CN113314850A - 一种2.5d多层频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2.5D多层频率选择表面，包括自上而下依次层叠的多层条带集总电阻的吸波层、空气层和金属反射层，吸收层包括第一介质板、第二介质板、第一FSS层、第二FSS层和第三FSS层，第一介质板与第二介质板压合而成，第一介质板位于第二介质板上，第一FSS层位于第一介质板上表面、第二FSS层位于第一介质板的下表面，第三FSS层位于第二介质板下表面。本发明能有效地保证带内高于‑1dB的强反射特性，具有较高的稳定性。

Description

一种2.5D多层频率选择表面
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术中的电磁周期结构技术领域，特别是一种2.5D多层频率选择表面。
背景技术
随着军事科技的快速发展，出现了众多具有电磁隐身的武器系统，对于现代化军事战争来说，隐身性能的好坏直接决定了武器系统的作战性能。在当今测评隐身性能优劣的指标主要是雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）。以雷达为例，雷达阵面部分是主要散射源，也就是影响RCS的主要因素。近年来，高增益天线受到了越来越多的关注，例如：反射面天线、阵列天线等等。但是由于结构的简单并且无能量损耗，通常会在带外产生强反射，从而大大增加了雷达散射截面的面积，不具有任何隐身特性。传统隐身技术通过涂覆隐身材料或者加载损耗型模拟吸收结构将全频段电磁波仅能能量的耗散，如果将传统隐身技术引入雷达阵面则会大大降低天线增益，从而降低了雷达探测或者通信距离。因此如何实现通信频段高增益、带外具有隐身特性的新型雷达阵面是微波领域一个重要研究和发展方向。
基于此背景，近年来新型具有隐身性能的雷达天线罩（Frequency SelectiveRasorber，FSR.）受到越来越多地关注。FSR是一种改进的频率选择表面结构，其在某些频段具有无损透射或者反射特性，而在无损透射或者反射频段外表现为电磁波吸收的特性，这大大降低了带外反射从而降低了结构的雷达散射截面，在隐身应用中具有重要的价值。
在已公开的专利和文献中，绝大部分都在研究吸收与透射一体化的频率选择表面，由于上层吸波层电路与下层带通电路的特性互相制约，导致吸收频段与透射频段较窄，并且厚度较厚，无法满足现代雷达对宽频的要求。此外，已有的结构上层吸波层都是单层结构，存在结构单一、双极化实现困难等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种2.5D多层频率选择表面，本发明能有效解决传统频率选择表面FSS（Frequency Selective Surfaces，FSS）吸波天线罩工作频段较窄的现状，为电磁隐身、电磁兼容等领域提供重要技术支持，具有重要的军事使用价值。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种2.5D多层频率选择表面，包括自上而下依次层叠的多层条带集总电阻的吸波层、空气层和金属反射层，吸收层包括第一介质板、第二介质板、第一FSS层、第二FSS层和第三FSS层，第一介质板与第二介质板压合而成，第一介质板位于第二介质板上，第一FSS层位于第一介质板上表面、第二FSS层位于第一介质板的下表面，第三FSS层位于第二介质板下表面。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，金属反射层的厚度大于等于工作频段内电磁波在金属反射层上的趋肤深度。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，第一介质板、第二介质板均采用F4B介质，其介电常数为2.65，第一介质板、第二介质板的厚度为0.5mm。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，
第一介质板是由M×N个第一介质板周期单元组成，第二介质板是由M×N个第二介质板周期单元组成，第一FSS层是由M×N个第一FSS层周期单元组成，第二FSS层是由M×N个第二FSS层周期单元组成，第三FSS层是由M×N个第三FSS层周期单元组成；第一介质板周期单元、第二介质板周期单元、第一FSS层周期单元、第二FSS层周期单元、第三FSS层周期单元均为正方形且正方形的边长均为P，第一至第四金属条带均称为金属条带；其中，
第一FSS层周期单元、第三FSS层周期单元均分别包括四个第一金属条带、四个第二金属条带，第二金属条带的长度大于第一金属条带；第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第一金属条带和1个第二金属条带、或第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第二金属条带和1个第一金属条带；
