CN114421175B - 一种大入射角稳定的吸-透一体化共形频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大入射角稳定的吸‑透一体化共形频率选择表面，包括周期性排布的若干频率选择单元，所述的频率选择单元包括：上层介质、下层介质；位于上下两层介质之间的空气层；频率选择吸波层，设置在上层介质的上表面；频率选择透波层，设置在下层介质的下表面。周期性单元和薄介质基板具有易弯曲的特点，可以根据需求自由调整表面弯曲程度，实现不超过四分之一柱面的共形弯曲。本发明的吸‑透一体化共形频率选择表面具有入射波极化和大入射角稳定、低插入损耗和高吸收率、频带易调整、易弯曲、可共形等优点，根据实际需求可调整特定结构参数，实现3‑11GHz工作频带的中频通带和带外低、高频段高吸波防护。

Description

一种大入射角稳定的吸-透一体化共形频率选择表面

技术领域

本发明设计属于微波工程领域，具体发明内容为吸-透一体化共形频率选择表面，可以实现特定频率的电磁波透明传输，其它频段入射电磁波被吸收。

背景技术

频率选择表面是一类有贴片或者孔径组成的周期性单元结构，通过贴片和孔径的结构调整，可以使频率选择电磁防护表面实现目标频段的透明传输或强反射，在此基础上衍生的频率选择吸收表面，可以将非通带频段的电磁波吸收。

专利《具有高频宽带吸波和低频透波的吸透一体化频率选择表面》，专利号CN202110105340.0，提出了一种具有高频宽带吸波和低频透波的吸透一体化频率选择表面，包括自上而下依次层叠的顶层吸波层、中间谐振层和底层谐振层，顶层吸波层与中间谐振层之间设有一层介质基板，中间层与底层谐振层之间设有第二介质基板，每层包括m×n个金属贴片单元，其特征在于：所述顶层吸波层的每个单元由电阻性耶路撒冷十字结构组成；所述中间谐振层的每个单元由一块方环型金属条带、四个圆型金属片，四条方型金属条带组成，方形金属条带通过旋转对称与四个圆型金属片分别相连，四个圆型金属片呈轴对称分布；所述底层谐振层的每个单元由四个圆型金属片和八条方型金属条组合而成，四个圆型金属片和八条方型金属条各自分别呈轴对称分布；所述顶层吸波层和第一介质基板固定连接，二者共同作用产生宽带吸波效果；所述中间谐振层、第二介质基板和底层谐振层固定连接，三者共同产生透波效果。

然而，频率选择电磁防护表面常根据机载、弹载等需求，需要与机体或弹体共形，例如天线罩等电磁隐身防护结构，当前刚性或角度稳定性差的频率选择表面难以实现自由弯曲共形与电磁防护应用。

发明内容

基于现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种具有大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面建模设计方法。

为了实现上述的目标，本发明提供了一种大入射角稳定的吸-透一体化共形频率选择表面，包括：

周期性排布的若干频率选择单元；

所述的频率选择单元包括：

上层介质、下层介质；

空气层，位于上下两层介质之间；频率选择吸波层，设置在上层介质的上表面；频率选择透波层，设置在下层介质的下表面。

优选的，所述上、下层介质的厚度均不大于0.5mm，所述空气层的厚度为6mm～9mm。上、下层介质可以自由调整弯曲程度，可适应不同曲率表面的共形应用。

优选的，所述的频率选择单元为正方形。

优选的，所述的频率选择吸波层包括由微带金属贴片构成的谐振单元和贴片型吸波电阻，所述的微带金属贴片和吸波电阻串联。

更优选的，所述的频率选择吸波层结构呈中心对称，所述的微带金属贴片包括微带金属环和谐振单元；所述的微带金属环为相对于频率选择单元呈45°旋转的正方形，微带金属环的四条边的中间部分均断开，4个贴片电阻分别设置在四个截断部位，微带金属环的四角各自连接一向外延展的条形金属微带线，条形金属微带线分别与一个谐振单元连接。

更优选的，所述的谐振单元包括外环和内贴片；所述的外环呈六边形，为长方形剪去内侧边上的两个角；所述的内贴片为截去内侧两个角的长方形，外环和内贴片相对部分的轮廓线平行，且通过条形金属贴片连接。

