CN111342240B - 基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体及其应用 - Google Patents

基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体及其应用。本发明克服了现有微波吸波体均需要金属反射背板的局限性。本发明利用了沿电磁波传播方向的金属缝隙提供的谐振模式，因此不需要金属背板。同时还采用耦合金属线将金属缝隙中的电磁场耦合到该金属线上由电阻进行吸收。本发明具备吸波频带宽，结构简单，易于加工和组装，重量轻的优点。此外本发明提出的新型微波吸波体对一个极化的电磁波(电场平行于缝隙所在平面)带内吸收带外反射，而对另一个极化的电磁波全频段透射。该特点使得由该微波吸波体构成的天线罩可被广泛应用于各种单极化天线(天线极化方向垂直于吸波体的缝隙所在平面)，从而有效降低天线的雷达散射截面。

Description

基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体及其应用
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种基于三维耦合缝隙结构的微波吸波体及其在低雷达散射截面(RCS)天线罩中的应用，对一个极化的电磁波(电场平行于缝隙)带内吸收带外反射，而对另一个极化的电磁波全频段透射。
背景技术
微波吸波体(Microwave Absorber)是一种能有效吸收入射电磁波并减低其反射的一类电磁结构。它在军用目标的雷达散射截面缩减和电磁兼容等领域有着广泛的应用。
现有的微波吸波体大部分是二维结构，其中最典型的就是电路模拟吸波体(Circuit AnalogAbsorber,CAA)，其通常是由金属背板及其前方的电阻加载的频率选择表面构成，具备重量轻的优点，但通常它比较厚，吸波频带较窄。除此之外也有少量的三维吸波体，不同于二维结构，这一类吸波体通过在纵向(电磁波传播方向)构建基于微带线或者平行板波导的有耗谐振器来实现吸波。如果在一个周期结构内实现多个有耗谐振器或者一个多模谐振器，就可以实现宽带吸波。但三维结构相对复杂，结构组装的误差较大，且加工成本较高。此外，以上所有的微波吸波体均需要金属反射背板。
发明内容
本发明的目的是为了解决以往微波吸波体均需要金属反射背板的局限性，提出了一种基于三维耦合缝隙结构的新型微波吸波体。该微波吸波体利用了沿电磁波传播方向的金属缝隙提供的谐振模式，因此不需要金属背板。该微波吸波体对于极化平行和垂直于金属缝隙的入射电磁波具有吸收和透射两种不同的响应，因此当其作为天线罩使用时，若天线的极化垂直于金属缝隙，则天线罩对于天线几乎无影响，却可以吸收入射的另一个极化的电磁波，从而起到降低天线的RCS的效果。
此外，该微波吸波体还采用了U型耦合金属线将金属缝隙中的电磁场耦合到该金属线上由电阻进行吸收。相比于直接将电阻加载在金属缝隙开口端，该方法有效地拓展了吸波带宽。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于三维耦合缝隙结构的微波吸波体是周期性结构，每个结构单元沿着y轴方向无缝排布，沿着x轴方向以间隔12mm的周期排布。每个周期结构单元沿着x轴方向依次包括金属层、介质基板、耦合金属线；
所述金属层位于介质基板的一侧，金属层开有一端开放的金属缝隙，金属缝隙的开放端边缘与介质基板边缘对齐，且金属缝隙的开放端处设有一阶梯型收窄结构，金属缝隙的长度和宽度可根据实际吸波频段的需求进行选择。
所述耦合金属线位于介质基板的另一侧，为倒置的U形结构，具体由两段等长且相互平行的z轴向金属线，一段y轴向金属线组成。
耦合金属线的U形封闭端朝向金属缝隙的开放端。
位于耦合金属线的y轴向金属线正中心位置嵌入电阻。耦合金属线将金属缝隙中的电磁场耦合到该金属线上由电阻进行吸收。
所述的金属缝隙中心、耦合金属线的中心位于本发明吸波体z轴向中轴线上。
耦合金属线的y轴向金属线部分横跨金属缝隙，两根z轴向金属线落在金属层非金属缝隙的相对位置。
耦合金属线的y轴向金属线距离单元顶端(即介质基板的金属缝隙开放端所在一侧)距离为5mm。该位置决定了从金属缝隙到金属线的耦合强度，因此影响着该吸波体的输入阻抗，进而决定了对入射电磁波的吸波率。
作为优选，介质基板的介电常数为3.48。
