CN112117545A - 一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，涉及隐身技术领域，能够在实现良好的阻抗匹配的同时，实现对极化可重构的性能。本发明包括：上层容器、中间水层、下层基板和金属缝隙型频率选择表面；中间水层填充于上层容器中；在上层容器与下层基板之间铺设有金属缝隙型频率选择表面；上层容器的内部结构为，立体正交交叉排布的独立水通道，其中，横向和纵向的水通道互不影响，互相穿插排布，若横向的水通道以单元结构的中心点为轴，则旋转90度与纵向的水通道重叠，形成极化的对称性；中间水层填充于所述独立水通道中，并可抽出与注入。本发明适用于雷达罩的电磁性能的重构和调整。

Description

一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体
技术领域
本发明涉及隐身技术领域，尤其涉及一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体。
背景技术
随着隐身技术的发展与进步，隐身飞行器平台上的雷达天线系统以及各种射频传感器成为雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)的主要贡献源，其隐身技术对于飞行器整体的隐身性能至关重要。但是雷达天线作为信息交互的最前端，必须保证自身正常收发电磁波，难以直接应用外形隐身技术或者涂覆雷达吸波材料等方法来实现其隐身技术。
在过去几十年中，频率选择表面技术(Frequency Selective Surface，FSS)已经获得飞速发展。当作为雷达罩时，FSS可以正常传输雷达工作频段内的电磁波，工作频带外的电磁波被雷达罩反射从而形成极小的雷达散射截面,即利用FSS阻隔了雷达的强散射特性，达到了带外隐身的效果。并进一步提出频率选择雷达吸波体(Frequency SelectiveRasorber，FSR)，又称为吸收式频率选择表面(Absorptive Frequency SelectiveSurface，AFSS)，用来设计雷达天线罩，但这些FSR一旦被设计出来，其电磁性能就已固定不可变，不具备可重构可调的性能，因此限制了该方案的进一步发展。
发明内容
本发明的实施例提供一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，能够在实现良好的阻抗匹配的同时，实现对极化可重构的性能。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
上层容器(1)、中间水层(2)、下层基板(3)和金属缝隙型频率选择表面(4)；
中间水层(2)填充于上层容器(1)中；在上层容器(1)与下层基板(3)之间铺设有金属缝隙型频率选择表面(4)；
上层容器(1)的内部结构为，立体正交交叉排布的独立水通道，其中，横向和纵向的水通道互不影响，互相穿插排布，若横向的水通道以单元结构的中心点为轴，则旋转90度与纵向的水通道重叠，形成极化的对称性；
中间水层(2)填充于所述独立水通道中，并可抽出与注入。
本发明实施例提供的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，通过将频率选择表面与水这种高电磁损耗的介质结合起来，构建了吸波/透波一体化的结构，并实现了良好的阻抗匹配，达到透射窗口低插损的性能指标；同时本发明利用水作为液体的良好的流动性，通过对纵向/横向排布水通道内水的抽出与注入，实现了对极化可重构的性能，并具有四种不同的工作模式，可在频率选择表面、TE极化频率选择吸波体、TM极化频率选择吸波体、吸波体之间切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的，上层容器(1)中所填充的中间水层(2)结构示意图；
图3为本发明实施例提供的，下层基板(3)上表面周期排布十字形外加方环的金属缝隙型频率选择表面(4)的一个单元结构。
图4为本发明实施例提供的，侧视图。
图5为本发明实施例提供的，在横向以及纵向水通道内均不注水，即频率选择表面工作模式下，吸波以及透波系数曲线。
图6为本发明实施例提供的，在横向以及纵向水通道内均注水，即超宽带吸波体工作模式下，吸波以及透波系数曲线。
图7为本发明实施例提供的，在横向水通道内注水、纵向水通道内不注水，即TM极化电磁波透射的频率选择吸波体工作模式下，吸波以及透波系数曲线。
