CN110943301B - 跨尺度双带通频率选择表面及其周期单元、设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用隐身技术与雷达天线罩技术领域，提供了一种跨尺度双带通频率选择表面的周期单元，所述单元包括方环形缝隙贴片和箭头形缝隙贴片，所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通。通过采用新型复合FSS图案设计跨尺度双带通频率选择表面的周期单元，可以提高两个通带透波率、带宽及角度与极化稳定性，能够保证非倍频关系下的双波段透波天线罩两个工作波段高透波，使在宽角度(0°～50°)照射下依然满足透波与隐身要求。

Description

跨尺度双带通频率选择表面及其周期单元、设计方法

技术领域

本发明属于隐身技术与雷达天线罩技术领域，尤其涉及一种跨尺度双带通频率选择表面及其周期单元、设计方法。

背景技术

随着军事技术的发展，要求进一步提高飞行器打击范围以及精确制导的水平，这对飞行器的关键部件天线罩提出了宽频带透波的要求，它要求能在较宽范围内准确捕获和跟踪目标，既提高了命中精度，同时还降低了抗关机的技术难度和对机载目标定位设备的要求。

现代战场电子对抗手段的日臻复杂，单一体制制导的武器装备将受到严重威胁，采用多模复合寻的制导，充分利用多个传感器共同或联合的优势来提高整个传感器系统的有效性是当前研究的重要方向。

由天线罩、天线及高频部件组成的雷达舱产生“腔体效应”，使飞行器前向雷达散射截面积(RCS)陡然增大，导致飞行器生存能力和突防能力面临严峻挑战，采取有效措施降低其RCS成为提高武器装备隐身性能关键。

最直接最有效的措施就是不让敌方雷达波进入雷达舱，具体做法就是采用频率选择表面(FSS)设计天线罩，使其具有选择透波的特性，也就是对自身雷达透明，对敌方雷达不透明的隐身雷达罩。

在以往的研究中，为了获得FSS多频谐振特性，一般采用单元图形复合技术、图案分形或自相似组合技术，上述设计原理概述为：单元中较大的图形部分或一阶分形部分谐振产生第一个通带，较小图形部分或高阶分形部分谐振产生第二个通带。当两个通带间隔较远时，例如，第一个通带中心波长为厘米量级，第二个通带中心波长为毫米量级，利用复合单元或分形单元将难以获得宽角度照射下的跨尺度双带通FSS，究其原因，双带通FSS周期主要通常由第一个通带的中心波长决定，根据FSS稳定滤波条件：工作波长大于衍射边缘波长(衍射边缘波长与单元周期相关)，对于第二个通带，由第一通带决定的单元周期过大，使第二通带很难满足稳定滤波条件。另外，在宽角度照射下，跨尺度双带通FSS表面感应电流无序性，导致不同图形所产生的谐振模式间存在复杂的相互作用，使FSS极易出现模式互作用零点和栅瓣，影响其滤波特性，尤其在扫描角度较大时，第二个通带难以形成稳定滤波曲线。

在《利用容性栅格与左手单元设计的双波段频率选择表面》文中，利用容性栅格表面与左手材料图案耦合的方法实现了跨尺度双带通的设计效果，但是耦合机理较为复杂、角度使用范围有限。

另外，对于双波段雷达天线罩而言，由于受限于

双波段雷达天线罩两个工作波段的中心频点需要满足倍频条件，然而，大多是多模复合制导雷达并非如此，例如，Ku(12GHz～18GHz)与Ka(27GHz～40GHz)两部雷达复合时，两部雷达中心频点通常为15GHz(2cm)、35GHz(8.57mm)，这就意味着必然牺牲其中一个工作波段的透波性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跨尺度双带通频率选择表面及其周期单元、设计方法，旨在解决现有技术中宽角度(0°～50°)照射下跨尺度双带通频率选择表面两个通带难以稳定滤波的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种跨尺度双带通频率选择表面的周期单元，所述单元包括方环形缝隙贴片和箭头形缝隙贴片，所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通。

