CN113381194A

CN113381194A - 一种频率选择吸波体

Info

Publication number: CN113381194A
Application number: CN202011568085.5A
Authority: CN
Inventors: 张澎; 鞠量; 孙一凡
Original assignee: Shenyang Aircraft Design and Research Institute Aviation Industry of China AVIC
Current assignee: Shenyang Aircraft Design and Research Institute Aviation Industry of China AVIC
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN113381194B

Abstract

本申请属于微波技术领域，特别涉及一种频率选择吸波体。其结构自上而下包括损耗层和传输层，损耗层包括第一方环金属贴片、圆环金属贴片、四个焊有电阻元件的长方形金属贴片、第一正方形介质板和第二方环金属贴片组成；传输层包括金属覆层，金属覆层被方环缝隙、四个直角缝隙进行分割；所述第一方环金属贴片和长方形金属贴片覆在第一正方形介质板的上表面，第二方环金属贴片覆在第一正方形介质板的下表面。申请具有高吸波率和低损耗的优点，可用于提升航空武器装备宽频雷达隐身能力，解决高隐身飞机机载射频孔径宽频雷达隐身电磁窗设计难题。

Description

一种频率选择吸波体

技术领域

本申请属于微波技术领域，特别涉及一种频率选择吸波体。

背景技术

频率选择表面是一种对空间不同频段的电磁波显现出透射、反射或吸收等不同特性的空间滤波器。对频率选择表面进行优化和重组，形成了具有双层结构的频率选择吸波体。频率选择吸波体具有通带低损耗透波，阻带显著吸波的滤波特性。相较于传统的频率选择表面，能够避免带外反射。在保证被防护设备整体性能的同时，实现天线雷达截面积减缩，达到隐身的目的。

吸透一体化频率选择表面是指对空间中的电磁波同时具备吸收特性和透射特性的一类频率选择表面，其设计旨在实现天线工作频段内的电磁波能正常透射，而工作频段外的电磁波则被吸收掉，从而减少电磁波的反射。吸透一体化频率选择表面可应用于诸多频段领域，目前所涉及频段从L波段到K波段不等。

随着雷达反隐身技术的发展，被传统频率选择表面反射的带外信号有可能被对方雷达侦测到，尤其某一方向较强的反射。而吸波/透波频率选择表面可以使带外信号不是被反射，而是被吸收，这样大大减少了安全隐患，提升作战性能，这就是设计吸波/透波频率选择表面的初衷。为了改变传统的“反射-传输-反射”模式为“吸收-传输-吸收”模式，通常可以利用等效电路模型方法来指导设计出吸波/透波频率选择表面。

现有的具有吸波/透波特性的频率选择吸波体包含损耗层和传输层，损耗层是一种带有镀铜通孔的超材料宽带吸波体，传输层是由频率选择表面构成的。根据所需滤波特性构建等效电路从而得到电路参数，在损耗层上加载电阻元件来实现吸波的效果，构成频率选择吸波体。然后再在电阻元件两端加载的串联LC谐振器，构成通带嵌入型频率选择吸波体。在谐振时，串联LC谐振器阻抗为零，电阻不消耗能量，出现传输零点。根据Foster电抗定理，任何两个相邻的传输零点之间必有一个传输极点。损耗层等效电路中的三个LC电路产生三个传输零点，而三个传输零点之间存在两个传输极点。由此，通过等效电路模型构造出具有“吸波-透波- 吸波-透波-吸波”特性的频率选择吸波体。

例如，公开号为CN108539431B的中国发明专利中提出了一种基于并联LC谐振器加载的通带嵌入型频率选择吸波体，该吸波体根据并联LC谐振器谐振时阻抗无穷大，且与其串联的主路上电流为零的特性，阻止所加载电阻消耗电磁波能量，实现了透波通带嵌入吸波频带。并且，并联 LC谐振器可以直接集成在加载有电阻的耶路撒冷十字形贴片的十字臂上，该结构不再需要布置额外的偏置电路，可用于简化现有通带嵌入型频率选择吸波体复杂的结构。