第一FSS层周期单元翻转180度后，第一FSS层周期单元的金属条带与第三FSS层周期单元的金属条带的位置是对称的；
每个第一FSS层周期单元内的第二金属条带与相邻的第一FSS层周期单元内的与该第二金属条带最近的第一金属条带共同构成一个金属偶极子条带谐振单元，在金属偶极子条带谐振单元中心集总电阻；
每个第三FSS层周期单元内的第二金属条带与相邻第三FSS层周期单元内的与该第二金属条带最近的第一金属条带共同构成一个金属偶极子条带谐振单元，在金属偶极子条带谐振单元中心集总电阻；
第二FSS层周期单元包括4个第三金属条带以及8个第四金属条带，第三金属条带的长度大于第四金属条带；第二FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第四金属条带，4个第三金属条带分别平行于第二FSS层周期单元的1个边长设置在第二FSS层周期单元中，且每个第三金属条与2个第四金属条位于一条直线上，四个第三金属条带关于第二FSS层周期单元的中心是对称的；
每个第二FSS层周期单元内的第四金属条带与相邻第二FSS层周期单元内的与该第四金属条带最近的第四金属条带构成第五金属条带，第五金属条带的大小、性能与第三金属条带相同；
第一介质板周期单元、第二介质板周期单元内分别开有金属通孔，第二介质板周期单元翻转180度后的金属通孔的位置与第一介质板周期单元的金属通孔的位置是对称的；
第二FSS层周期单元中的第三和第四金属条带通过第一介质板周期单元中的金属通孔与第一FSS层周期单元中的第二金属条带相通；
第二FSS层周期单元中的第三和第四金属条带通过第二介质板周期单元中的金属通孔与第三FSS层周期单元中的第二金属条带相通。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，
第三金属条带的两端以及第四金属条带的一端设有焊盘，第四金属条带设有焊盘的一端是不靠第二FSS层周期单元的边的；
第一FSS层周期单元的第二金属条带上设有2个焊盘，焊盘的位置与第一介质板周期单元上的金属通孔的位置是对应的，第三FSS层周期单元的第二金属条带上设有2个焊盘，焊盘的位置与第二介质板周期单元上的金属通孔的位置是对应的；
第一介质板周期单元、第二介质板周期单元内分别开有8个内径为0.002λ-0.06λ的金属通孔，第二介质板周期单元翻转180度后的金属通孔的位置与第一介质板周期单元的金属通孔的位置是对称的，λ反射频段的中心频点所对应的自由空间波长；
第二FSS层周期单元中的焊盘与第一介质板周期单元中的金属通孔的一端连接，第一介质板周期单元中的金属通孔的另一端与第一FSS层周期单元中的焊盘连接；
第二FSS层周期单元中的焊盘与第二介质板周期单元中的金属通孔的一端连接，第二介质板周期单元中的金属通孔的另一端与第三FSS层周期单元中的焊盘连接。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，
当第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第一金属条带和1个第二金属条带时，第二FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第二金属条带和1个第一金属条带；
当第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第二金属条带和1个第一金属条带，第二FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第一金属条带和二个第一金属条带。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，电磁波的水平极化与垂直极化完全独立，互不干扰，处在同一极化下的金属条带均连通，且同一极化下的金属条带与最近的同极化下的金属条带相差一个周期。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，第一介质板周期单元、第二介质板周期单元、第一FSS层周期单元、第二FSS层周期单元和第三FSS层周期单元均为正方形，边长为0.65λ-0.75λ，其中λ为反射频段的中心频点所对应的自由空间波长。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，M为大于等于5的整数，N为大于等于1的整数。
作为本发明所述的一种2.5D多层频率选择表面进一步优化方案，N为大于等于5的整数，M为大于等于1的整数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明的吸波层采用了2.5D多层条带集总电阻的设计，能有效地保证带内高于-1dB的强反射特性，具有较高的稳定性；
