CN111224242A - 具有各向异性透波带的吸波与透波一体化频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有各向异性透波带的吸波与透波一体化频率选择表面。技术方案是：包括周期性设置的FSS单元，每个FSS单元均相同；每个FSS单元包括三层结构，分别为：第一层、第二层和第三层。其中，第一层包括介质板(1)，介质板上表面的中心为金属贴片(2)，金属贴片(2)的形状为圆形，金属贴片(2)具有一个圆环缝隙(3)，圆形缝隙(3)内部具有4条呈射线状缝隙(4)，每条射线状缝隙(4)与圆环缝隙(3)相连；在金属贴片(2)的周围是均匀排布的金属条带(5)，每个金属条带(5)通过电阻(6)与金属贴片(2)相连；第二层为空气夹层(7)；第三层为透波层(8)。本发明不仅可以实现各向异性的透波带，并且在透波带外还可以产生吸波特性。

Description

具有各向异性透波带的吸波与透波一体化频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁周期结构技术领域，涉及吸波与透波一体化FSS(FrequencySelective Surface，频率选择表面)设计。
背景技术
FSS是一种能够实现空间电磁波调控的有效手段。已经被广泛地被应用于雷达和通信系统中。具有高透过率的FSS可以被用作天线罩等领域，具有高反射率的FSS可以应用于电磁防护，电磁屏蔽等领域。所以设计具有各种不同特性的FSS是微波领域的一个重要研究和发展方向。同时具有吸波和透波特性的FSS，即吸波与透波一体化FSS通常被应用于隐身天线罩的设计，近年来吸引了众多学者的关注。
在雷达和通信系统中，极化是一个重要的信息。极化抗干扰技术，极化雷达成像技术先后都被学者提出来。所以一款具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS,可以满足学者对于极化信息的需求。而具有极化各异透波特性的吸波与透波一体化FSS至今还没有人提出来。
吸波与透波一体化FSS的研究很多。但是，参考文献一(M.Guo,Q.Chen,Z.Sun,D.Sang, and Y.Fu,"Design of Dual-Band Frequency-Selective Rasorber,"IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,vol.18,pp.841-845,2019.)，以及参考文献二(M.Guo,Y.Lin,T.Guo,Q. Chen,Y.Zheng,and Y.Fu,"Frequency-selective rasorberwith two low insertion loss transmission bands,"International Journal of RFand Microwave Computer-Aided Engineering,2019-11-24 2019.)均公开的是一种单极化方式下的双透波带的吸波与透波一体化FSS。参考文献三(M. Guo,Q.Chen,D.Sang,Yuejun Zheng and Y.Fu,"Dual-Polarized Dual-band Frequency Selective Rasorberwith Low Insertion Loss,"IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.1,pp. 1-1,2019.)对参考文献二进行了双极化优化设计，实现了双极化双透波带的FSS，但是这种 FSS在两种极化方式下的透波特性相同。对于在不同极化，透波带工作在不同频率的吸波与透波一体化FSS，至今还没有学者和相关结构提出。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS，这种FSS的特点是不同极化方式下，透波带的工作频率不同。
本发明的技术方案是：一种具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS，包括周期性设置的FSS单元，每个FSS单元均相同；
每个FSS单元包括三层结构，分别为：第一层、第二层和第三层。
其中，第一层包括介质板(1)，介质板上表面的中心为金属贴片(2)，金属贴片(2)的形状为圆形，金属贴片(2)具有一个圆环缝隙(3)，圆形缝隙(3)内部具有4条呈射线状缝隙(4)，每条射线状缝隙(4)与圆环缝隙(3)相连；在金属贴片(2)的周围是均匀排布的金属条带(5)，每个金属条带(5)通过电阻(6)与金属贴片(2)相连；第二层为空气夹层(7)；第三层为透波层(8)。
本发明具有以下有益效果：本发明公开了一种具有各向异性透波带的吸波与透波一体化 FSS，该结构不仅可以实现各向异性透波带，并且在透波带外还可以产生吸波特性，全波仿真实验证明了上述结论。本发明相比现有的技术，透波带具有各向异性特征。值得强调的是，具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS是首次公开。
附图说明
图1为本发明提供的具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS立体结构示意图；