再如，2019年，Min Guo和Qiang Chen等人在期刊《IEEE ANTENNAS AND WIRELESSPROPAGATION LETTERS》第18卷5期第1页发表的文章“Design of Dual-Band Frequency-Selective Rasorber”中，提出了一种具有双波段传输和宽带吸收特性的新型频率选择光栅(FSR)。基于Foster 电抗定理，采用三种不同的串联LC并联结构实现双谐振结构。串联LC电路的三个阻抗零点之间有两个阻抗极点，在这两个阻抗零点之间可以得到两个透明窗口。在带通频率选择表面上刻蚀两个不同形状和尺寸的槽，实现了7.7和12.6GHz的两个传输频段，其中吸波频段为3.7～11.1GHz。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出了一种三频段吸波双频段透波的频率选择吸波体，用于解决现有通带嵌入型频率选择吸波体结构复杂的技术问题。解决了目前双透波吸透一体化FSS在高频吸波率不足的技术问题。

本申请频率选择吸波体，主要包括：

损耗层，所述损耗层包括第一正方形介质板，第一正方形介质板的上表面设置有第一方环金属贴片，第一方环金属贴片的四个角通过具有设定阻值的长方形金属贴片连接到第一正方形介质板的侧边，第一方环金属贴片内设置有圆环金属贴片，第一正方形介质板的下表面设置有第二方环金属贴片；

传输层，设置于损耗层下方，所述传输层包括第二正方形介质板，第二正方形介质板上表面设置有金属覆层，金属覆层被其上进行蚀刻的方环缝隙及直角缝隙分割成位于第二正方形介质板正中心的中央覆层及位于第二正方形介质板四个角处的角覆层；

其中，第一方环金属贴片的四条边相对于第一正方形介质板的对应四条边呈45°布置，第二方环金属贴片的四条边相与第一正方形介质板的对应四条边平行，第一方环金属贴片与其内的圆环金属贴片不相交。

优选的是，传输层加载在损耗层的下方，且两者之间设置有间隙。

优选的是，所述长方形金属贴片上设置有电阻元件。

优选的是，所述第一正方形介质板和第二正方形介质板采用边长相同的F4BM-2材质制成。

优选的是，所述第一正方形介质板和第二正方形介质板的边长 P＝24mm，厚度h＝1mm，相对介电常数ε_r＝3。

优选的是，所述第一方环金属贴片的边长为M1，环的宽度为W1，其中，8.18mm≤M1≤8.22mm，0.33mm≤W1≤0.37mm。

优选的是，所述圆环金属贴片的内、外半径分别r1、R1，其中，3.62mm ≤r1≤3.68mm，3.87mm≤R1≤3.93mm，且2R1＜M1。

优选的是，所述长方形金属贴片的长、宽分别为M2、W2，，其中， 5.95mm≤M2≤6.05mm，0.44mm≤W2≤0.56mm。

优选的是，所述第二方环金属贴片的边长为M3，环的宽度为W3，其中，9.42mm≤M3≤9.58mm，0.22mm≤W3≤0.28mm。

优选的是，所述方环缝隙的内环边长为M4，缝隙宽度为W4，其中， 11.48mm≤M4≤11.52mm，0.97mm≤W4≤1.03mm。

优选的是，所述直角缝隙内环边的长度为M5，缝隙宽度为W5，其中， 3.88mm≤M5≤3.92mm，0.59mm≤W5≤0.61mm。

本申请具有如下优点：

1、本申请由于采用在损耗层上设置有第一方环金属贴片、圆环金属贴片、四个焊有电阻元件的长方形金属贴片和第二方环金属贴片的技术方案，等效为一个并联RLC电路和三个串联LC并联电路，解决了目前双透波吸透一体频率选择表面在高频吸波率不足的问题，使损耗层出现三个吸波频段，且每两个相邻吸波段之间有一个吸波率低的透波频段；同时在损耗层底部加载地板，提高了结构总体的吸波率。因此，本申请具有高吸波率和低损耗的优点。

2、本申请传输层的设计基于损耗层的地板机构，设置有方环缝隙和直角缝隙，将传输层单元在同一平面周期性排列，可以得到两个交叉排列的方环(周期排列后，方环缝隙内环边长与直角缝隙内环边长之比在 2.4到2.9之间，一方面保证结构不相交，另一方面保证性能不失真，该比例对两个通带谐振频率之比有影响)，实现了双通带特性，从而完成双透波传输层的设计；传输层加载在损耗层的下方，二者之间有一定高度的空气层，结构总体的选择对称，使吸波体对入射电磁波具有较好的极化稳定性。