（2）采用了合理的空气夹层厚度，在低频吸收频段与高频频段均实现了反射开路点，有效地展宽了吸收频段带宽，实现了7个倍频的工作带宽；
（3）采用了中心对称结构，极化稳定性更好。
附图说明
图1为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面的俯视图；
图2为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面单元的立体示意图；
图3为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面吸波层单元的爆炸示意图；
图4为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面吸波层单元的上表面层的结构示意图；
图5为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面吸波层单元的中间层的结构示意图；
图6为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面吸波层单元的下表面层的结构示意图；
图7a为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面在水平极化下的反射性能曲线；
图7b为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面在垂直极化正入射情况下的反射性能曲线；
图8a为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面在水平极化下的电磁吸收率性能曲线；
图8b为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面在垂直极化下的电磁吸收率性能曲线。
图中的附图标记解释为：
1-第一介质板，2-第二介质板，3-空气层，4-金属反射层，5-第一FSS层，6-第二FSS层，7-第三FSS层，8-第一FSS层周期单元中的第一金属条带，9-第一FSS层周期单元中的第二金属条带，10-第三金属条带，11-第四金属条带，12-第一FSS层周期单元中的焊盘，13-第三FSS层周期单元中的第一金属条带，14-第三FSS层周期单元中的第二金属条带，15-焊盘，16-第一FSS层周期单元中的电阻，17-第一FSS层周期单元中的电阻。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本具体实施方案公开了一种宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面，如图1所示，包括4×4个单元立体结构示意图。在理论定义中，FSS应该是周期性无限大平面。然而在实际应用中，可以根据实际设计需要，设计成具有有限个单元的结构。
图1至图6中的1为第一介质板，2为第二介质板，3为空气层，4为金属反射层，5为第一FSS层，6为第二FSS层，7为第三FSS层，8为第一FSS层周期单元中的第一金属条带，9为第一FSS层周期单元中的第二金属条带，10为第三金属条带，11为第四金属条带，12为第一FSS层周期单元中的焊盘，13为第三FSS层周期单元中的第一金属条带，14为第三FSS层周期单元中的第二金属条带，15为焊盘，16为第一FSS层周期单元中的电阻，17为第一FSS层周期单元中的电阻。
图2为本发明公开的吸收与反射一体化的频率选择表面的单元结构三维示意图，可以分为三个部分，位于上层的混合吸波层、位于中间的空气层(3)，以及放置在最下方的金属反射层4。
图3为本发明公开的吸收与反射一体化的频率选择表面中混合吸波层的单元结构展开图，其中包括：进行金属通孔化处理的第一介质板1，位于第一介质板上表面的第一FSS层5，位于第一介质板下表面的第二FSS层6，位于第一介质板1下方的进行金属通孔化处理的第二介质板2，以及位于第二介质板2下表面的第三FSS层7。
本发明的核心设计为第一层，即吸波层，其主要作用主要体现在：实现FSS的超宽带、高透过率、宽吸收率的特性。此外，本发明的实施案例中，介质基板参数选用的是F4B，介质基板材料为本领域的公知常识，根据设计可以采用其它介质基板。
本发明的实施案例中，结构的物理尺寸，例如：介质基板，金属上下两层贴片宽窄、长短，中层金属贴片宽窄、长短，金属通孔大小，均可由设计需求进行调整修改。
