CN110718768A - 一种基于3d结构的频率选择表面吸波器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于3D结构的频率选择表面吸波器及其实现方法，包括介质支撑、连接于所述介质支撑的介质基板以及均匀分布于所述介质基板上的多个开口金属贴片，设置在每个所述开口金属贴片的间隙中的集总电阻。多个开口金属贴片尺寸可以根据设计的吸波通带和选取介质基板的相对介电常数快速计算出来，设计过程简单。与多层结构的频率选择表面吸波器相比，本申请具有更理想的频带特性和带内插损，能同时实现通带内高透波，通带外高吸波特性。

Description

一种基于3D结构的频率选择表面吸波器及其实现方法

技术领域

本发明属于微波技术和飞行器隐身领域，涉及一种基于3D结构的频率选择表面吸波器及其实现方法。

背景技术

对于飞行器目标而言，遭遇敌方雷达探测的威胁主要来自飞行器的鼻锥方向，而在雷达的天线罩上加载频率选择表面，可以实现通带内透波，通带外全反射，能将主要威胁方向的雷达来波反射到其他方向，从而减小带外单站RCS，可以有效实现天线系统的隐身。然而这种方法并不能实现全方位隐身，从某些视角来看会产生很大的RCS(Radar CrossSection，雷达散射截面积)增加。

当前，实现吸波的主要方式有：加载集总电阻吸波、电阻薄膜吸波。其中，加载集总电阻吸波主要通过集总电阻消耗电磁能量实现吸波；电阻薄膜吸波结构中，部分导电体与吸波体均匀混合，因此在具备吸波特性的同时，也可以像金属一样具有良好的频率选择特性。但是，以上两种吸波方式都存在透波/吸波效果不好，透波/吸波带宽窄等问题。

基于此，亟需一种频率选择表面吸波器，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于3D结构的频率选择表面吸波器及其设计方法，能够同时实现通带频段内高透波，通带频段外高吸波。

本发明提供了一种基于3D结构的频率选择表面吸波器，包括：

介质支撑、连接于所述介质支撑的介质基板以及均匀分布于所述介质基板上的多个开口金属贴片，设置在每个所述开口金属贴片的间隙中的集总电阻。

优选的，每个所述开口金属贴片均与介质基板形成微带板结构。

优选的，两个相邻的开口金属贴片之间设置有第一间隙。

优选的，针对所述多个开口金属贴片中的任意一个，包括：两个U型金属贴片，所述两个U型金属贴片的U型口相对设置。

优选的，所述两个U型贴片之间设置有第二间隙。

优选的，对于所述多个开口金属贴片中的任意一个，在两个U型金属贴片中，靠近所述介质基板边缘的U型金属贴片上有第三间隙。

优选的，所述集总电阻设置于所述第三间隙中。

优选的，所述介质基板为边长6.4mm、厚度为0.1mm的正方体，介质基板的相对介电常数为8；介质支撑采用轻质泡沫，相对介电常数为1.1。

本发明还提供一种上述的基于3D结构的频率选择表面吸波器的实现方法，包括：

依据谐振特性，以及频率选择表面吸波器的所需的吸波频段，确定多个开口金属贴片的尺寸；

调节所述集总电阻的阻值，实现阻抗匹配和吸波功能；

将尺寸确定好的所述多个开口金属贴片连接到介质基板，并将介质基板连接到介质支撑上。

本发明提供了一种基于3D结构的频率选择表面吸波器及其设计方法，所述多个开口金属贴片尺寸可以根据设计的吸波通带和选取介质基板的相对介电常数快速计算出来，设计过程简单。并且与多层结构的频率选择表面吸波器相比，具有更理想的频带特性和带内插损，能同时实现通带内高透波，通带外高吸波特性。

附图说明

图1为本发明说明书中一实施例中基于3D结构的频率选择表面吸波器的结构示意图；

图2为本发明说明书中一实施例中基于3D结构的频率选择表面吸波器的实现方法的步骤图；

图3为本发明说明书中一实施例中基于3D结构的频率选择表面吸波器的等效电路图；

图4为本发明说明书中一实施例中介质基板上的多个开口金属贴片的结构示意图；

图5为本发明说明书中一实施例中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6为本发明说明书中一实施例中TM极化波垂直入射条件下的吸收特性和传输特性示意图；