本申请的目的在于克服传统“反射-传输-反射”频率选择表面工作模式的技术缺点，利用“吸收-传输-吸收”设计方法，提出了一种三频段吸波双频段透波的频率选择吸波体，用于解决现有通带嵌入型频率选择吸波体结构复杂、在高频吸波率不足的技术问题。本申请可用于提升航空武器装备宽频雷达隐身能力，解决高隐身飞机机载射频孔径宽频雷达隐身电磁窗设计难题，后续应用前景非常广阔。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明损耗层的上表面结构示意图；

图3是本发明损耗层的下表面结构示意图；

图4是本发明传输层的结构示意图；

图5是本发明的传输系数和反射系数随频率的变化曲线；

图6是本发明的结构吸波率随频率的变化曲线；

图7是本发明在TE极化电磁波分别以0°、10°和20°入射时传输系数随频率的变化曲线；

图8是本发明在TE极化电磁波分别以0°、10°和20°入射时反射系数随频率的变化曲线；

图9是本发明在TM极化电磁波分别以0°、10°和20°入射时传输系数随频率的变化曲线；

图10是本发明在TM极化电磁波分别以0°、10°和20°入射时反射系数随频率的变化曲线。

其中，1-损耗层，11-第一方环金属贴片，12-圆环金属贴片，13-长方形金属贴片，14-第一正方形介质板，15-第二方环金属贴片，2-传输层， 21-方环缝隙，22-直角缝隙，23-金属覆层，24-第二正方形介质板。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种频率选择吸波体，如图1-图4所示，其结构自上而下包括损耗层1和传输层2，所述损耗层1由第一方环金属贴片11、圆环金属贴片12、四个焊有电阻元件的长方形金属贴片13、第一正方形介质板 14和第二方环金属贴片15组成；所述传输层2由方环缝隙21、四个直角缝隙22、金属覆层23和第二正方形介质板24组成；所述第一方环金属贴片 11、圆环金属贴片12、长方形金属贴片13覆在第一正方形介质板14的上表面，第二方环金属贴片15覆在第一正方形介质板14的下表面；所述金属覆层23覆在第二正方形介质板24的上表面，方环缝隙21、直角缝隙22 蚀刻(露出第二正方形介质板24)在金属覆层23的上表面。

其中，所述第一方环金属贴片11位于第一正方形介质板14上表面的中心位置，该第一方环金属贴片11绕第一正方形介质板14中心法线旋转 45°；所述圆环金属贴片12位于第一正方形介质板14上表面的中心位置，且位于第一方环金属贴片11内测，不相切；所述第一方环金属贴片11的四个角向第一正方形介质板14的边缘为四个长方形金属贴片13，每个长方形金属贴片13中间焊有一个电阻元件；所述第二方环金属贴片15位于第一正方形介质板14下表面的中心位置。第二方环金属贴片15与第一方环金属贴片11正交，即两种方环对角线呈45°。

所述方环缝隙21位于第二正方形介质板24上表面的中心位置，该方环缝隙21的边与第二正方形介质板24的边平行；所述直角缝隙22位于第二正方形介质板24的四个角，该直角缝隙22的边与第二正方形介质板24 的相接触的边边垂直。

在一个实施例中，所述第一正方形介质板14和第二正方形介质板24，采用边长相同的F4BM-2材质，其边长P＝24mm，厚度h＝1mm，相对介电常数＝3。所述第一方环金属贴片11的边长为M1，环的宽度为W1，其中， M1＝8.2mm，W1＝0.35mm。所述圆环金属贴片12的内、外半径分别r1、 R1，其中，r1＝3.65mm，R1＝3.9mm，且2R1＜M1。所述长方形金属贴片 13的长、宽分别为M2、W2，其中，M2＝6mm，W2＝0.5mm。所述第二方环金属贴片15的边长为M3，环的宽度为W3，其中，M3＝9.5mm， W3＝0.25mm。

在另一个实施例中，所述方环缝隙21的内环边长为M4，缝隙宽度为 W4，其中，M4＝11.5mm，W4＝1mm。所述直角缝隙22内环边的长度为 M5，缝隙宽度为W5，其中，M5＝3.9mm，W5＝0.6mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