图7a、图7b和图8a、图8b是本发明进行仿真实验的结果，实验采用HFSS电磁仿真软件，其采用的FSS参数如下：单元周期为边长16mm的厚度12.105mm的正方体，第一介质板1与第二介质板2采用相对常数为2.65，损耗角正切为0.003的国产F4B介质基板，厚度均为0.5mm，第二层为空气层3高度为10mm，其中第一至第三FSS层5、6、7均采用厚度为0.035mm的覆铜层，本发明中的金属反射层4厚度只需要大于工作频段的电磁波趋肤深度即可，本具体实施例采用厚度为1mm的金属铜板。
如图4、图5和图6所示，本发明所述的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面的混合吸波层加工实施例中，包括: 第一FSS层周期单元包括四组第一金属条带8与四组第二金属条带9，长度分别为1.2mm与9.2mm，金属条带宽度均为0.4mm，第二金属条带与相邻单元第一金属条带一并构成一个金属偶极子条带谐振单元，总长度为10.4mm。电阻16放置在金属偶极子条带谐振单元中心，采用0402封装，长度为1mm宽度为0.5mm，阻值为294Ω。第三FSS层7与第一FSS层中心对称，第二FSS层周期单元内共有4个第三金属条带10和8个第四的金属条带11；其中第三金属条带长度为3mm，第四金属条带长度为1.5mm。第三第四金属条带宽度均为0.4mm，第二FSS层周期单元的金属条带均放置四分之一周期处。根据上述第二FSS层周期单元中的所有金属条带分别通过焊盘12、15与第一FSS层周期单元的第二金属条带和第三FSS层周期单元的第二金属条带相连通，构成了最终的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面。
图7a为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面，在TE极化下反射曲线，图7b为本发明提供的宽频带内强反射与超宽频带外吸收一体化的2.5D多层频率选择表面，在TM极化下的反射曲线。图中纵坐标代表反射系数，单位是（dB），横坐标是频率，单位是（GHz）。在TE水平极化下，从图中可以看到一条较宽的反射带，回波损耗小于1dB的反射带范围为12.02GHz-14.74GHz,绝对带宽为2.71GHz,相对带宽为20.3%，同理TM垂直极化下，回波损耗小于1dB的反射带为12.02GHz-14.7GHz,绝对带宽为2.68GHz,相对带宽为20.1%，实现了较宽的无损通信频段。
图8a、图8b分别为本发明提供的超宽带吸收与反射一体化频率选择表面在水平极化和垂直极化下的电磁吸收率曲线。图中的横坐标为频率，单位为（GHz），图中纵坐标为吸收率。从图中可以看出，本发明公开的结构在垂直入射情况下，吸波性能十分明显，即在两种极化下，吸波性能基本一致，吸收率大于80%的频段为3.28GHz-11.02GHz、16.10GHz-23.08GHz，相对带宽分别为：108%和35.6%，吸收频段比较宽，且吸收性能优异。
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内。

Claims (10)

1.一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，包括自上而下依次层叠的多层条带集总电阻的吸波层、空气层和金属反射层，吸收层包括第一介质板、第二介质板、第一FSS层、第二FSS层和第三FSS层，第一介质板与第二介质板压合而成，第一介质板位于第二介质板上，第一FSS层位于第一介质板上表面、第二FSS层位于第一介质板的下表面，第三FSS层位于第二介质板下表面。
2.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，金属反射层的厚度大于等于工作频段内电磁波在金属反射层上的趋肤深度。
3.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，第一介质板、第二介质板均采用F4B介质，其介电常数为2.65，第一介质板、第二介质板的厚度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，
第一介质板是由M×N个第一介质板周期单元组成，第二介质板是由M×N个第二介质板周期单元组成，第一FSS层是由M×N个第一FSS层周期单元组成，第二FSS层是由M×N个第二FSS层周期单元组成，第三FSS层是由M×N个第三FSS层周期单元组成；第一介质板周期单元、第二介质板周期单元、第一FSS层周期单元、第二FSS层周期单元、第三FSS层周期单元均为正方形且正方形的边长均为P，第一至第四金属条带均称为金属条带；其中，
第一FSS层周期单元、第三FSS层周期单元均分别包括四个第一金属条带、四个第二金属条带，第二金属条带的长度大于第一金属条带；第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第一金属条带和1个第二金属条带、或第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第二金属条带和1个第一金属条带；