更优选的，所述的频率选择透波层包含一个中心对称的十字单元及其互补结构，十字单元与互补结构之间存在缝隙。

本发明相较于现有技术具有如下优势：频率选择吸波层和频率选择透波层区别于硬质共形结构，具有自由弯曲的特点，可根据需求调整表面曲率，实现不超过四分之一柱面的共形弯曲调整。本发明同时具有优秀的入射波极化和大入射角稳定性，在TM波入射角高达60°时，依然能达到60％的能量吸收率，起到大角度入射时的带外电磁防护及电磁干扰抑制作用，通带内插入损耗低，吸收带内吸收率高，带外电磁防护性能好。调节结构的特定参数，可以改变其电学性能参数，得到所需的电磁波传输和吸收频段。此外，所设计的结构的泛化能力强，能够根据不同需求，将通带频率用于其它频段的同时，依然基本保留上述结构的吸-透一体化电磁防护性能，可实现3-11GHz工作频带的中频通带和带外低、高频段高吸波防护。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面的单元结构斜视图；

图2为本发明的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面的单元结构平面图，其中图2(a)为单元上层吸波层的平面图及其结构参数，图2(b)为单元下层透波层的平面图及其结构参数；

图3为本发明的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面，对垂直入射的电磁波表现出的传输/反射特性曲线和能量吸收曲线的仿真与测试结果，其中，图3(a)为TE波和TM波垂直入射时平面结构的S21和S11的仿真曲线，图3(b)为电磁波垂直入射时的仿真和测试的S参数；图3(c)为电磁波垂直入射时的仿真和测试的能量吸收率曲线；

图4为大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面在不同入射角时的传输/反射特性以及能量吸收特性仿真图，其中图4(a)为TE波在不同入射角时的透射特性，图4(b)为TM波在不同入射角时的透射特性，图4(c)是TE波在不同入射角时的反射特性，图4(d)是TM波在不同入射角时的反射特性，图4(e)是TE波在不同入射角时的能量吸收率，图4(f)是TM波在不同入射角时的能量吸收率；

图5为本发明的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面的共形应用示意图，其中柱面的圆心角

与表面的弯曲程度相关；

图6为本发明的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面的在不同弯曲程度下的仿真与测试曲线，图6(a)为柱面圆心角为45°的传输/反射的测试曲线与平面结构的传输/反射仿真曲线对比，图6(b)为柱面圆心角为60°的传输/反射的测试曲线与平面结构的传输/反射仿真曲线对比，图6(c)为平面结构及柱面圆心角为45°和60°时的能量吸收率曲线对比；

图7是根据不同的透波频段需求，结构参数调整后的仿真结果，其中图7(a)为TE波在不同入射角时，调整后结构的传输/反射特性，图7(b)为对应的能量吸收特性；图7(c)为TM波在不同入射角时，调整后结构的传输/反射特性，图7(d)为对应的能量吸收特性。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1展示了本发明的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面的结构示意图，工作的频率为3-11GHz，根据需求可以优化参数结构，可以调整透波频率，同时实现低频和高频吸波防护。

本发明中的大入射角度稳定的吸-透一体化共形频率选择表面包括频率选择吸波层1、频率选择透波层2、介质层5、空气层6。吸波层和透波层选用相同边长的正方形作为周期单元，介质层选用较薄的介质加载，中间间隔一定的空气层，具体结构如图1和2所示。

所述的选择性吸波层呈现中心对称结构，包含：4个吸波电阻R、4个六边形谐振单元、1个正方形结构和4个用于连接的金属微带线。

其中，旋转45°的正方形环型金属贴片位于结构中心，4条边长中心截断，用于加载吸波电阻实现感应电流的损耗，4个角各自通过1条金属微带线与谐振单元连接，谐振单元为精心设计的六边形，包含谐振单元外环4和谐振单元内贴片3，将谐振外环设计为由长方形剪去两个等腰直角三角形的六边形环，可以使谐振单元更容易实现紧凑型设计，同时剪去的边角可以减弱邻近谐振单元之间的耦合，同时谐振单元内贴片3也遵循此设计，图中的缝隙7为谐振单元外环和谐振单元内贴片组成的平行缝隙，缝隙是组成谐振单元容性结构，谐振单元几何参数直接影响谐振单元的谐振频率，是性能调谐的主要参数之一。

所述的选择性透波层是由十字形结构及其互补结构共同组成，十字结构和互补结构中间同样存在缝隙，透波层的缝隙2是调节透波层传输性能的重要参数。

在上述实例中，为了实现频率选择透波特性，在吸波层中，六边形谐振单元组成LC谐振回路，用于控制吸波层透射时的谐振频率，在透波层中，十字形单元及其互补结构同样构成LC谐振回路，控制透波层的谐振频率。