对于所描述的本发明天线结构，对其工作在1GHz～12GHz频段上的性能进行仿真实验。利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例频率选择吸波体的传输系数和反射系数进行仿真计算、对上述实施例频率选择吸波体的结构吸波率进行仿真计算、对上述实施例在TE极化电磁波以不同角度入射时的传输系数进行仿真计算、对上述实施例在TE极化电磁波以不同角度入射时的传输系数和反射系数进行仿真计算，以及对上述实施例在TM极化电磁波以不同角度入射时的传输系数和反射系数进行仿真计算。

参考图5，横坐标表示本发明的工作频率，纵坐标表示传输/反射系数。由传输系数曲线可看出，该结构具有两个透波频段，其中传输系数大于 -3dB的频段为4.97GHz～5.73GHz和7.45GHz～7.91GHz，两频段最大传输系数分别为-0.39dB和-0.23dB。

参考图6，横坐标表示本发明的工作频率，纵坐标表示结构吸波率。由吸波率曲线可看出，2.98GHz～4.35GHz、6.07GHz～7.32GHz和 8.52GHz～10.41GHz频段的吸波率超过80％。

参考图7、图8，横坐标表示本发明的工作频率，纵坐标表示TE极化电磁波以不同角度入射时的传输系数曲线和反射系数曲线；参考图9、图 10，横坐标表示本发明的工作频率，纵坐标表示TM极化电磁波以不同角度入射时的传输系数曲线和反射系数曲线；由图可知，结构在0°至20°入射角下性能稳定，具有一定的角度稳定性，且由于结构90°旋转对称，因此具有较好的极化稳定性。

以上仿真结果表明，本发明在1GHz～12GHz的频段内能实现结构的吸波-透波-吸波-透波-吸波特性，在0°、10°和20°入射角下，均显现为双透波特性，且在吸波频段的吸波效果较好，解决了目前双透波频率选择吸波体在高频吸波率不足的问题。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种频率选择吸波体，其特征在于，包括：

损耗层(1)，所述损耗层(1)包括第一正方形介质板(14)，第一正方形介质板(14)的上表面设置有第一方环金属贴片(11)，第一方环金属贴片(11)的四个角通过具有设定阻值的长方形金属贴片(13)连接到第一正方形介质板(14)的侧边，第一方环金属贴片(11)内设置有圆环金属贴片(12)，第一正方形介质板(14)的下表面设置有第二方环金属贴片(15)；

传输层(2)，设置于损耗层(1)下方，所述传输层(2)包括第二正方形介质板(24)，第二正方形介质板(24)上表面设置有金属覆层(23)，金属覆层(23)被其上进行蚀刻的方环缝隙(21)及直角缝隙(22)分割成位于第二正方形介质板(24)正中心的中央覆层及位于第二正方形介质板(24)四个角处的角覆层；

其中，第一方环金属贴片(11)的四条边相对于第一正方形介质板(14)的对应四条边呈45°布置，第二方环金属贴片(15)的四条边相与第一正方形介质板(14)的对应四条边平行，第一方环金属贴片(11)与其内的圆环金属贴片(12)不相交。

2.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述长方形金属贴片(13)上设置有电阻元件。

3.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述第一正方形介质板(14)和第二正方形介质板(24)采用边长相同的F4BM-2材质制成。

4.如权利要求3所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述第一正方形介质板(14)和第二正方形介质板(24)的边长P＝24mm，厚度h＝1mm，相对介电常数ε_r＝3。

5.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述第一方环金属贴片(11)的边长为M1，环的宽度为W1，其中，8.18mm≤M1≤8.22mm，0.33mm≤W1≤0.37mm。

6.如权利要求5所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述圆环金属贴片(12)的内、外半径分别r1、R1，其中，3.62mm≤r1≤3.68mm，3.87mm≤R1≤3.93mm，且2R1＜M1。

7.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述长方形金属贴片(13)的长、宽分别为M2、W2，，其中，5.95mm≤M2≤6.05mm，0.44mm≤W2≤0.56mm。

8.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述第二方环金属贴片(15)的边长为M3，环的宽度为W3，其中，9.42mm≤M3≤9.58mm，0.22mm≤W3≤0.28mm。

9.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述方环缝隙(21)的内环边长为M4，缝隙宽度为W4，其中，11.48mm≤M4≤11.52mm，0.97mm≤W4≤1.03mm。

10.如权利要求1所述的频率选择吸波体，其特征在于，所述直角缝隙(22)内环边的长度为M5，缝隙宽度为W5，其中，3.88mm≤M5≤3.92mm，0.59mm≤W5≤0.61mm。