图8为本发明实施例提供的，在纵向水通道内注水、横向水通道内不注水，即TE极化电磁波透射的频率选择吸波体工作模式下，吸波以及透波系数曲线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
当作为雷达罩时，FSS可以正常传输雷达工作频段内的电磁波，工作频带外的电磁波被雷达罩反射从而形成极小的雷达散射截面,即利用FSS阻隔了雷达的强散射特性，达到了带外隐身的效果。由于反射到其他方向的电磁波依然能够被其他方向的探测雷达所接收，因此采用FSS的雷达罩仅对单站RCS缩减有效。这使得采用传统FSS作为雷达罩的系统很容易被双站/多站探测网络所发现，极大地威胁到了作战平台的安全性。因此提出频率选择雷达吸波体(Frequency Selective Rasorber，FSR)，又称为吸收式频率选择表面(Absorptive Frequency Selective Surface，AFSS)，用来设计雷达天线罩，以缩减双站/多站RCS。当用作天线罩时，FSR能够以极低的损耗透射工作频带信号，并吸收工作频带外的电磁波，大幅度提升雷达系统的隐身特性。FSR通常由两部分构成，分别为有损层(lossylayer)和无损层(lossless layer)，传统的FSR通常在有损层加载电容、电感等电气元件保证在所需的工作频点有透波，同时加载电阻以吸收通带外的电磁波，从而达到“带内透波，带外隐身”的效果。但传统的FSR由于加载电气元件较多，往往具有设计复杂、吸波频带较窄的缺点。近年来，许多性能优异的FSR被研究出来，但这些FSR一旦被设计出来，其电磁性能就已固定不可变，不具备可重构可调的性能。
在当今信息时代，未来战场形势瞬息万变，因此一种具备可重构性能，更贴合5G信息化智能化时代的FSR更具实用和创新价值，同时也是未来电磁超常媒质频率选择吸波体研究的一个重要热点。传统的频率选择吸波体多以电阻元器件或者高阻表面等多层复杂结构来实现吸波/透波一体化设计，并且传统的可调谐频率选择吸波体更多以搭载pin二极管为主，但带来结构复杂、加工难度大、走线繁琐等问题。因此，本发明通过地球上分布最为广泛的资源——水，提供一种高损耗介质组成的可调谐频率选择吸波体；相对于传统结构来说，其更大程度地节约成本，制备方便且结构简易，环境无害且易于获得，更具独特性地实现了对于电磁波极化方式可重构性能。水作为液体具备流动性，所以可用于设计可重构微波器件，相对于传统的微波器件，更为灵活，在未来战场瞬息万变的条件下可实现不同工作模式的快速切换。
本实施例的设计目的在于，利用水本身高介电常数、高介质损耗的特性，研究并设计了一种基于水的频率选择吸波体，使用水做吸波体，前人已有不少工作，而用于FSR的设计目前寥寥无几；同时在关于频率选择吸波体的发明与研究中，具备极化可重构性能的频率选择吸波体尚未出现，因此本发明极具创新性。
基于上述设计目的，本实施例的设计思路在于，通过高损耗介质组成的可重构频率选择吸波体，通过将频率选择表面与水这种高电磁损耗的介质结合起来，构建了吸波/透波一体化的结构，并实现了良好的阻抗匹配，达到透射窗口低插损的性能指标；同时本发明利用水作为液体的良好的流动性，通过对纵向/横向排布水通道内水的抽出与注入，实现了对极化可重构的性能，并具有四种不同的工作模式，可在频率选择表面、TE极化频率选择吸波体、TM极化频率选择吸波体、吸波体之间切换。
本发明实施例提供一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，包括：
上层容器(1)、中间水层(2)、下层基板(3)和金属缝隙型频率选择表面(4)。中间水层(2)填充于上层容器(1)中。在上层容器(1)与下层基板(3)之间铺设有金属缝隙型频率选择表面(4)。上层容器(1)的内部结构为，立体正交交叉排布的独立水通道，其中，横向和纵向的水通道互不影响，互相穿插排布，若横向的水通道以单元结构的中心点为轴，则旋转90度与纵向的水通道重叠，形成极化的对称性。中间水层(2)填充于所述独立水通道中，并可抽出与注入。例如图1所示，为多个基本单元阵列排布而成，所述基本单元包括依次设置的上层容器(1)、填充于上层容器的中间水层(2)以及下层基板(3)，所述的下层基板(3)上表面周期排布十字形外加方环的金属缝隙型频率选择表面(4)。再如图2所示，中间水层(2)在上层容器(1)中的横/纵向水通道为互相立体正交交叉排布，并且横向水通道和纵向水通道互相独立，互不重叠、影响；同时横向的水通道以单元结构单元结构中心点为轴旋转90度与纵向的水通道重叠，水通道的横截面为矩形,长b1＝4.3mm，b5＝1.8mm，其余水通道的具体参数如下:b2＝9.9mm,b3＝23.53mm,b4＝12.77mm,b6＝2.8mm,b7＝2mm。