优选的，所述方环形缝隙贴片的尺寸由所述单元中第一通带中心频点与带宽确定，所述箭头形缝隙贴片的尺寸由所述单元中第二通带中心频点与带宽确定。

优选的，所述方环形缝隙贴片由一个边长为第一长度的正方形金属贴片布尔操作减去一个边长为第二长度的正方形金属贴片，再布尔操作加上一个边长为第三长度的正方形金属贴片；所述第二长度为所述第一长度减去2倍的所述方环形缝隙贴片的线宽，所述第三长度为所述第一长度减去2倍的所述线宽及2倍的所述方环形缝隙贴片的缝隙宽度。

优选的，四个所述箭头形缝隙贴片由方环缝隙贴片布尔操作减去四组由三个矩形条端点汇聚构成的箭头形贴片得到；四个所述箭头形缝隙贴片的箭头旋转对称且头部均朝向中心设置。

优选的，所述方环形缝隙贴片与所述箭头形缝隙贴片均为金属贴片。

第二方面，本发明提供了一种跨尺度双带通频率选择表面，所述跨尺度双带通频率选择表面包括3×3个如上述第一方面所述的单元组成的阵列。

优选的，所述跨尺度双带通频率选择表面的支撑介质为聚酰亚胺膜。

第三方面，本发明提供了一种跨尺度双带通频率选择表面的设计方法，包括：

建立跨尺度双带通频率选择表面的周期单元；

在所述周期单元的一侧加载支撑介质；

将所述周期单元和所述支撑介质先沿着频率选择表面的长度方向拓扑，然后将拓扑结构沿着频率选择表面的宽度方向拓扑，在所述频率选择表面的长度方向和所述频率选择表面的宽度方向上拓扑的周期相同，形成跨尺度双带通频率选择表面。

优选的，所述建立跨尺度双带通频率选择表面的周期单元的步骤包括：

建立所述单元的方环形缝隙贴片，然后在所述方环形缝隙贴片的四个内边上分别加载箭头形缝隙贴片，并使所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通；

所述方环形缝隙贴片由一个边长为第一长度的正方形金属贴片布尔操作减去一个边长为第二长度的正方形金属贴片，再布尔操作加上一个边长为第三长度的正方形金属贴片；所述第二长度为所述第一长度减去2倍的所述方环形缝隙贴片的线宽，所述第三长度为所述第一长度减去2倍的所述线宽及2倍的所述方环形缝隙贴片的缝隙宽度；

四个所述箭头形缝隙贴片由方环缝隙贴片布尔操作减去四组由三个矩形条端点汇聚构成的箭头形贴片得到；四个所述箭头形缝隙贴片的箭头旋转对称且头部均朝向中心设置；

根据所述跨尺度双带通频率选择表面的第一通带和第二通带确定所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的尺寸。

通过采用新型复合FSS图案设计跨尺度双带通本实施例示出的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元，即方环形缝隙贴片及其四个内边上分别加载箭头形缝隙贴片，并确保两种贴片的缝隙连通，其中，方环形缝隙贴片尺寸决定双带通频率选择表面的第一通带，箭头形缝隙贴片与方环形缝隙贴片的尺寸决定跨尺度双带通频率选择表面的第二通带。由此提高了两个通带透波率、带宽及角度与极化稳定性，能够保证非倍频关系下的双波段透波天线罩两个工作波段高透波，使在宽角度(0°～50°)照射下依然满足透波与隐身要求。

附图说明

图1是本发明实施例一示出的的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元的示意图。

图2是本发明实施例一示出的的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元中矩形贴片的示意图。

图3是本发明实施例一示出的的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元中感应电流的流动方向示意图。

图4是实施例二示出的跨尺度双带通频率选择表面的示意图。

图5是实施例三示出的跨尺度双带通频率选择表面的设计方法实现流程图。

图6是一种现有双带通FSS的结构示意图。

图7是图6示出的双带通FSS(分形FSS图案)的设计结果示意图。

图8是本发明实施例示出的跨尺度双带通FSS的频响特性曲线示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出本实施例提供的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元的示意图。如图1所示，本实施例提供的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元包括方环形缝隙贴片和箭头形缝隙贴片，所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通。