作为优选，介质基板的厚度为0.508mm。
作为优选，金属缝隙的长度lc和宽度wc以及在开放端处末端的长度lc1和宽度wc1可根据实际吸波频段的需求进行选择，长度lc可以为15mm，约为吸波带中心频率波长的0.3倍，宽度wc可以为5mm，实现其吸波带(2.60GHz到9.32GHz)内反射率(|S11|)低于-10dB。
作为优选，耦合金属线中的y轴向金属线长度和z轴向金属线长度可根据实际吸波频段的需求进行选择，其中y轴向金属线长度可以为8mm，两条z轴向金属线长度可以为7mm，约为吸波带中心频率波长的0.16倍。
作为优选，嵌在耦合金属线上的电阻大小可以根据实际吸波频段的反射系数的需求，通过仿真软件优化进行选择，本实例中采用的电阻为220欧姆。
此外，本发明还提供了该三维耦合缝隙结构的微波吸波体的应用实例，即作为单极化天线的低RCS天线罩。此处的天线形式和频段不限。
作为天线罩时，本三维耦合缝隙结构的微波吸波体每个结构单元沿着y轴方向无缝排布，沿着x轴方向以间隔12mm的周期排布。在本发明的应用实例中吸波体的结构单元沿x轴方向排布个数为30，沿着y轴方向的排布个数为24，即组成30×24的单元结构阵列，阵列下方25mm处放置本实例二中的天线。另外吸波体结构单元具体沿x、y方向的周期个数以及距离天线的距离由实际应用需要可进行调整。
具体工作原理：
当TE极化的电磁波入射到吸波体上，由于电场方向平行于缝隙方向(y方向)，因此会激励起金属缝隙中沿y方向的电场。该电场会通过耦合激励起介质基板另一侧横跨在缝隙上的U形金属线上的电流。由于该金属线中间嵌入了电阻，电流流过电阻时，若阻抗匹配恰当，入射电磁波的能量可几乎完全被该电阻吸收。由于电阻是加载在U形金属线上，经过了耦合后，原本缝隙的单谐振会被拓展成双谐振，因此该方案的带宽相比于电阻直接加载在缝隙开口端的方案，带宽得到了有效的拓展。
当TM极化的电磁波入射到吸波体上，由于电场方向(x方向)垂直于缝隙方向，因此缝隙中无法激励起电场，U形金属线上也无法激励起电流，故电阻无法消耗电磁波的能量。另一方面，由于入射电磁波电场方向垂直于构成缝隙的金属表面，因此这些金属面的存在对于电磁波不会产生任何反射。因此TM极化的电磁波可以无耗通过该吸波体，换句话说，该吸波体对于TM极化的电磁波几乎是透明的。
上述的TE极化的电磁波表示向z轴负方向入射且电场方向与y轴平行的电磁波；TM极化的电磁波表示向z轴负方向入射且电场方向与x轴平行的电磁波。
本发明具备吸波频带宽，结构简单，易于加工和组装，重量轻的优点。此外，与传统的只存在带内吸收和带外反射两种状态的微波吸波体不同，本发明提出的新型微波吸波体对一个极化的电磁波(电场平行于缝隙)带内吸收带外反射，而对另一个极化的电磁波全频段透射。这种全新的性能使其可以用于众多单极化天线的低RCS天线罩。
附图说明
图1是本发明的单元结构的三维示意图；
图2是本发明的单元结构的正面示意图；
图3是本发明的单元结构的背面示意图；
图4是本发明的单元结构在TE极化电磁波正入射时的S参数仿真结果；
图5是本发明的单元结构在TM极化电磁波正入射时的S参数仿真结果；
图6是本发明的单元结构在TE极化电磁波正入射时的电磁波吸收率；
图7、图8分别是本发明单元结构在x-z面
Figure GDA0002956596040000031
和y-z面
Figure GDA0002956596040000032
对应于不同角度的入射电磁波S参数仿真结果；
图9是本发明结合天线的应用实例示意图；
图10是本发明实例二中单极化天线的三维示意图；
图11是本发明实例二中单极化天线的侧视图；
图12是本发明实例二中宽带单极化天线自身和加入天线罩后的电压驻波比(VSWR)。
图13到图16是本发明实例二中宽带单极化天线自身和加入天线罩两种情况下，在0.73GHz、1.5GHz、2GHz、2.6GHz频率时xoz面和yoz面的方向图；
图17是本发明实例二中宽带单极化天线自身以及天线加入天线罩后的雷达散射截面(RCS)的对比。
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。
实施例一
基于三维耦合缝隙结构的微波吸波体是周期性结构，每个结构单元沿着y方向无缝排布，沿着x轴以间隔12mm的周期排布。
如图1、图2、图3所示，本发明的微波吸波体的单元结构沿着x轴方向依次由开有金属缝隙4的金属层、介质基板3、U形耦合金属线2组成及嵌在耦合金属线上的电阻1。