图7为本发明说明书中一实施例中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8为本发明说明书中一实施例中TM极化波垂直入射条件下的吸收特性和传输特性示意图；

图9为本发明说明书中一实施例中将单片旋转90°的示意图；

图10为图9实施TM极化波垂直入射条件下的反射特性/吸收特性和传输特性示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种基于3D结构的频率选择表面吸波器，包括：介质支撑1、连接于所述介质支撑1的介质基板3以及均匀分布于所述介质基板3上的多个开口金属贴片2，设置在每个所述开口金属贴片的间隙中的集总电阻。如图1所示，图1为本发明说明书中一实施例中基于3D结构的频率选择表面吸波器的结构示意图。

在本发明的一个实施例中，所述基于3D结构的频率选择表面吸波器的介质基板上均匀分布有4个开口金属贴片。每个所述开口金属贴片2均与介质基板3形成微带板结构。具体而言，所述微带板结构由介质基板3以及介质基板上层不计厚度的金属层成。

在4个开口金属贴片中，每两个相邻的开口金属贴片之间有第一间隙。

进一步的，对于4个开口金属贴片中的任一个开口金属贴片，均包括：2个U型金属贴片，所述两个U型金属贴片的U型口相对设置，即两个U型金属贴片的U型开口相对，且两个U型金属贴片的U型开口之间设置有第二间隙，如图1所示，两个U型金属贴片形成一个开口方环金属贴片。

更进一步的，对于所述多个开口金属贴片中的任意一个，在两个U型金属贴片中，靠近所述介质基板边缘的U型金属贴片中间有第三间隙，所述集总电阻设置于所述第三间隙中。所述集总电阻包括如图1中所示的第一集总电阻4(R1)、第二集总电阻5(R2)、第三集总电阻6(R3)以及第四集总电阻7(R4)。

在本发明说明书的又一实施例中，所述介质基板为边长6.4mm、厚度为0.1mm的正方体，介质基板的相对介电常数为8；介质支撑采用轻质泡沫，相对介电常数为1.1。

进一步的，本发明说明书一实施例中还提供了一种基于3D结构的频率选择表面吸波器的实现方法，如图2所示，图2为本发明说明书一实施例中基于3D结构的频率选择表面吸波器的实现方法，包括：

依据谐振特性，以及频率选择表面吸波器的所需的吸波频段，确定多个开口金属贴片的尺寸；

调节所述集总电阻的阻值，实现阻抗匹配和吸波功能；

将尺寸确定好的所述多个开口金属贴片连接到介质基板，并将介质基板连接到介质支撑上。

接下来，以两个具体的实施例进行说明。

实施例1

请参照图3，图3为本发明说明书中一个实施例中基于3D结构的频率选择表面吸波器的等效电路图。其中，Za和θa代表等效电路中用来描述传输线的两个参数，其中Za为特征阻抗，θa为电角度。介质基板和开口金属贴片可等效为传输线，开口金属贴片阻可控制其谐振频带。而在开口谐振频带之外，结构对电磁波遮挡及消耗效果都非常微弱，能实现通带透波功能；在谐振频带内，第一集总电阻R1和第二集总电阻R2在前端接收入射波，起着自由空间和频率选择表面吸收器之间的阻抗匹配作用，此外在谐振频带内，第一集总电阻R1和第二集总电阻R2还有消耗电磁能量作用，因此可完成频率选择表面吸收器的吸波功能。在吸波带内，主要能量集中消耗在第一集总电阻R1和第二集总电阻R2处，因此在后端接收入射波的第三集总电阻R3和第四集总电阻R4对吸波效果不会有很大的影响，所以它们主要用来调节匹配，使吸波带更为平稳。

通过改变单个开口金属贴片的尺寸和介质基板的大小及相对介电常数，可调节其谐振频带，进一步得到相应的透波带和吸波带。

通过改变开口金属贴片之间的间隙，可以控制谐振频率间的耦合强度。

通过调节集总电阻的阻值可实现自由空间与频率选择表面吸波器的阻抗匹配，同时集总电阻也消耗电磁能量，完成频率选择表面吸收器的吸波功能；

将尺寸已定好的开口金属贴片和集总电阻连接到介质支撑上，形成元胞，进一步优化频率选择表面吸收器的性能，最后完成设计。

具体的，如图4所示，图4为本发明说明书中开口方环的结构示意图。其中a为方形介质基板的边长，b为方环的内边长，c为开口方环之间的第一间隙，d为开口方环的宽度，e为开口方环的内第二间隙。通过优化介质基板和开口方环金属贴片的尺寸，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：a＝6.4mm，b＝2.9mm，c＝0.1mm，d＝0.1mm，e＝0.12mm，R1＝R2＝100Ω，R3＝R4＝4Ω。