方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通，获得跨尺度双带通频率选择表面。

根据FSS电磁谐振原理，当波长与缝隙结构尺寸一致时产生最强电磁谐振，并形成一个通带。

所述方环形缝隙贴片的尺寸由所述单元中第一通带中心频点与带宽确定，所述箭头形缝隙贴片的尺寸由所述单元中第二通带中心频点与带宽确定。

具体的，所述方环形缝隙贴片由一个边长为第一长度的正方形金属贴片布尔操作减去一个边长为第二长度的正方形金属贴片，再布尔操作加上一个边长为第三长度的正方形金属贴片；所述第二长度为所述第一长度减去2倍的所述方环形缝隙贴片的线宽，所述第三长度为所述第一长度减去2倍的所述线宽及2倍的所述方环形缝隙贴片的缝隙宽度。四个箭头形缝隙贴片由方环缝隙贴片布尔操作减去四组由三个矩形条端点汇聚构成的箭头形贴片得到；所述箭头形缝隙贴片中，四个箭头旋转对称且头部均朝向中心设置。

例如，周期T，方环形缝隙贴片线宽为W_1、缝隙为S_1，箭头形缝隙贴片的尺寸为L_1、L_2、S_2。方环形缝隙贴片由一个边长为T正方环贴片布尔操作减去一个边长为T-W_1*2的正方环贴片在布尔操作加上一个边长为T-S_1*2-W_1*2的正方环贴片。箭头形缝隙贴片首先按照图2所示的方法组合三个矩形贴片，其特征尺寸包括L_1，L_2以及S_2，然后，由方环缝隙贴片布尔操作减去图2所示的四个矩形贴片。

可选的，方环形缝隙贴片与所述箭头形缝隙贴片均为金属贴片。

通常的，由于FSS单元中的磁响应，导致其表感应电流分布处于无序状态，因此，跨尺度双带通FSS设计难题是如何使其表面感应电流在宽角度照射下始终保持有序状态，本实施例中，如图3所示，虚线表示感应电流的流动方向，根据右手螺旋定则，该图案上感应电流形成的总磁通量为零，根据Lorentz型电超材料的双回路镜像对称设计原理，当两个镜像对称的回路电流相反，电谐振器结构的总磁通量为零，进而抑制结构的磁响应。

可选的，跨尺度双带通频率选择表面第一通带中心波长为厘米量级，第二通带中心波长为毫米量级，跨尺度两个通带中心频点对应的第一第二波长在厘米或者毫米量级内。

可选的，在确定跨尺度双带通频率选择表面的周期单元的特征参数时，可采用全波分析方法软件，例如CST、HFSS等，完成第一个通带为厘米波长、第二个通带为毫米波长的跨尺度双带通频率选择表面中周期单元的设计。

根据两个通带的中心频点、带宽确定频率选择表面周期大小，根据第一个通带中心频点与带宽确定方环缝隙图案边长、缝隙宽度，根据第二个通带中心频点与带宽确定箭头形缝隙图案尺寸。

中心频点、带宽与FSS周期大小、图案几何结构尺寸是一个多参量、多目标的设计关系，变量与目标之间无法解析式描述，通常采用全波分析方法进行数值求解，这是一个反复迭代的优化设计过程，数值求解过程中存在定性关系，即第一频点对应波长的一半值为FSS周期大小，方环缝隙图案周长大小约为第一个频点对应的波长值，箭头形缝隙图案周长约为第二个频点对应的波长值。缝隙宽度是用来调整谐振频点，缝隙变小谐振频点高飘移，反之则向低频飘移。FSS周期大小也可以用来调整带宽，即周期变大带宽变小，反之带宽变大。

因此，通过采用新型复合FSS图案设计跨尺度双带通本实施例示出的跨尺度双带通频率选择表面的周期单元，即方环形缝隙贴片及其四个内边上分别加载箭头形缝隙贴片，并确保两种贴片的缝隙连通，其中，方环形缝隙贴片尺寸决定双带通频率选择表面的第一通带，箭头形缝隙贴片与方环形缝隙贴片的尺寸决定跨尺度双带通频率选择表面的第二通带。由此提高了两个通带透波率、带宽及角度与极化稳定性，能够保证非倍频关系下的双波段透波天线罩两个工作波段高透波，使在宽角度(0°～50°)照射下依然满足透波与隐身要求。

