CN112421239B - 射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，包括等离子体耦合频率选择表面结构，等离子体耦合频率选择表面结构包括射频感性耦合等离子体源、宽频通带频率选择表面和闭式透波介质腔，其中，射频感性耦合等离子体源置于闭式透波介质腔中，宽频通带频率选择表面固定于闭式透波介质腔上方，入射电磁波入射至宽频通带频率选择表面上；宽频通带频率选择表面是将宽频通带频率选择单元分别沿X轴和Y轴周期排列形成，宽频通带频率选择单元其由第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层自上而下依次叠加而成。通过周期排列的宽频通带频率选择单元之间的谐振实现特定频段内对电磁波的传输。

Description

射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构

技术领域

本发明属于有源隐身技术领域，涉及一种射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构。

背景技术

雷达天线罩用于保护飞行器的气动性能和雷达天线的工作环境，但由于雷达天线罩的透波属性导致天线系统暴露在飞行器头部区域，形成一个强散射区，严重降低了飞行器的生存力和作战效能。当前主要将频率选择表面应用于雷达天线罩的设计中，根据频率选择表面的频率选择特性，在不改变雷达罩材料和壁面结构的前提下，将频率选择表面的通带设计至飞行器天线的工作频段内，实现工作频段内高效率透射的功能；通带外呈现全反射特性，将照射至天线工作频段外的雷达波散射至其他非威胁方向，减低雷达罩的后向雷达散射截面积，使天线罩实现频率选择功能，然而随着米波雷达、超宽带雷达技术的快速发展，隐身雷达罩应对的探测威胁将从光学频段向低频、宽带扩展，与此同时，射频隐身对低截获概率雷达的工作频段由单一频段向多频段扩展，当前频率选择表面的通带和阻带在设计完成后难以调节。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，以解决现有雷达天线罩吸波结构不能实现多频通带/阻带可调的问题。

本发明实施例所采用的技术方案是：射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，包括等离子体耦合频率选择表面结构，等离子体耦合频率选择表面结构包括射频感性耦合等离子体源、宽频带通频率选择单元和闭式透波介质腔，其中，射频感性耦合等离子体源置于闭式透波介质腔中，宽频带通频率选择单元固定于闭式透波介质腔上方，入射电磁波入射至宽频带通频率选择单元上；

所述宽频带通频率选择单元是将宽频带通频率选择单元分别沿X轴和Y轴周期排列形成，通过周期排列的宽频带通频率选择单元之间的谐振实现特定频段内对电磁波的传输。

进一步的，所述宽频带通频率选择单元其由第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层自上而下依次叠加而成，第一介质层和第二介质层是尺寸完全相同的两层介质板，第一金属层和第三金属是尺寸完全相同的两层金属贴片，第二金属层是一个刻蚀有方形缝隙结构的金属贴片，方形缝隙结构是由多个凵型缝隙单元和四个方形缝隙单元连接形成，其中四个方形缝隙单元位于方形缝隙结构的四个直角处，相邻两方形缝隙单元之间连接有多个依次连通的凵型缝隙单元。

进一步的，所述凵型缝隙单元的外长为w2=0.75mm、内长为w3=0.15mm、宽为w1=0.15mm，所述方形缝隙单元的边长为w4=0.4mm。

进一步的，所述第一金属层、第二金属层和第三金属层均为铜板；

所述第一介质层和第二介质层均为F4B-2介质板，其介电常数为2.65，损耗因子为0.0025。

进一步的，所述宽频带通频率选择单元的尺寸也即第一介质层和第二介质层的尺寸为Dx=Dy=10.3mm，Dx为宽频带通频率选择单元也即第一介质层和第二介质层的长度，Dy为宽频带通频率选择单元也即第一介质层和第二介质层的宽度；

所述第二金属层上的方形缝隙结构的尺寸为ly=lx=7.6mm，其中，lx为方形缝隙结构的长度，ly为方形缝隙结构的宽度。

进一步的，所述宽频带通频率选择单元的面积与闭式透波介质腔的径向截面面积一致；

所述闭式透波介质腔的气压在50mTorr至大气压之间。

进一步的，所述射频感性耦合等离子体源由与其连接的电源系统、真空系统和气氛系统共同激发产生；

所述电源系统包括平面型天线、匹配器和射频电源，平面型天线设置在闭式透波介质腔的外侧底部，射频电源的输出端与匹配器的输入端连接，匹配器的输出端经铜板传输线与平面型天线连接；