所述的介质基板长为18mm，宽为12mm，厚度为0.508mm。
所述的金属缝隙宽为5mm，长为15mm，上述金属缝隙为一端开放，一端封闭结构，其中开放端末端设有阶梯型收窄结构，其开放端末端宽度为2mm，长度为1mm。
所述的U形耦合金属线由两段等长且相互平行的z轴向金属线，一段y轴向金属线组成。y轴向金属线长度为8mm，两条z轴向金属线长度为7mm，耦合金属线的线宽均为1mm。
所述的U形耦合金属线的y轴向金属线正中心位置嵌入电阻，其阻值为220欧姆。
具体结构几何参数如下：
其中l和w为介质基板3的长度和宽度，h为介质基板3的厚度，lc和wc为金属缝隙4的长度和宽度，wc1为金属缝隙4开放端收窄末端的宽度，lc1为金属缝隙4开放端收窄末端的长度，ly和lz分别为U形耦合金属线中y轴向金属线长度和两条z轴向金属线长度，wu为U形耦合金属线的宽度，R为嵌在y轴向耦合金属线中心的电阻阻值。
表1本发明实施例1的各结构参数
l(mm) 18 w(mm) 12
h(mm) 0.508 l<sub>c</sub>(mm) 15
w<sub>c</sub>(mm) 5 w<sub>c1</sub>(mm) 2
l<sub>c1</sub>(mm) 1 l<sub>y</sub>(mm) 8
l<sub>z</sub>(mm) 7 w<sub>u</sub>(mm) 1
R(Ω) 220
图4、图5、图6、图7、图8为该三维耦合缝隙结构的微波吸波体的仿真结果。图4为TE极化电磁波正入射的反射和透射系数仿真结果，可以看到，该结构具有一个从2.60GHz到9.32GHz的吸波带(|S11|≤-10dB)。图5为TM极化电磁波正入射的反射和透射系数仿真结果，可以看到该结构对TM极化电磁波几乎没有吸收和反射，该微波吸波体对于TM极化的电磁波几乎是透明的。图6为吸波率随频率的变化，很显然在吸波带内的吸波效率高达90％以上，吸波效果极好。图7和图8为该三维耦合缝隙结构的微波吸波体在TE极化电磁波斜入射情况下的仿真结果，仿真结果表明该三维耦合缝隙结构的微波吸波体在电磁波斜入射的情况下性能稳定，在入射角度达到45度的情况下，依然可以表现出良好的吸波性能。
实施例二
图9展示了本发明提出的基于三维耦合缝隙结构的微波吸波体的一个典型应用，即作为一种线极化天线的天线罩，以实现该天线的RCS的缩减，实现隐身性能。该天线是一种宽频带、定向辐射(主辐射方向为+z方向)的偶极子天线，其极化沿y轴方向。天线罩放置于天线上方，二者间隔为20mm。入射电磁波沿-z轴方向传播，电场方向沿x轴方向。天线罩由24×30个实例一中的微波吸波体单元结构组成，每个结构单元沿着y轴方向无缝排布(24个单元)，沿着x轴方向以12mm的间隔周期排布(30个单元)。
如图10和11所示的本实例中的宽带线极化天线，从下至上依次由SMA接头、金属反射板5、同轴电缆6、金属柱7、金属偶极子8、金属连接片10、以及最上方的寄生金属板9组成。
金属偶极子8由两个关于xz面对称的六边形振子构成；且两个六边形振子之间间距为W1。六边形振子由一个等腰梯形和矩形构成，两个六边形振子等腰梯形的较短对边关于xz面对称。
同轴电缆6一端贯穿金属反射板5与SMA接头连接，另一端穿过金属偶极子8的左侧振子，其外导体与该左侧振子焊接，内导体继续向上延伸并与金属连接片10连接；金属柱7一端与金属反射板5连接，另一端贯穿金属偶极子8的右侧振子并继续延伸与金属连接片10连接；寄生金属板9与金属偶极子8间留有空气腔；
金属反射板沿x轴方向的宽为240mm，沿y轴方向长为300mm；
同轴电缆6的半径2.08mm，长度为57mm。
金属柱7半径为2.08mm，长度为57mm。
连接同轴线和金属柱的金属连接片10沿x轴方向的宽为6mm，沿y轴方向长为16mm，厚度为1mm。
两个六边形金属偶极子为关于xz面对称，其中一个偶极子与y轴平行的两条边长为43.5mm，与x轴平行的两条边长为60mm和24mm，两条斜边长(即等腰梯形的腰长)为24.75mm。
寄生金属片沿x轴方向的长为80mm，沿y轴方向宽为47mm。
金属连接片10距离金属偶极子8的距离为3.5mm，寄生金属板9距离金属偶极子8的距离为13mm，金属偶极子距离下方金属反射板的距离为53.5mm。
具体结构几何参数如下：
