有高吸波特性，并且吸波带的带宽可以调节；双极化实现方式较为简单，只需将已有结构旋转90°。
优选地，所述第一槽线3和第二槽线4整体呈矩形，所述第一槽线3矩形槽的一侧为宽槽线，另一侧的相对两长边上分别对应设有多个∪型弯折部的窄槽线；所述第二槽线4矩形槽的相对两长边中心分别对应设有∩型弯折部的宽槽线，两端为窄槽线。如图3、图4所示，图3为频率选择表面的正面的结构示意图，图4为背面的结构示意图。U型金属贴片5位于第二槽线4的所述宽槽线的背面中心。其中l和p分别为介质基板的长和宽；l1和w1分别为上半部分宽槽线的长和宽；l2＝l21+l22+l24+4*l23和w2分别为上半部分窄槽线的长和宽，g为上半部分弯折窄槽线间的距离；l3和w3分别为下半部分窄槽线的长和宽；l4和w4分别为下半部分宽槽线的长和宽；ls1,ls2和ws分别为基板背面U型金属贴片的尺寸；p1和p2分别为上下半部分槽线与基板的距离。
如图5所示，在10-13GHz的频率范围内，插入损耗小于0.5dB,回波损耗大于15dB，可见自由空间阻抗与频率选择表面阻抗有着良好的匹配，实现了超宽带通带内高透波的功能。
如图6所示，在3.8-6.8GHz和14.8-18GHz的频率范围内，实现了具有超过80％吸收率的宽带强吸收区域，该3D结构的频率选择表面不仅实现了宽带的通带频段内的高透波，而且还具备了超宽带的双频吸波的功能。
实施例二：
本实施例的3D结构双吸波带频率选择表面立体结构图如图7所示，本实施例提供的频率选择表面与实施例1相比增加的结构包括：介质基板正面底部的第三槽线8和第二集总电阻9，记为R2；第二集总电阻9设于第三槽线8靠近介质基板1左侧边缘的间隙里。优选地，第二槽线4设于第一槽线3与第三槽线8之间。
本实施例相比于实施例一增加了一个有损谐振器，在一块介质基板1上，通过增加有损谐振器的个数，可以进一步展宽双频吸波带的带宽，如图7所示，该结构顶部的第一槽线3和底部的第三槽线8均为有损谐振器，两个集总电阻7和9在前端接收入射波，消耗电磁能量，完成频率选择表面吸波功能。
通过调整第一槽线3和第三槽线8的宽度和长度比，可以调节两个吸波带的带宽。顶部的第一槽线3在通带的两侧，产生两个谐振频率，底部的第三槽线8也在通带的两侧，产生两个谐振频率。通带左侧的两个谐振频率相互耦合，形成吸波带，同理，通带右侧的两个谐振频率也相互耦合，形成吸波带。通过调整第一槽线3和第三槽线8的宽度和长度的比例，可调节两侧吸波带的带宽，从而展宽吸波带的带宽，进一步实现带宽可调的双频吸波带频率选择表面。
通过优化介质基板和各个尺寸，可调节透波频带和吸波频带，得到的尺寸和集总电阻阻值分别为：l＝8.6mm，p＝3.9mm，l1＝4.8mm，w1＝1.1mm，l21＝0.8mm，l22＝1.8mm，l24＝0.6mm，l23＝1mm，w2＝0.2mm，g＝0.3mm，l3＝2.1mm，w3＝0.1mm，l4＝4.3mm，w4＝0.2mm，ls1＝0.2mm,ls2＝0.8mm，ws＝0.1mm，p1＝1.4，p2＝1.9，R1＝R2＝400Ω，其中，介质基板1的相对介电常数为2.55，厚度为0.2mm。低介电常数和低厚度可以减少其透波带内插损。
如图9所示，在3.2-8.5GHz和14.2-18GHz的频率范围内，实现了具有超过80％吸收率的超宽带强吸收区域，相比实施例1的结果，通带左侧吸波带带宽从3.8-6.8GHz到3.2-8.5GHz，通带右侧吸波带带宽从14.8-18GHz到14.2-18GHz，因此，我们可以看出，在不增加FSS厚度的情况下，吸波带的带宽确实被展宽了。该3D结构的频率选择表面不仅实现了通带频段内的高透波，而且还可以调节双频吸波带的带宽。
实施例三：
本实施例的3D结构双吸波带频率选择表面立体结构图如图11所示，实施例3是基于上述实施例2的3D结构频率选择表面，上述实施例2只是对单片结构进行了研究，因此该结构仅仅具有单极化功能，只对TE极化波有通带外双频吸波的功能，而对TM极化波没有该功能。图9为单片结构下TM极化波垂直入射条件下的反射特性和传输特性示意图，该单片结构对TM极化波全部透波，没有吸波功能，因此该单片结构仅仅具有单极化功能。如图11所示，双极化频率选择表面双频吸波的实现方式只需将已有的单片旋转90°，为了验证双片结构是否具备双极化特性，只需观察得到的性能效果与单片结构是否一致，如图12所示，反射特性/传输特性示意图与单极化单片的结果基本一致，因此可得出该单片结构通过简单的旋转变化实现了双极性特性。该3D结构的频率选择表面能同时实现双极化双频吸波的功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种频率选择表面，其特征在于，包括：
介质基板；
正面金属贴片，设于所述介质基板的正面，其上刻蚀有形状、大小不同的第一槽线和第二槽线；
U型金属贴片，设于所述介质基板的背面；
导电通孔，用于连接所述正面金属贴片和所述U型金属贴片；及
第一集总电阻，设于所述第一槽线靠近所述介质基板边缘的一侧。
2.如权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述第一槽线和第二槽线整体呈矩形，所述第一槽线矩形槽的一侧为宽槽线，另一侧的相对两长边上分别对应设有多个∪型弯折部的窄槽线；所述第二槽线矩形槽的相对两长边中心分别对应设有∩型弯折部的宽槽线，两端为窄槽线。
3.如权利要求2所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述U型金属贴片位于所述第二槽线的所述宽槽线的背面中心。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述正面金属贴片上还刻蚀有第三槽线，所述第三槽线与所述第一槽线呈中心对称，所述第三槽线靠近所述介质基板边缘的一侧设有第二集总电阻。
5.如权利要求4所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述第二槽线设于所述第一槽线与所述第三槽线之间。
6.如权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于：所述介质基板的相对介电常数为2.55，厚度为0.2mm。
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