所述真空系统包括真空泵、真空计和第一真空阀，真空泵依次经第一真空阀和真空计与闭式透波介质腔内部连通；

所述气氛系统包括氩气供应装置、氧气供应装置和质量流量计，氩气供应装置和氧气供应装置均与质量流量计的输入端连通，质量流量计的输出端与闭式透波介质腔内部连通。

进一步的，所述质量流量计与闭式透波介质腔之间设有第二真空阀；

所述射频电源的额定输出功率为1000 W，工作频率13.56 MHz，二次谐波输出<-40dB，寄生调制<1%。

进一步的，所述平面型天线采用直径为8mm的空心黄铜管绕制而成，其匝数为1匝，其直径为15cm，空心黄铜管中通过绝缘橡胶管连接水冷循环系统。

进一步的，射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构在4~11 GHz频带内的通带为6.1~7.2 GHz、7.6~9.5 GHz、10.1~11 GHz，阻带为7.2~7.6 GHz、9.5~10.1GHz。

本发明实施例的有益效果是，射频感性耦合等离子体可通过改变电源功率、工作气压、气体混合比例等外部放电条件调控等离子体对电磁波的吸收频带、吸收幅值，即形成阻带的宽度和相应的最大衰减幅值，能够同时兼容频选和隐身功能，且可最大限度地减小分界面宽角度入射电磁波的反射，提高入射角域范围，实现对大角度入射波的吸收，提高吸波能力；射频感性耦合等离子体可与局部结构共形设计，宽频带通频率选择单元采用多频级联法将不同单元结构组合起来，实现宽频频率选择表面，且介质中没有引入空气层，在减小结构厚度的同时，减低了插入损耗。宽频带通频率选择单元主要提供特定频段内电磁波的通带作用，通带内电磁波透过，阻带内电磁波不能透过。射频感性耦合等离子体利用其吸波作用在宽频带通频率选择单元的通带内进行吸波，提供主动可调的阻带，从而实现通带/阻带动态可调的效果，在4~11 GHz频带内的通带为6.1~7.2 GHz、7.6~9.5 GHz、10.1~11GHz，阻带为7.2~7.6 GHz、9.5~10.1 GHz，在4~11 GHz频带内形成2个阻带，3个通带，实现了对电磁波多频带带通/带阻可调的功能。有效解决了现有雷达天线罩吸波结构不能实现多频通带/阻带可调的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。

图1为射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择单元结构的示意图。

图2为宽频带通频率选择单元的整体结构示意图。

图3为第一金属层和第一介质层的结构正视图。

图4为第二金属层和第二介质层的结构正视图。

图5为宽频带通频率选择单元的整体结构侧视图。

图6为射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构的实验测试示意图。

图7为本发明实施例中从输入天线到输出天线的S21传输曲线。

图8为本发明实施例的宽频带通频率选择单元的结构示意图。

图中，1.等离子体耦合频率选择表面结构，2.射频感性耦合等离子体源，3.宽频带通频率选择表面，4.闭式透波介质腔，5.平面型天线，6.质量流量计，7.匹配器，8.真空泵，9.射频电源，10.真空计，11.第一真空阀，12.第二真空阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，如图1所示，包括等离子体耦合频率选择表面结构1，等离子体耦合频率选择表面结构1包括射频感性耦合等离子体源2、宽频带通频率选择表面3和闭式透波介质腔4，其中，射频感性耦合等离子体源2置于闭式透波介质腔4中，宽频带通频率选择表面3固定于闭式透波介质腔4上方，当宽频带通频率选择表面3的通带内电磁波能量未被射频感性耦合等离子体源2衰减吸收时，实现带通功能；而当电磁波能量被射频感性耦合等离子体源2吸收时，结构实现带阻功能。射频感性耦合等离子体源2由电源系统、真空系统和气氛系统共同激发产生，通过改变电源功率、工作气压、气体混合比例等外部放电条件，能够改变射频感性等离子体源2中等离子体频率及碰撞频率的参数，实现对吸波频段和吸收效果的调控。

