CN114421173A - Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构及表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构及表面结构，涉及微波技术领域，单元结构包括第一介质基层、第二介质基层、第一介质基层与第二介质基层之间的空气层；第一介质基层靠近第二介质基层的一侧设置有两个镂空八边形金属贴片；第二介质基层远离第一介质基层的一侧设置有两个镂空八边形金属贴片，以及焊接在两个镂空八边形金属贴片上的电阻贴片。本发明公开的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构以及依据所述单元结构构成的表面结构，能够提高反射频段的吸收效果，带内透射系数更好，且透波频带的带宽较宽，从而实现Ku波段带内宽带透波，带外通过加载电阻获得更高的吸收率。

Description

Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构及表面结构
技术领域
本发明涉及微波技术领域，更具体的说是涉及一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构及表面结构。
背景技术
Ku波段是指从12GHz到18GHz频段的电磁波，被广泛应用于雷达和卫星通信等领域。频率选择表面是在介质上具有平面金属阵列的二维周期结构，在一定的谐振频率上表现出透射和反射特性频率选择表面结构，在其阻带的特定频率范围内会产生良好的反射特性。反射型频率选择结构是利用特定频段的反射实现隐身，但是，随着现代战争电子战领域中反隐身技术的不断发展，类似于多基站雷达这种能够接收探测目标散射到其余各个方向的雷达信号的雷达技术应用越发普及，频率选择表面隐身天线罩将很容易失去隐身能力。针对这种新的隐身能力的要求，具有带内透波和带外吸波特性的吸透一体频率选择表面被提出，它可以传输带内功率并吸收带外功率，可以看作是频率选择表面的透波特性和吸波体吸波特性两种功能的组合。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构及表面结构。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，包括第一介质基层、第二介质基层、第一介质基层与第二介质基层之间的空气层；
所述第一介质基层靠近第二介质基层的一侧设置有金属贴片；
所述第二介质基层远离第一介质基层的一侧设置有金属贴片和电阻贴片。
所述第一介质基层设置的金属贴片包括设置在第一介质基层外围的第一镂空八边形金属贴片和设置在第一介质基层内围的第二镂空八边形金属贴片。
所述第二介质基层设置的金属贴片包括设置在第二介质基层外围的第三镂空八边形金属贴片和设置在第二介质基层内围的第四镂空八边形金属贴片。
可选的，所述电阻贴片焊接在所述第二介质基层的金属贴片上。
所述电阻贴片焊接在第三镂空八边形金属贴片的四条边上，以及第四镂空八边形金属贴片的四条边上。
可选的，所述第一介质基层和所述第二介质基层均为介电常数为2.65、损耗角为0.0013、厚度为0.5mm的F4B介质板。
可选的，所述表面单元结构的尺寸为所工作的中心频率对应波长的1/2。
可选的，所述表面单元结构的尺寸为14mm。
可选的，所述第二介质基层外围的第三镂空八边形金属贴片的尺寸为：边长l1＝6.5mm，l2＝13mm，宽度dl2＝0.5mm；所述第二介质基层内围的第四镂空八边形金属贴片的尺寸为：边长l3＝1.6mm，l4＝3.2mm，宽度dl3＝0.3mm。
可选的，所述第一介质基层外围的第一镂空八边形金属贴片的尺寸与第三镂空八边形金属贴片的尺寸一致；所述第一介质基层内围的十字型金属贴片的尺寸与第四镂空八边形金属贴片的尺寸一致。
一种Ku波段吸透一体的频率选择表面结构，使用所述频率选择表面单元结构以周期性矩形阵列排列所构成。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构及表面结构，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明公开的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构以及依据所述单元结构构成的表面结构，在第一介质基层设置两个镂空八边形金属贴片，在第二介质基层设置两个镂空八边形金属贴片，并且创造性地在第二介质基层加载电阻贴片，提高了反射频段的吸收效果，带内透射系数更好，且透波频带的带宽较宽，从而实现带内宽带透波，带外通过加载电阻获得更高的吸收率。