其中gl和gw为下方接地板5沿y轴方向的长度和沿x轴方向的宽度，R1为沿y轴正方向的同轴电缆6的半径，Hf1为金属偶极子距离下方金属反射板的距离，Cl和Cw为连接同轴电缆6和金属柱的金属连接片10的沿y轴方向的长度和沿x轴方向的宽度，Ch为连接同轴电缆6和金属柱的金属连接片10的厚度，Ax和Sw为金属偶极子8与x轴平行的短边和长边长度，Ay为金属偶极子8与y轴平行的两条边长，Al为金属偶极子8的两条斜边长。H1为金属连接片10距离金属偶极子8的距离，H2为寄生金属板9距离金属偶极子8的距离，W1为两个金属偶极子8的间距，W2为同轴电缆6与金属柱7的间距。
Figure GDA0002956596040000061
Figure GDA0002956596040000071
值得说明的是，本实例中的天线仅作为天线罩的一个应用实例进行说明。
图12给出了本实例中的天线单独状态和加入天线罩以后的电压驻波比(VSWR)的对比。可以看到，在没有天线罩时，该天线的VSWR≤3的工作频段为0.77GHz到2.6GHz，对应着3.37倍频程。当加入天线罩后，VSWR≤3的工作频段为0.72GHz到2.64GHz，对应着3.67倍频程。从图12中我们明显看到，天线罩的加入拓展了天线的工作带宽。
图13到图16是本实例中的天线在工作频段内的不同频点，有/无天线罩的两种情况下的辐射方向图的对比。可以看到，天线罩的加入对天线的辐射性能影响极小，天线始终保持着良好的定向辐射性能。图17是本发明实例二中单独的天线和天线+天线罩两种情况下雷达散射截面积(RCS)的对比。从该图中可以明显看到天线罩的加入显著降低了天线的RCS。在3.5GHz到7GHz，RCS有大于10dB的缩减。该结果验证了本发明提出的吸波体作为低RCS天线罩的可行性和有效性。

Claims (7)

1.基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，所述三维微波吸波体是周期性结构，每个结构单元沿着y轴方向无缝排布，沿着x轴方向以间隔一定距离的周期排布；其特征在于每个周期结构单元沿着x轴方向依次包括金属层、介质基板、耦合金属线；
所述金属层位于介质基板的一侧，金属层开有一端开放的金属缝隙，金属缝隙的开放端边缘与介质基板边缘对齐，且金属缝隙的开放端处设有一阶梯型收窄结构；
所述耦合金属线位于介质基板的另一侧，为倒置的U形结构，由两段等长且相互平行的z轴向金属线，一段y轴向金属线组成；
耦合金属线的U形封闭端朝向金属缝隙的开放端且与金属缝隙的开放端在z轴方向上错开一定距离；
位于耦合金属线的y轴向金属线正中心位置嵌入电阻；耦合金属线将金属缝隙中的电磁场耦合到该金属线上由电阻进行吸收；
所述的金属缝隙中心、耦合金属线的中心位于XOZ平面上。
2.如权利要求1所述的基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，其特征在于耦合金属线的y轴向金属线与介质基板的金属缝隙开放端在z轴方向上距离为5mm；该位置决定了从金属缝隙到金属线的耦合强度，因此影响着该吸波体的输入阻抗，进而决定了对入射电磁波的吸波率。
3.如权利要求1-2任一所述的基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，其特征在于介质基板的介电常数为3.48。
4.如权利要求1-2任一所述的基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，其特征在于介质基板的厚度为0.508mm。
5.如权利要求1-2任一所述的基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，其特征在于金属缝隙的长度lc为15mm，宽度wc为5mm，开放端处末端的长度lc1为1mm和宽度wc1为2mm，实现其吸波带2.60GHz到9.32GHz内反射率(|S11|)低于-10dB。
6.如权利要求1-2任一所述的基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，其特征在于耦合金属线中的y轴向金属线长度为8mm，z轴向金属线长度为7mm。
7.如权利要求1-2任一所述的基于耦合缝隙结构的三维微波吸波体，其特征在于嵌在耦合金属线上的电阻为220欧姆。
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