实施例二：

图4为实施例二示出的跨尺度双带通频率选择表面的示意图。实施例二示出的跨尺度双带通频率选择表面包括3×3个如实施例一所述的周期单元组成的阵列。

可选的，跨尺度双带通频率选择表面还可以是由如实施例一所述的周期单元组成的其他类型阵列，在此不进行一一描述。

可选的，跨尺度双带通频率选择表面以支撑介质固定，支撑介质为聚酰亚胺膜。例如，支撑介质选用0.025mm厚的聚酰亚胺膜，其相对介电常数εr＝3，损耗角正切值tanδ＝0.005。

实施例三：

图5为实施例三示出的跨尺度双带通频率选择表面的设计方法实现流程图。通过实施例三示出的跨尺度双带通频率选择表面的设计方法实现流程图，进行如实施例一所述周期单元及实施例二所述跨尺度双带通频率选择表面的设计。

为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

步骤S110，建立跨尺度双带通频率选择表面的周期单元；

步骤S120，在所述周期单元的一侧加载支撑介质；

步骤S130，将所述周期单元和所述支撑介质先沿着频率选择表面的长度方向拓扑，然后将拓扑结构沿着频率选择表面的宽度方向拓扑，在所述频率选择表面的长度方向和所述频率选择表面的宽度方向上拓扑的周期相同，形成跨尺度双带通频率选择表面。

所述方环形缝隙贴片由一个边长为第一长度的正方形金属贴片布尔操作减去一个边长为第二长度的正方形金属贴片，再布尔操作加上一个边长为第三长度的正方形金属贴片；所述第二长度为所述第一长度减去2倍的所述方环形缝隙贴片的线宽，所述第三长度为所述第一长度减去2倍的所述线宽及2倍的所述方环形缝隙贴片的缝隙宽度；

四个所述箭头形缝隙贴片由方环缝隙贴片布尔操作减去四组由三个矩形条端点汇聚构成的箭头形贴片得到；四个所述箭头形缝隙贴片的箭头旋转对称且头部均朝向中心设置。

具体的，建立跨尺度双带通频率选择表面的周期单元时，先建立所述单元的方环形缝隙贴片，然后在所述方环形缝隙贴片的四个内边上分别加载箭头形缝隙贴片，并使所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通；进而根据所述跨尺度双带通频率选择表面的第一通带和第二通带确定所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的尺寸。

在一具体的示例性实施例中，假设跨尺度双带通频率选择表面的两个通带中心频点分别为14.8GHz、34.8GHz，在0°～50°入射角范围内，两个通带透过率均达到99％。通常采用图6所示的现有双带通FSS设计技术，其中，a为分形(Y)双带通FSS图案，b为方环缝隙复合双带通FSS图案，c为圆形缝隙复合Y形缝隙双带通FSS图案，d为六边形缝隙复合Y形缝隙双带通FSS图案。

以分形FSS图案为例，其设计结果通常呈现为图7所示，采用分形技术设计双带通频率选择表面，在30°照射下，双带通频率选择表面便出现了第二通带无法有效谐振，即透波率低、无稳定工作通带，这说明了现有双带通频率选择表面存在的技术问题，双带通FSS的第二个通带难以满足透波要求。

而本实施例性实施例中，首先明确跨尺度双带通FSS的支撑介质，本实施例选用0.025mm厚的聚酰亚胺膜，其相对介电常数εr＝3，损耗角正切值tanδ＝0.005；然后，确定跨尺度双带通FSS几何特征参数，包括：周期T，方环缝隙图案金属线宽W_1，方环缝隙S_1，箭头形缝隙图案尺寸L_1、L_2、S_2。