本发明通过等效电路的方法对单元结构大小、贴片尺寸、介质层厚度、加载贴片电阻的位置和贴片电阻的大小等进行设计，获取最佳单元结构参数。并且可通过调整单元结构大小和贴片大小改变频率选择表面结构的工作频段。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的频率选择表面单元结构示意图；
图2为本发明的频率选择表面结构整体示意图；
图3(a)为本发明的频率选择表面单元结构的第一介质基层结构示意图；
图3(b)为本发明的频率选择表面单元结构的第二介质基层结构示意图；
图4为本发明的频率选择表面单元结构的等效电路图；
图5(a)为本发明的频率选择表面单元结构的透射系数仿真图；
图5(b)为本发明的频率选择表面单元结构的反射系数仿真图；
图6为本发明的频率选择表面单元结构的吸收率曲线图；
其中，1为第一介质基层，2为第二介质基层，3为空气层，4为第一镂空八边形金属贴片，5为第二镂空八边形金属贴片，6为第三镂空八边形金属贴片，7为第四镂空八边形金属贴片，8为电阻贴片；11为频率选择表面结构的第一介质基层，12为频率选择表面结构的空气层，13为频率选择表面结构的第二介质基层。
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。
本发明实施例公开了一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，参见图1，包括第一介质基层1、第二介质基层2、第一介质基层1与第二介质基层2之间的空气层3；
所述第一介质基层1靠近第二介质基层2的一侧设置有金属贴片；
所述第二介质基层2远离第一介质基层1的一侧设置有金属贴片和电阻贴片8。
在具体实施例中，参见图3(a)所述第一介质基层1设置的金属贴片包括设置在第一介质基层1外围的第一镂空八边形金属贴片4和设置在第一介质基层1内围的第二镂空八边形金属贴片5。
在具体实施例中，参见图3(b)，所述第二介质基层2设置的金属贴片包括设置在第二介质基层2外围的第三镂空八边形金属贴片6(R1)和设置在第二介质基层2内围的第四镂空八边形金属贴片7(R2)。所述电阻贴片8焊接在所述第二介质基层2的金属贴片上。具体的，所述电阻贴片8间隔性地焊接在第三镂空八边形金属贴片6的四条边上，以及第四镂空八边形金属贴片7的四条边上，参见图3(b)。
本发明实施例还提供一种Ku波段吸透一体的频率选择表面结构，参见图2，频率选择表面结构使用频率选择表面单元结构以周期性矩形阵列排列所构成。
本发明频率选择表面单元结构的等效电路模型如图4所示，Z0表示自由空间的波阻抗，ZF1为阻性层，ZF2为无耗匹配层，Z1表示间隔层的波阻抗。由图4转移矩阵
Figure BDA0003496561550000051
来求出级联网络输入与输出的关系，然后，利用转移矩阵与散射矩阵的关系可以求解出散射矩阵即S参数的表现形式：
Figure BDA0003496561550000052
其中，
Figure BDA0003496561550000053
表征端口1的输入总电压和输入总电流与端口2的输出总电压和输出总电流的关系，
Figure BDA0003496561550000054
f是工作频率，c是真空中的光速，εr1是介质底板的相对介电常数，h1是空气层厚度。
为了实现带内透波、带外吸波，本实施例从低频到高频依次定义f1、f2和f3，在f1和f3设计理想指标S11＝0，S21＝0，在f2处设计理想指标S11＝0，S21＝1。S11和S21分别是指1端口的反射系数、端口1到端口2的正向传输系数。
对转移矩阵进行变换可以得到S11和S21。
Figure BDA0003496561550000055
Figure BDA0003496561550000056
其中，M＝ZF1ZF2,N＝ZF1+ZF2,T＝ZF1-ZF2,
Figure BDA0003496561550000057
和
Figure BDA0003496561550000058
中间介质层为空气，则Z1＝Z0，Q＝0，根据设计的理想目标f1和f3频率处S21＝0，则ZF1ZF2＝0，若ZF1＝0，等效为金属表面，将发生全反射，因此ZF2＝0。由于ZF1为复阻抗，将ZF1＝R+jX代入S11表达式，由S11＝0可得：
Figure BDA0003496561550000061
化简得
Figure BDA0003496561550000062
在f2处根据S21＝1,对S21进行计算得：
Figure BDA0003496561550000063
当ZF1ZF2→∞，分母模值|cosθ1+jsinθ1|＝1，因此S21＝1。带外吸波结构可以等效一个开路结构，因此只要上下两层是带通型结构，就能实现带内透波。