为了实现频率选择吸波性能，在吸波层中，方形金属环边长的中间截断处加载吸波电阻，当谐振单元处于非谐振状态时，损耗流过的感应电流。

具体的结构参数如图2所示，P为吸波层和透波层单元周期，lr为加载吸波电阻的截断处长度，l0为方形环内边长，l1为正方型环金属贴片的外边长，l3为谐振单元外环剪去两角后的宽度，l4为谐振单元原长方形的宽，l5为谐振单元内贴片的宽度，l6为谐振单元内外贴片之间缝隙的宽度，w0为微带金属线的宽度，w1为谐振单元内贴片的长度，w3为谐振单元内外贴片连接微带线的宽度，w4为谐振单元外环剪去角后的长度，h为上、下表面之间的距离。

具体的参数如下：P＝15mm，lr＝0.7mm，l0＝3mm，l1＝2mm，l3＝2.1mm，l4＝3.5mm，w0＝0.45mm，w1＝4mm，w2＝6mm，w3＝0.2mm，fssl＝12mm，lgap＝0.25mm，fssw＝2.5mm，wgap＝0.25mm，h＝9mm。

在本例实施中，采用的吸波电阻R＝150Ω，介质采用F4BM220，厚度为0.5mm，介电常数为2.20，损耗正切为0.0007。。

图3(a)为TE波和TM波在垂直入射条件下的传输/反射曲线和能量吸收曲线，可以看到TE波和TM波波形吻合，证明结构具有很好的极化稳定性。在通带范围内，最小插入损耗小于0.05dB，在阻带最高吸收率高于97％，且3.53-5.35GHz和8.16-9.62GHz范围内高于90％，具有高吸收特性，起到带外电磁防护及电磁干扰抑制作用。

图4给出TE和TM波在不同入射角度时频率选择电磁防护表面的传输/反射和能量吸收的仿真特性曲线。其中图4(a)、(c)、(e)为TE波入射情形，图4(b)、(d)、(f)为TM波入射情形，可以看出结构在0-60°的入射角范围内，透波频段的角度稳定性好，在TM波入射角高达60°时，依然能达到60％的能量吸收率，起到大角度入射时的带外电磁防护及电磁干扰抑制作用。

图5给出了共形应用的阵列示意图，实际测试中采用了18*18的单元阵列，测试了共形弯曲下的不同柱面中心角

时的表面电磁性能。

图6(a)和(b)分别给出仿真和测试的阵列组成的柱面圆心角

在45°和60°的传输/反射特性，图6(c)为不同圆心角时的带外能量吸收特性。

图7给出了结构参数变化时，在其它透波频率时的仿真结果，具体地，在TE波入射时，随着入射角不同表现出的传输/反射特性和能量吸收率。从图中可以看出，该结构具有强大的泛化能力，能够通过调整参数，实现不同的实际应用，同时结构依然保留原结构的入射角度稳定性优势特征，阻带的高吸收率以及通带的低插入损耗等优点。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种大入射角稳定的吸-透一体化共形频率选择表面，其特征在于：

包括周期性排布的若干频率选择单元；

所述的频率选择单元包括：

上层介质、下层介质；空气层，位于上下两层介质之间；频率选择吸波层，设置在上层介质的上表面；频率选择透波层，设置在下层介质的下表面；

所述的频率选择吸波层呈中心对称结构，包含：4个贴片型吸波电阻、4个六边形的谐振单元、1个正方形结构和4个用于连接的金属微带线；其中，所述正方形结构为旋转45°的正方形环型金属贴片，位于结构中心，4条边长中心截断，4个贴片型吸波电阻分别设置在四个断开部位，正方形结构4个角各自通过一条金属微带线与谐振单元连接，所述的谐振单元包括外环和内贴片，外环呈六边形，为长方形剪去内侧边上的两个角；所述的内贴片为截去内侧两个角的长方形，外环和内贴片相对部分的轮廓线平行，且通过条形金属贴片连接；

所述的频率选择透波层包含一个中心对称的十字单元及其互补结构，十字单元与互补结构之间设置有缝隙；

所述上、下层介质的厚度均不大于0.5mm，所述空气层的厚度为6mm~9mm。

2.根据权利要求1所述的大入射角稳定的吸-透一体化共形频率选择表面，其特征在于，所述上、下层介质具有自由调整弯曲程度的功能，适应不同曲率表面的共形应用。

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