其中，介质基板3的相对介电常数为8，厚度为0.1mm；介质支撑1采用轻质泡沫板，相对介电常数为1.1。这种轻质泡沫板密度小且强度高，在起到有效支撑作用的同时可降低整个频率选择表面吸波器的质量；采用厚度非常薄的胶片将轻质泡沫板、介质基板进行固定，确保粘合牢固且无空气缝隙。

3D结构频率选择表面吸波器与普通2D结构非常接近，但不同的是，这种结构在x、y方向上不具有任何形状变化。由于这种结构在z方向仅仅存在很少的金属结构，对电磁波呈现完全透波的特性，因此该3D结构在非谐振时会具有非常好的透波特性。但是在谐振时，可以通过合理设计集总电阻的阻值，来实现良好的阻抗匹配，降低入射波反射，并且将电磁波能量消耗在集总电阻中，实现良好的吸波特性。

如图5所示，在0-7GHz的频率范围内，插入损耗小于0.5dB，回波损耗大于12dB，可见自由空间阻抗与频率选择表面吸波器阻抗有着良好的匹配，实现了3D结构频率选择表面吸波器超宽带通带内高透波的功能。

如图6和7所示，在11至18GHz的频率范围内，实现了具有超过90％吸收率的超宽带强吸收区域，在0至7GHz的频率范围内，实现了具有超过80％透波率的超宽带高透波区域，该3D结构的频率选择表面吸波器不仅实现了超宽带的通带频段内的高透波，而且还具备了超宽带的通带频段外强吸波的功能。

实施例2

实施例2是基于上述实施例1的3D结构频率选择表面吸波器，上述实施例1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极化波有带内高透波通、带外强吸波的功能，而对TM极化波没有该功能。图7为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8所示，双极化频率选择表面吸波器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9和10所示，反射特性/传输特性示意图和吸收率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吸波器能同时实现双极化通带内高透波，通带外高吸波的功能。

在本发明实施例提供的一种基于3D结构的频率选择表面吸波器及其实现方法中，所述多个开口金属贴片尺寸可以根据设计的吸波通带和选取介质基板的相对介电常数快速计算出来，设计过程简单。并且与多层结构的频率选择表面吸波器相比，具有更理想的频带特性和带内插损，能同时实现通带内高透波，通带外高吸波特性。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，包括：

介质支撑、连接于所述介质支撑的介质基板以及均匀分布于所述介质基板上的多个开口金属贴片，设置在每个所述开口金属贴片的间隙中的集总电阻。

2.如权利要求1所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，每个所述开口金属贴片均与介质基板形成微带板结构。

3.权利要求1所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，每两个相邻的开口金属贴片之间设置有第一间隙。

4.如权利要求1所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，针对所述多个开口金属贴片中的任意一个，包括：两个U型金属贴片，所述两个U型金属贴片的U型口相对设置。

5.如权利要求4所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，所述两个U型贴片之间设置有第二间隙。

6.如权利要求4所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，对于所述多个开口金属贴片中的任意一个，在两个U型金属贴片中，靠近所述介质基板边缘的U型金属贴片上有第三间隙。

7.权利要求6所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，所述集总电阻设置于所述第三间隙中。

8.权利要求1所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器，其特征在于，所述介质基板为边长6.4mm、厚度为0.1mm的正方体，介质基板的相对介电常数为8；介质支撑采用轻质泡沫，相对介电常数为1.1。

9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的基于3D结构的频率选择表面吸波器的实现方法，其特征在于，包括：

依据谐振特性，以及频率选择表面吸波器的所需的吸波频段，确定多个开口金属贴片的尺寸；

调节所述集总电阻的阻值，实现阻抗匹配和吸波功能；

将尺寸确定好的所述多个开口金属贴片连接到介质基板，并将介质基板连接到介质支撑上。

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