宽频带通频率选择表面3是将宽频带通频率选择单元分别沿X轴和Y轴周期排列形成，如图8所示，通过周期排列的宽频带通频率选择单元之间的谐振实现特定频段内对电磁波的传输功能。宽频带通频率选择单元的立体结构如图2所示，其由第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层自上而下依次叠加而成，第一金属层和第三金属层是完全相同的两层金属贴片，本发明实施例采用方形金属贴片。第二金属层是一个刻蚀有方形缝隙结构的金属贴片，方形缝隙结构的尺寸与第一金属层、第三金属层的尺寸相同，均为lx=ly=7.6mm，lx为方形缝隙结构的长度，ly为方形缝隙结构的宽度。第二金属层的尺寸与第一介质层、第二介质层的尺寸相同。如图4所示，方形缝隙结构是由多个凵型缝隙单元和四个方形缝隙单元连接形成，其中四个方形缝隙单元位于方形缝隙结构的四个直角处，相邻两方形缝隙单元之间连接有多个依次连通的凵型缝隙单元，每个凵型缝隙单元的外长w2=0.75mm、内长w3=0.15mm、宽度w1=0.15mm，每个方形缝隙单元的边长w4=0.4mm。第一金属层、第二金属层和第三金属层均是铜板。第一介质层和第二介质层均是F4B-2介质板，其介电常数为2.65，损耗因子为 0.0025，厚度h=1.5mm。如图3所示，整个宽频带通频率选择单元的尺寸也即第一介质层和第二介质层的尺寸为Dx=Dy=10.3 mm，Dx为宽频带通频率选择单元也即第一介质层和第二介质层的长度，Dy为宽频带通频率选择单元也即第一介质层和第二介质层的宽度。由该宽频带通频率选择单元组成的宽频带通频率选择表面3的面积与闭式透波介质腔4的径向截面面积一致，具体可为30×30 cm²。入射电磁波与本发明实施例的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构的相对位置如图5所示，其中，k代表电磁波波矢，θ为电磁波的入射角，z为坐标系纵轴，代表垂直于宽频带通频率选择表面3的轴，x为横轴。

闭式透波介质腔4采用全石英玻璃工艺制作，石英腔的优势是不含有金属材料，不会对雷达波的传播造成额外的反射以实现电磁波的无损传播，其径向直径为30cm，厚度为1.5cm。

电源系统包括平面型天线5、匹配器7、射频电源9和水冷循环系统，平面型天线5设置在闭式透波介质腔4的外侧底部，用于激发等离子体。射频电源9输出端与匹配器7的输入端连接，匹配器7的输出端经铜板传输线与平面型天线5连接，采用平面型天线5能够激发更为均匀的等离子体。

真空系统包括真空泵8、真空计10和第一真空阀11，本实施例的真空计10采用薄膜真空计或电阻真空计，真空泵8依次经第一真空阀11和真空计10与闭式透波介质腔4内部连通，对闭式透波介质腔4进行抽真空，第一真空阀11用于控制真空系统的开关，可采用真空球阀，真空计10用于显示闭式透波介质腔4中的真空度。

气氛系统包括氩气供应装置、氧气供应装置和质量流量计6，氩气供应装置和氧气供应装置均与质量流量计6的输入端连通，质量流量计6的输出端与闭式透波介质腔4内部连通，用于为闭式透波介质腔4内提供氧气和氩气的混合气体。质量流量计6与闭式透波介质腔4之间设有第二真空阀12，第二真空阀12用于连通或断开质量流量计6与闭式透波介质腔4。

工质气体为氩气和氧气，氧气为电正性气体，氩气为电负性气体，通过质量流量计6控制氧气在氩气中的混合比例，通过真空计10、真空泵8和第一真空阀11（球阀）对放电腔体即闭式透波介质腔4的气压在50 mTorr至大气压之间进行调控。通过射频电源9改变电源功率，通过真空泵8调节工作气压，通过质量流量计6控制气体混合比例可以改变射频感性耦合等离子体源2中等离子体密度和碰撞频率，从而实现射频感性耦合等离子体源2对电磁波吸波带宽和吸收幅值的调控。

电源系统中，射频电源9的额定输出功率为1000 W(50 Ω)，工作频率13.56 MHz，二次谐波输出<-40dB，寄生调制<1%，在功率源和负载之间采取匹配器7以调节前向功率和反射功率，平面型天线5采用直径8mm的空心黄铜管绕制而成，匝数为1匝。平面型天线5的直径为15cm，为闭式透波介质腔4直径的一半，使放电产生的等离子体在闭式透波介质腔4内分布更加均匀。同时空心黄铜管中通过绝缘橡胶管连接水冷循环系统降平面型天线5的温度。黄铜管的直径大小与平面型天线5以及闭式透波介质腔4之间的功率耦合及水冷系统有关系，本发明实施例采用直径8mm的空心黄铜放电，能取得最优效果。

本发明实施例的效果可结合以下实验测量结果进行进一步说明，实验示意图如图6所示，包括小型微波暗室、矢量网络分析仪、点聚焦透镜天线，具体包括如下步骤：

步骤S1：通过真空系统向闭式透波介质腔4中充入氩气和氧气的混合气，氩气与氧气比例为7:3，气压为15Pa，将连接射频电源的正负电极分别接在闭式透波介质腔4下方的平面型天线5上并通工作频率为13.56MHz、功率为400W的射频电源9激发闭式透波介质腔4产生等离子体；

步骤S2：频段为2~18Ghz的电磁波信号由矢量网络分析仪端口输出，首先经过功率放大器进行放大，然后通过聚焦透镜天线发射至射频感性耦合等离子体源2，发射天线和接收天线保持高度一致；