本实施例中，在下层基板(3)的上，周期排布预设周期结构的金属缝隙型频率选择表面(4)，其中，预设周期结构为十字外加方环。具体的，每个预设周期结构对应的上层容器(1)的横向与纵向的水通道数均为6个。优选方案中，上层容器(1)的横向与纵向的水通，为互相缠绕如竹席编织状的横截面为矩形的水通道，横截面长b1＝4.3mm，宽b5＝1.8mm。
本实施例中，上层容器(1)为一体化3D打印的容器，上层容器(1)采用树脂材料，例如未来8000树脂材料。中间水层(2)为25℃的水。下层基板(3)作为介质基板。具体的，下层基板(3)采用介电常数为4.3、损耗为0.025、厚度为a2＝0.5mm的Fr-4环氧树脂板作为介质基板。
优选方案中，金属缝隙型频率选择表面(4)采用钨铜。上层容器(1)壁厚均为a1＝1mm。预设周期结构中的十字的边长c1＝68mm，中心的十字缝隙长c4＝43mm，宽c2＝10mm。预设周期结构中的外加方环的缝隙外边长c2＝52mm，缝隙宽为c5＝5mm。例如图3所示，本实施例的频率选择吸波体的无耗层为十字形外加方环的金属缝隙型频率选择表面(4)，周期大小c1＝68mm，方环缝隙外边长c3＝62mm，缝隙宽c5＝10mm，中心十字缝隙长c4＝43mm，宽c2＝10mm。再如图4所示，频率选择吸波体的单元结构从上往下依次为上层容器(1)、填充于上层容器的中间水层(2)以及下层基板(3)，所述的下层基板(3)上表面周期排布十字形外加方环的金属缝隙型频率选择表面(4)。其中，上层容器(1)的壁厚均为a1＝1mm厚，下层基板(3)Fr-4的厚度为a2＝0.5mm。
需要说明的是，本实施例中的金属缝隙型频率选择表面(4)的结构并不仅限定于上述优选方案，还可以设计成圆环形、方环形、耶路撒冷十字形等缝隙型结构，也可以设计成双层或多层耦合型频率选择表面。介质基板(3)可以用低损耗的Rogers 5880或低相对介电常数介质等，上层容器也并非必须采用光敏树脂材料，也可以是类ABS材料、尼龙、玻璃纤维材料，只要是材料电磁损耗较高，相对介电常数和厚度满足良好阻抗匹配即可。
本实施例中，采用水作为频率选择吸波体的主要媒质，水作为一种高介电常数、高损耗的液体，其在高频带对电磁波本身就具有一定的吸波性能，在保证了超材料整体的阻抗匹配后，电磁波入射到水基超材料时，一定频带的电磁波会在水中被损耗吸收。水基电磁超材料的吸波性能比起传统电气元件(电阻、高阻表面)更为廉价及性能佳；同时水作为一种液体，本身具有流动性，因此便可设计可重构的水基频率选择吸波体，通过对上层容器(1)中的纵/横向水通道的充水与否来切换其工作状态。具体通过下层基板(3)以及其正表面刻蚀的十字型外加方环的金属缝隙型频率选择表面(4)，实现了频率选择表面的功能：满足某特定频段无损耗的透射，从而产生低损耗的透射窗口；但对通带外的频段起到金属背板作用，即对入射的电磁波全反射，从而使得入射电磁能量更好地被具有电磁波高损耗性能的水所损耗掉，进而构建出吸波/透波一体化结构设计。
本发明方案的优点在于：
(1)、本发明利用水所固有的对于电磁波高损耗的特性，使用水来设计频率选择吸波体的损耗层，相对于传统的频率选择吸波体加载电阻、电感等集总元器件来说，本发明的吸波带更宽同时设计与之相比更为简单；同时水作为地球上分布最广泛最容易获取的材料，配合3D打印技术，本发明制备成本低廉，环境友好。
(2)、本发明通过将水与频率选择表面相结合，在保证良好阻抗匹配的前提下，通过调整结构参数，减少入射波的反射，实现了性能优异的吸波/透波一体化结构设计。
(3)、本发明利用水的流动性，可通过对横/纵向水通道注水与否，实现四种不同工作模式的切换：若横向和纵向水通道内不注水，则本发明的频率选择吸波体工作模式为频率选择表面，实现对特定频点电磁波的透射；若横向与纵向水通道内均注入水，则工作模式为超宽带吸波体，实现对宽频点电磁波的吸收同时没有透射电磁波；若横向水通道内注水、纵向水通道内不注水，则工作模式为TE极化电磁波透射的频率选择吸波体，在满足对TE极化电磁波在特定频点的透射同时还满足带外对TE和TM极化电磁波的吸收，且反射在该透射频点的TM极化电磁波；若纵向水通道内注水、横向水通道内不注水，则工作模式为TM极化电磁波透射的频率选择吸波体，在满足对TM极化电磁波在特定频点的透射同时还满足带外对TE和TM电磁波的吸收，且反射在该透射频点的TE极化电磁波。