当完成上述工作之后，采用任意一款全波分析软件例如CST、HFSS便可以根据上述技术指标优化出最佳的特征参数，特征参数大小分别为：

T＝3.07mm、W_1＝0.15mm、S_1＝0.17mm、L_1＝1.4mm、L_2＝1.1mm、S_2＝0.17。

采用全波分析方法数值求解谐振频点、带宽、谐振频点透过率，依据多参量、多目标的优化设计关系，经过反复迭代优化，确定特征参数大小。综合考虑优化目标，即谐振频点、带宽以及谐振频点透过率，给出该目标下的最优特征参数，但是数值解并不唯一，而是一个最优解集合。

分别在垂直照射与倾斜50°照射下，计算跨尺度双带通FSS的频响特性曲线，结果如图8所示。该图表明本发明实施例示出的双带通频率选择表面两个通带分别处于厘米波长量级与毫米波长量级，而且在两种极化下、0°～50°照射下，双带通频率选择表面谐振频点稳定，且透波率接近100％。

最后，完成跨尺度双带通FSS制作与测试，其制作工艺流程将遵循标准的印刷线路板工艺，测试方法采用标准的自由空间法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种跨尺度双带通频率选择表面的周期单元，其特征在于，所述单元包括方环形缝隙贴片和箭头形缝隙贴片，所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通；所述方环形缝隙贴片的尺寸由所述单元中第一通带中心频点与带宽确定，所述箭头形缝隙贴片的尺寸由所述单元中第二通带中心频点与带宽确定；

所述方环形缝隙贴片由一个边长为第一长度的正方形金属贴片布尔操作减去一个边长为第二长度的正方形金属贴片，再布尔操作加上一个边长为第三长度的正方形金属贴片；所述第二长度为所述第一长度减去2倍的所述方环形缝隙贴片的线宽，所述第三长度为所述第一长度减去2倍的所述线宽及2倍的所述方环形缝隙贴片的缝隙宽度；

四个所述箭头形缝隙贴片由方环形缝隙贴片布尔操作减去四组由三个矩形条端点汇聚构成的箭头形贴片得到；四个所述箭头形缝隙贴片的箭头旋转对称且头部均朝向中心设置。

2.如权利要求1所述的单元，其特征在于，所述方环形缝隙贴片与所述箭头形缝隙贴片均为金属贴片。

3.一种跨尺度双带通频率选择表面，其特征在于，所述跨尺度双带通频率选择表面包括3×3个如上述权利要求1-2任一项所述的单元组成的阵列。

4.如权利要求3所述的跨尺度双带通频率选择表面，其特征在于，所述跨尺度双带通频率选择表面的支撑介质为聚酰亚胺膜。

5.一种跨尺度双带通频率选择表面的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

建立跨尺度双带通频率选择表面的周期单元；

在所述周期单元的一侧加载支撑介质；

将所述周期单元和所述支撑介质先沿着频率选择表面的长度方向拓扑，然后将拓扑结构沿着频率选择表面的宽度方向拓扑，在所述频率选择表面的长度方向和所述频率选择表面的宽度方向上拓扑的周期相同，形成跨尺度双带通频率选择表面；

所述建立跨尺度双带通频率选择表面的周期单元的步骤包括：

建立所述单元的方环形缝隙贴片，然后在所述方环形缝隙贴片的四个内边上分别加载箭头形缝隙贴片，并使所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的缝隙连通；

所述方环形缝隙贴片由一个边长为第一长度的正方形金属贴片布尔操作减去一个边长为第二长度的正方形金属贴片，再布尔操作加上一个边长为第三长度的正方形金属贴片；所述第二长度为所述第一长度减去2倍的所述方环形缝隙贴片的线宽，所述第三长度为所述第一长度减去2倍的所述线宽及2倍的所述方环形缝隙贴片的缝隙宽度；

四个所述箭头形缝隙贴片由方环缝隙贴片布尔操作减去四组由三个矩形条端点汇聚构成的箭头形贴片得到；四个所述箭头形缝隙贴片的箭头旋转对称且头部均朝向中心设置；

根据所述跨尺度双带通频率选择表面的第一通带和第二通带确定所述方环形缝隙贴片和所述箭头形缝隙贴片的尺寸。

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