则带内透波带外吸波的频率选择表面结构需符合下列条件：
1、Z1＝Z0，即第二介质基层2的两个镂空八边形金属贴片和第一介质基层1的两个镂空八边形金属贴片的频率选择表面之间用空气层3间隔；
2、ZF2＝0，即第一介质基层1的第一镂空八边形金属贴片4、第二镂空八边形金属贴片5频率选择表面需要在f1和f3处产生谐振；
3、第二介质基层2的两个镂空八边形金属贴片需加载贴片电阻，形成带外吸波的特性。
通过对频率选择表面结构的优化设计，得到最终尺寸：频率选择表面单元结构的尺寸为14mm，约为中心频率对应波长的1/2左右；第二介质基层2外围的第三镂空八边形金属贴片6的尺寸为：边长l1＝6.5mm，l2＝13mm，宽度dl2＝0.5mm；第二介质基层2内围的第四镂空八边形金属贴片7的尺寸为：边长l3＝1.6mm，l4＝3.2mm，宽度dl3＝0.3mm；第一介质基层1外围的第一镂空八边形金属贴片4的尺寸与第三镂空八边形金属贴片6的尺寸一致；第一介质基层1内围的第二镂空八边形金属贴片5的尺寸与第四镂空八边形金属贴片7的尺寸一致。
在具体实施例中，所述第一介质基层1和所述第二介质基层2均为介电常数为2.65、损耗角为0.0013、厚度为0.5mm的F4B介质板。
如图5(a)-图5(b)所示，在所设计单元的频带(4GHz-24GHz)内，透射频段的大于3dB的带宽为11.178GHz-18.393GHz。
根据吸收率的计算公式A＝1-|S11|2-|S21|2，可得吸收率随频率变化的曲线，如图6所示，在低频频段内最高吸收率可达73.79％,高频频段内最高吸收率可达69.51％。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，包括第一介质基层(1)、第二介质基层(2)、第一介质基层(1)与第二介质基层(2)之间的空气层(3)；
所述第一介质基层(1)靠近第二介质基层(2)的一侧设置有金属贴片；
所述第二介质基层(2)远离第一介质基层(1)的一侧设置有金属贴片和电阻贴片(8)；
所述第一介质基层(1)设置的金属贴片包括设置在第一介质基层(1)外围的第一镂空八边形金属贴片(4)和设置在第一介质基层(1)内围的第二镂空八边形金属贴片(5)；
所述第二介质基层(2)设置的金属贴片包括设置在第二介质基层(2)外围的第三镂空八边形金属贴片(6)和设置在第二介质基层(2)内围的第四镂空八边形金属贴片(7)。
2.根据权利要求1所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述电阻贴片(8)焊接在所述第二介质基层(2)的金属贴片上。
3.根据权利要求2所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述电阻贴片(8)焊接在第三镂空八边形金属贴片(6)的四条边上，以及第四镂空八边形金属贴片(7)的四条边上。
4.根据权利要求1所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一介质基层(1)和所述第二介质基层(2)均为介电常数为2.65、损耗角为0.0013、厚度为0.5mm的F4B介质板。
5.根据权利要求1所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述表面单元结构的尺寸为所工作的中心频率对应波长的1/2。
6.根据权利要求1所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述表面单元结构的尺寸为14mm。
7.根据权利要求1所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第三镂空八边形金属贴片(6)的尺寸为：边长l1＝6.5mm，l2＝13mm，宽度dl2＝0.5mm；所述第四镂空八边形金属贴片(7)的尺寸为：边长l3＝1.6mm，l4＝3.2mm，宽度dl3＝0.3mm。
8.根据权利要求1所述的一种Ku波段吸透一体的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一镂空八边形金属贴片(4)的尺寸与第三镂空八边形金属贴片(6)的尺寸一致；所述第一介质基层(1)内围的第二镂空八边形金属贴片(5)的尺寸与第四镂空八边形金属贴片(7)的尺寸一致。
9.一种Ku波段吸透一体的频率选择表面结构，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述频率选择表面单元结构以周期性矩形阵列排列所构成。
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