CN115732934A

CN115732934A - 一种宽频带吸透一体化频选表面

Info

Publication number: CN115732934A
Application number: CN202211378444.XA
Authority: CN
Inventors: 吴边; 毛思博; 庞晓宇; 赵生辉; 苏涛
Original assignee: Xidian University; AVIC Research Institute Special Structures Aeronautical Composites
Current assignee: Xidian University; AVIC Research Institute Special Structures Aeronautical Composites
Priority date: 2022-11-04
Filing date: 2022-11-04
Publication date: 2023-03-03

Abstract

本发明涉及一种宽频带吸透一体化频选表面，包括：第一损耗层，用于对中、高频部分的宽带透波和低频部分的吸波，所述第一损耗层包括阵列排布的m×n个第一单元；第一泡沫基板，位于所述第一损耗层之下；第二损耗层，位于所述第一泡沫基板之下，用于对中频部分的透波和高频部分的吸波，所述第二损耗层包括阵列排布的m×n个第二单元；第二泡沫基板，位于所述第二损耗层之下；带通频选层，位于所述第二泡沫基板之下，用于对中频的宽带透波以及为低频和高频的吸波提供地板，所述带通频选层包括阵列排布的m×n个第三单元。本发明的宽频带吸透一体化频选表面在实现宽频吸透响应的同时实现宽透波带的低插损响应。

Description

一种宽频带吸透一体化频选表面

技术领域

本发明涉及天线隐身技术领域，具体涉及一种宽频带吸透一体化频选表面。

背景技术

随着现代雷达技术的发展，对装备提出了宽频带隐身和双站RCS(Radar Crosssection，雷达波散射截面积)减缩的要求，而装备隐身的一个重点在于天线的隐身。传统天线的隐身依赖于频率选择天线罩，它能够依靠本身的外形将雷达波散射到其他方向上，通过降低单站RCS来实现隐身。但是这种天线罩会在特定方向上造成双站RCS的激增，满足不了现代装备的隐身需求。因此为了同时缩减单站和双站RCS，研究人员提出了吸波透波一体化的频率选择表面天线罩(AFSS，Absorptive Frequency Selective Surface)，它能够在通带内实现低损耗传输，同时在通带外实现吸波，通过将电磁波的能量转化为热量来缩减RCS。

目前的宽频带吸透一体化频选表面采用基于加载方阻膜的开口谐振环的宽频带吸透频选，它由两层不同大小的开口谐振环与底层带通频选组成，分别实现位于低频和高频的吸波带，在中频两层结构单元不发生谐振从而让电磁波透过两层从而形成透波带。

但是，由于上述结构的两个层的透波带均未经特别设计，从而天然具有一定的插入损耗。电磁波在通过这两层后损耗发生了叠加，最终造成了透波带的高插损，通过现有技术设计的宽频带吸透一体化频选表面面临透波带内插损大(2dB)的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种宽频带吸透一体化频选表面。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个实施例提供了一种宽频带吸透一体化频选表面，所述宽频带吸透一体化频选表面包括：

第一损耗层，用于对中、高频部分的宽带透波和低频部分的吸波，所述第一损耗层包括阵列排布的m×n个第一单元；

第一泡沫基板，位于所述第一损耗层之下；

第二损耗层，位于所述第一泡沫基板之下，用于对中频部分的透波和高频部分的吸波，所述第二损耗层包括阵列排布的m×n个第二单元；

第二泡沫基板，位于所述第二损耗层之下；

带通频选层，位于所述第二泡沫基板之下，用于对中频的宽带透波以及为低频和高频的吸波提供地板，所述带通频选层包括阵列排布的m×n个第三单元。

在本发明的一个实施例中，每个所述第一单元包括第一方形介质板、四个绕线电感、四个电容条带、八个电容通孔和第一石墨烯方阻片，其中：

所述四个绕线电感嵌入在所述第一方形介质板中，所述四个电容条带和所述第一石墨烯方阻片位于所述第一方形介质板远离所述第一泡沫基板的一面；

所述四个电容条带与所述第一石墨烯方阻片的四边对应设置，每个所述电容条带的两端设置有贯穿所述第一方形介质板的电容通孔；

每个所述绕线电感的一端与所述第一石墨烯方阻片的一边相连接，另一端通过过孔与所述电容条带相连通。

在本发明的一个实施例中，所述第一方形介质板的厚度取值范围为0.3-0.5mm，相对介电常数取值范围为3-4。

在本发明的一个实施例中，每个所述第二单元包括第二方形介质板、四个平面螺旋电感、四个金属条带、四个金属化过孔和第二石墨烯方阻片，其中：

所述四个平面螺旋电感位于所述第二方形介质板靠近所述第一泡沫基板的一面，所述四个金属条带和所述第二石墨烯方阻片位于所述第二方形介质板靠近所述第二泡沫基板的一面；

所述四个金属条带的一端分别与所述第二石墨烯方阻片的四边相连接，另一端通过所述金属化过孔分别与所述四个平面螺旋电感相连通；

并且，相邻两个所述第二单元通过所述平面螺旋电感相连接。

在本发明的一个实施例中，所述第二方形介质板的厚度取值范围为0.1-0.3mm，相对介电常数取值范围为1.7-2.5。

在本发明的一个实施例中，所述第三单元包括：

第三方形介质板；

第四方形介质板，位于所述第三方形介质板之下；

十二个正方形金属贴片，四个所述正方形金属贴片阵列分布于所述第三方形介质板远离所述第四方形介质板的一面，四个所述正方形金属贴片阵列分布于所述第四方形介质板靠近所述第三方形介质板的一面，四个所述正方形金属贴片阵列分布于所述第四方形介质板远离所述第三方形介质板的一面；