本实施例还提供四种在常用工作模式下的电磁参数曲线如图5-8所示，通过对横/纵向水通道的充水与否可控制本发明的四种不同工作状态的切换。当横/纵向水通道未通水时，工作模式为频率选择表面，如图5所示，可实现在3.1GHz处对TE和TM极化电磁波的透射，最小插入损耗为-0.26dB；当横/纵向水通道均充水时，工作模式为超宽带吸波体，如图6所示，在8-20GHz频段内，对于TE和TM极化电磁波反射和透射系数均在-10dB以下，实现在8-20GHz的超宽带吸波；当横向水通道充水而纵向水通道不充水时，工作模式为TE极化电磁波透射的频率选择吸波体，如图7所示，可实现对TE极化的电磁波在2.45GHz处的透射，最小插入损耗为-0.86dB，而TM极化的电磁波在该频点处由于本发明的水通道类光栅结构被反射，同时可实现对于TE极化的电磁波在6.6-18GHz的吸波；当纵向水通道充水而横向水通道不充水时，工作模式为TM极化电磁波透射的频率选择吸波体，如图8所示，可实现对TM极化的电磁波在2.45GHz处的透射，最小插入损耗为-0.86dB，而TE极化的电磁波在该频点处由于本发明的水通道类光栅结构被反射，同时可实现对于TM极化的电磁波在6.6-18GHz的吸波。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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 (9)

1.一种基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，包括：
上层容器(1)、中间水层(2)、下层基板(3)和金属缝隙型频率选择表面(4)；
中间水层(2)填充于上层容器(1)中；在上层容器(1)与下层基板(3)之间铺设有金属缝隙型频率选择表面(4)；
上层容器(1)的内部结构为，立体正交交叉排布的独立水通道，其中，横向和纵向的水通道互不影响，互相穿插排布，若横向的水通道以单元结构的中心点为轴，则旋转90度与纵向的水通道重叠，形成极化的对称性；
中间水层(2)填充于所述独立水通道中，并可抽出与注入。
2.根据权利要求1所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，在下层基板(3)的上，周期排布预设周期结构的金属缝隙型频率选择表面(4)，其中，预设周期结构为十字外加方环。
3.根据权利要求1所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，上层容器(1)为一体化3D打印的容器，上层容器(1)采用树脂材料；
中间水层(2)为25℃的水；
下层基板(3)作为介质基板。
4.根据权利要求3所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，下层基板(3)采用介电常数为4.3、损耗为0.025、厚度为a2＝0.5mm的Fr-4环氧树脂板作为介质基板。
5.根据权利要求1所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，金属缝隙型频率选择表面(4)采用钨铜。
6.根据权利要求2所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，每个预设周期结构对应的上层容器(1)的横向与纵向的水通道数均为6个。
7.根据权利要求1所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，上层容器(1)壁厚均为a1＝1mm。
8.根据权利要求1所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，预设周期结构中的十字的边长c1＝68mm，中心的十字缝隙长c4＝43mm，宽c2＝10mm；
预设周期结构中的外加方环的缝隙外边长c2＝52mm，缝隙宽为c5＝5mm。
9.根据权利要求2所述的基于水的极化可重构多功能频率选择吸波体，其特征在于，上层容器(1)的横向与纵向的水通，为互相缠绕如竹席编织状的横截面为矩形的水通道，横截面长b1＝4.3mm，宽b5＝1.8mm。
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