第一FSS层周期单元翻转180度后，第一FSS层周期单元的金属条带与第三FSS层周期单元的金属条带的位置是对称的；
每个第一FSS层周期单元内的第二金属条带与相邻的第一FSS层周期单元内的与该第二金属条带最近的第一金属条带共同构成一个金属偶极子条带谐振单元，在金属偶极子条带谐振单元中心集总电阻；
每个第三FSS层周期单元内的第二金属条带与相邻第三FSS层周期单元内的与该第二金属条带最近的第一金属条带共同构成一个金属偶极子条带谐振单元，在金属偶极子条带谐振单元中心集总电阻；
第二FSS层周期单元包括4个第三金属条带以及8个第四金属条带，第三金属条带的长度大于第四金属条带；第二FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第四金属条带，4个第三金属条带分别平行于第二FSS层周期单元的1个边长设置在第二FSS层周期单元中，且每个第三金属条与2个第四金属条位于一条直线上，四个第三金属条带关于第二FSS层周期单元的中心是对称的；
每个第二FSS层周期单元内的第四金属条带与相邻第二FSS层周期单元内的与该第四金属条带最近的第四金属条带构成第五金属条带，第五金属条带的大小、性能与第三金属条带相同；
第一介质板周期单元、第二介质板周期单元内分别开有金属通孔，第二介质板周期单元翻转180度后的金属通孔的位置与第一介质板周期单元的金属通孔的位置是对称的；
第二FSS层周期单元中的第三和第四金属条带通过第一介质板周期单元中的金属通孔与第一FSS层周期单元中的第二金属条带相通；
第二FSS层周期单元中的第三和第四金属条带通过第二介质板周期单元中的金属通孔与第三FSS层周期单元中的第二金属条带相通。
5.根据权利要求4所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，
第三金属条带的两端以及第四金属条带的一端设有焊盘，第四金属条带设有焊盘的一端是不靠第二FSS层周期单元的边的；
第一FSS层周期单元的第二金属条带上设有2个焊盘，焊盘的位置与第一介质板周期单元上的金属通孔的位置是对应的，第三FSS层周期单元的第二金属条带上设有2个焊盘，焊盘的位置与第二介质板周期单元上的金属通孔的位置是对应的；
第一介质板周期单元、第二介质板周期单元内分别开有8个内径为0.002λ-0.06λ的金属通孔，第二介质板周期单元翻转180度后的金属通孔的位置与第一介质板周期单元的金属通孔的位置是对称的，λ反射频段的中心频点所对应的自由空间波长；
第二FSS层周期单元中的焊盘与第一介质板周期单元中的金属通孔的一端连接，第一介质板周期单元中的金属通孔的另一端与第一FSS层周期单元中的焊盘连接；
第二FSS层周期单元中的焊盘与第二介质板周期单元中的金属通孔的一端连接，第二介质板周期单元中的金属通孔的另一端与第三FSS层周期单元中的焊盘连接。
6.根据权利要求4所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，
当第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第一金属条带和1个第二金属条带时，第二FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第二金属条带和1个第一金属条带；
当第一FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第二金属条带和1个第一金属条带，第二FSS层周期单元的边上P/4、3P/4处均垂直的分别设有1个第一金属条带和二个第一金属条带。
7.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，电磁波的水平极化与垂直极化完全独立，互不干扰，处在同一极化下的金属条带均连通，且同一极化下的金属条带与最近的同极化下的金属条带相差一个周期。
8.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，第一介质板周期单元、第二介质板周期单元、第一FSS层周期单元、第二FSS层周期单元和第三FSS层周期单元均为正方形，边长为0.65λ-0.75λ，其中λ为反射频段的中心频点所对应的自由空间波长。
9.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，M为大于等于5的整数，N为大于等于1的整数。
10.根据权利要求1所述的一种2.5D多层频率选择表面，其特征在于，N为大于等于5的整数，M为大于等于1的整数。
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