图2为本发明提供的吸波与透波一体化FSS的单元结构立体图和第一层的结构示意图；
图3为本发明提供的吸波与透波一体化FSS的第三层的结构示意图；
图4为本发明提供的吸波与透波一体化FSS反射与传输曲线、吸波率曲线；
图5为本发明提供的吸波与透波一体化FSS在平行极化波斜入射情况下的性能曲线；
图6为本发明提供的吸波与透波一体化FSS在垂直极化波斜入射情况下的性能曲线。
具体实施方式
本具体实施方式公开了一种各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS，如图1，包括一个3*3个单元的立体结构示意图。在实际应用中，本发明提供的FSS的单元数无限定，数目根据需要确定。图2为本发明提供的吸波与透波一体化FSS的单元结构立体图和第一层的结构示意图，其中包括介质板(1)，介质板上表面的中心为金属贴片(2)，金属贴片上面具有一个圆环缝隙(3)，圆形缝隙内部具有有4条呈射线状缝隙(4)，每条射线状缝隙(4)与圆环缝隙(3)相连；在金属贴片的周围是均匀排布的金属条带(5)，每个金属条带通过电阻(6)与金属贴片(2)相连。图3为本发明提供的吸波与透波一体化FSS的第三层的结构示意图，该结构在垂直和水平方向上的缝隙长度不一致，用于匹配第一层在不同极化方向的透波带。其中第一层中心的金属贴片(2)是本发明的核心，其主要用于实现FSS的各向异性透波带。在金属贴片(2)边缘延伸出4个相对较宽的金属条带(5)，及其连接的电阻(4)用于透波带外的宽带吸波特性设计，其中电阻值的大小和空气夹层的厚度，可以根据吸波带的需求设计。此外，本发明提供的FSS涉及的介质板，其材料为本领域公知常识，如可以采取罗杰斯4350B。
本发明涉及的组件的尺寸，如金属贴片(2)中圆的直径，圆环(3)的直径，缝隙(4)的尺寸与距离圆心的距离、金属条带(5)的宽窄和长度，均可根据实际情况确定。
图4至图6是进行仿真实验的结果。实验中采用的FSS的参数如下：介质板(1)的表面为边长18mm的正方形，第二层的空气夹层(7)的厚度为5.5mm，FSS整体的厚度为6.5mm。所有介质板均采用相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037，厚度为0.508mm的罗杰斯4350B板材。电阻(6)大小都是243欧姆，金属条带(5)的长度为6.0mm。
图4公开本发明的传输系数和吸波率与频率之间的关系曲线，其中横坐标为频率，左侧纵坐标表示吸波率，右侧纵坐标表示传输系数。平行极化波和垂直极化波的吸波率是分别标记有圆形和三角形符号的曲线。平行极化波和垂直极化波的吸波率是分别标记有菱形和五角星符号的曲线。从图中可以看出本发明具有各向异性透波带，透波带在平行极化和垂直极化下分别工作在10.4GHz和11.4GHz，且两个透波带都被吸波带包裹在中间位置。在平行极化下，吸波率>80％的频段为:6.26GHz-9.58GHz和11.46GHz-14.06GHz；在垂直极化下，吸波率>80％的频段为:6.35GHz-10.42GHz和12.69GHz-14.64GHz。对比已经公开的吸波与透波一体化FSS，本发明公开的吸波与透波一体化频率选择表面各向异性透波带。值得强调的是，本发明首次提出了具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS。
图5和图6分别为该结构在平行极化波和垂直极化波斜入射情况下的反射和透射曲线，其中横坐标为频率，左侧纵坐标表示吸波率，右侧纵坐标表示传输系数。图5和图6中吸波率在0度、10度、20度和30度的曲线标号分别为：正方形、圆形、向上的三角形和向下的三角形；传输系数在0度、10度、20度和30度的曲线标号分别为：菱形、向左的三角形、向右的三角形和五角星。图5和图6中可以看出，本发明提供的结构,在斜入射角度小于30 度的情况下，透波带性能相对稳定。
下面对本设计的各向异性透波机理进行解释：由于该结构中的空气夹层(7)对电磁波几乎没有损耗作用，只是起到将第一层和第三层(8)分隔开来的作用。对于透波带要求第一层和第三层都具有各向异性透波特性。对于第一层结构，其各向异性透波特性的实现主要依靠金属贴片(2)实现。该结构在不同的极化方向上，缝隙(4)之间的角度不同，实现了具有各向异性的透波带。对于第三层结构主要用来和空气夹层上方结构的透波带进行匹配。在透波带外，该结构展现的是全反射特性。

Claims (1)

1.一种具有各向异性透波带的吸波与透波一体化FSS，包括周期性设置的FSS单元，每个FSS单元均相同；其特征在于，
每个FSS单元包括三层结构，分别为：第一层、第二层和第三层；
其中，第一层包括介质板(1)，介质板上表面的中心为金属贴片(2)，金属贴片(2)的形状为圆形，金属贴片(2)具有一个圆环缝隙(3)，圆形缝隙(3)内部具有4条呈射线状缝隙(4)，每条射线状缝隙(4)与圆环缝隙(3)相连；在金属贴片(2)的周围是均匀排布的金属条带(5)，每个金属条带(5)通过电阻(6)与金属贴片(2)相连；第二层为空气夹层(7)；第三层为透波层(8)；
上述FSS是指频率选择表面。
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