步骤S3：将宽频带通频率选择单元3放置在闭式透波介质腔4正面，重复步骤S1~S2，并将通过聚焦透镜天线发射至宽频带通频率选择单元3，回波信号由射频感性耦合等离子体源2背面另一侧的聚焦透镜天线接收，并送往矢量网络分析仪接收端，获得射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构对电磁波的多频通带/阻带特性。如图7所示。射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构的通带为6.1~7.2 GHz、7.6~9.5GHz、10.1~11 GHz，阻带为7.2~7.6 GHz、9.5~10.1 GHz，阻带平均衰减带宽0.5 GHz，衰减峰值分别达到24.1 dB、16.2 dB。根据测量结果可知，该结构在4~11 GHz频带内形成2个阻带，3个通带，实现了对电磁波多频带带通/带阻可调的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，包括等离子体耦合频率选择表面结构（1），等离子体耦合频率选择表面结构（1）包括射频感性耦合等离子体源（2）、宽频带通频率选择表面（3）和闭式透波介质腔（4），其中，射频感性耦合等离子体源（2）置于闭式透波介质腔（4）中，宽频带通频率选择表面（3）固定于闭式透波介质腔（4）上方，入射电磁波入射至宽频带通频率选择表面（3）上；

所述宽频带通频率选择表面（3）是将宽频带通频率选择单元分别沿X轴和Y轴周期排列形成，通过周期排列的宽频带通频率选择单元之间的谐振实现特定频段内对电磁波的传输；

所述宽频带通频率选择单元其由第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层自上而下依次叠加而成，第一介质层和第二介质层是尺寸完全相同的两层介质板，第一金属层和第三金属是尺寸完全相同的两层金属贴片，第二金属层是一个刻蚀有方形缝隙结构的金属贴片，方形缝隙结构是由多个凵型缝隙单元和四个方形缝隙单元连接形成，其中四个方形缝隙单元位于方形缝隙结构的四个直角处，相邻两方形缝隙单元之间连接有多个依次连通的凵型缝隙单元。

2.根据权利要求1所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述凵型缝隙单元的外长为w2=0.75mm、内长为w3=0.15mm、宽为w1=0.15mm，所述方形缝隙单元的边长为w4=0.4mm。

3.根据权利要求1所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述第一金属层、第二金属层和第三金属层均为铜板；

所述第一介质层和第二介质层均为F4B-2介质板，其介电常数为2.65，损耗因子为0.0025。

4.根据权利要求1~3任一项所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述宽频带通频率选择单元的尺寸也即第一介质层和第二介质层的尺寸为Dx=Dy=10.3mm，Dx为宽频带通频率选择单元也即第一介质层和第二介质层的长度，Dy为宽频带通频率选择单元也即第一介质层和第二介质层的宽度；

所述第二金属层上的方形缝隙结构的尺寸为ly=lx=7.6mm，其中，lx为方形缝隙结构的长度，ly为方形缝隙结构的宽度。

5.根据权利要求1~3任一项所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述宽频带通频率选择表面（3）的面积与闭式透波介质腔（4）的径向截面面积一致；

所述闭式透波介质腔（4）的气压在50mTorr至大气压之间。

6.根据权利要求1~3任一项所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述射频感性耦合等离子体源（2）由与其连接的电源系统、真空系统和气氛系统共同激发产生；

所述电源系统包括平面型天线（5）、匹配器（7）和射频电源（9），平面型天线（5）设置在闭式透波介质腔（4）的外侧底部，射频电源（9）的输出端与匹配器（7）的输入端连接，匹配器（7）的输出端经铜板传输线与平面型天线（5）连接；

所述真空系统包括真空泵（8）、真空计（10）和第一真空阀（11），真空泵（8）依次经第一真空阀（11）和真空计（10）与闭式透波介质腔（4）内部连通；

所述气氛系统包括氩气供应装置、氧气供应装置和质量流量计（6），氩气供应装置和氧气供应装置均与质量流量计（6）的输入端连通，质量流量计（6）的输出端与闭式透波介质腔（4）内部连通。

7.根据权利要求6所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述质量流量计（6）与闭式透波介质腔（4）之间设有第二真空阀（12）；

所述射频电源（9）的额定输出功率为1000 W，工作频率13.56 MHz，二次谐波输出<-40dB，寄生调制<1%。

8.根据权利要求6所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述平面型天线（5）采用直径为8mm的空心黄铜管绕制而成，其匝数为1匝，其直径为15cm，空心黄铜管中通过绝缘橡胶管连接水冷循环系统。

9.根据权利要求6所述的射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构，其特征在于，所述射频感性耦合等离子体叠加宽频带通频率选择表面结构在4~11 GHz频带内的通带为6.1~7.2 GHz、7.6~9.5 GHz、10.1~11 GHz，阻带为7.2~7.6 GHz、9.5~10.1 GHz。

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