环形缝隙金属贴片，位于所述第三方形介质板和第四方形介质板之间，且具有四个呈阵列分布的且贯通所述环形缝隙金属贴片的环形缝隙。

在本发明的一个实施例中，所述第三方形介质板和所述第四方形介质板的厚度取值范围均为2.5-3mm，相对介电常数取值范围均为2-4。

在本发明的一个实施例中，所述第一泡沫基板的厚度取值范围为11-13mm，相对介电常数取值范围均为1-1.2。

在本发明的一个实施例中，所述第二泡沫基板的厚度取值范围为6-8mm，相对介电常数取值范围均为1-1.2。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的宽频带吸透一体化频选表面从上之下依次设置了第一损耗层、第二损耗层和带通频选层，并通过第一损耗层对中、高频部分的宽带透波和低频部分的吸波，通过第二损耗层对中频部分的透波和高频部分的吸波，通过带通频选层对中频的宽带透波以及为低频和高频的吸波提供地板，因此在实现宽频吸透响应的同时实现宽透波带的低插损响应。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种宽频带吸透一体化频选表面的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种第一单元的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种第二单元的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种第三单元的结构示意图；

图5是在垂直入射条件下，对吸透频选的传输曲线(S21)和反射曲线(S11)以及吸波率曲线进行仿真的结果示意图；

图6a和图6b分别是在TE极化下和TM极化下得到的S参数曲线示意图。

符号说明：第一损耗层-1；第二损耗层-2；带通频选层-3；第一泡沫基板-4；第二泡沫基板-5；第一方形介质板-6；绕线电感-7；电容条带-8；电容通孔-9；第一石墨烯方阻片-10；第二方形介质板-11；平面螺旋电感-12；金属条带-13；金属化过孔-14；第二石墨烯方阻片-15；第三方形介质板-16；第四方形介质板-17；正方形金属贴片-18。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

需要说明的是，本实施例中提到的“上”“下”“左”“右”为该宽频带吸透一体化频选表面处于图示状态时的位置关系，“长”为该宽频带吸透一体化频选表面处于图示状态时的横向尺寸，“厚”为该宽频带吸透一体化频选表面处于图示状态时的纵向尺寸。

目前，因为新出现的雷达通信技术对吸透一体频选表面的透波带宽和吸波带宽提出了更高的要求，从因此在实现宽频吸透响应的同时如何实现宽透波带的低插损响应成为了亟待解决的问题。基于此，本发明提出了一种宽频带吸透一体化频选表面，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种宽频带吸透一体化频选表面的结构图本发明提出了，本发明所提出的宽频带吸透一体化频选表面包括：

第一损耗层1，用于对中、高频部分的宽带透波和低频部分的吸波，第一损耗层包括阵列排布的m×n个第一单元；

第一泡沫基板4，位于第一损耗层1之下；

第二损耗层2，位于第一泡沫基板4之下，用于对中频部分的透波和高频部分的吸波，第二损耗层2包括阵列排布的m×n个第二单元；

第二泡沫基板5，位于第二损耗层2之下；

带通频选层3，位于第二泡沫基板5之下，用于对中频的宽带透波以及为低频和高频的吸波提供地板，带通频选层3包括阵列排布的m×n个第三单元。

具体而言，本发明实施例的宽频带吸透一体化频选表面从上之下依次设置了第一损耗层、第二损耗层和带通频选层，并通过第一损耗层对中、高频部分的宽带透波和低频部分的吸波，通过第二损耗层对中频部分的透波和高频部分的吸波，通过带通频选层对中频的宽带透波以及为低频和高频的吸波提供地板，由此，本发明实施例的宽频带吸透一体化频选表面拓宽了吸透频选吸波带和实现了低插损宽透波带，并且可以有效减少天线的雷达波散射截面并且能够适应超宽带天线的使用。

需要说明的是，本发明实施例所述的低频为6.67-1.8倍的中心波长、中频为1.42-0.8倍的中心波长、高频为0.735-0.56倍的中心波长。

在一个可选实施例中，第一泡沫基板4的厚度h2取值范围为11-13mm，相对介电常数取值范围均为1-1.2。

在一个可选实施例中，第二泡沫基板5的厚度h4取值范围为6-8mm，相对介电常数取值范围均为1-1.2。

在一个可选实施例中，第一损耗层包括阵列排布的m×n个第一单元，m≥2，n≥2，请参见图2，每个所述第一单元包括第一方形介质板6、四个绕线电感7、四个电容条带8、八个电容通孔9和第一石墨烯方阻片10，其中：

四个绕线电感7嵌入在第一方形介质板6中，四个电容条带8和第一石墨烯方阻片10位于第一方形介质板6远离第一泡沫基板4的一面；

四个电容条带8与第一石墨烯方阻片10的四边对应设置，每个电容条带8的两端设置有贯穿第一方形介质板6的电容通孔；

每个绕线电感7的一端与第一石墨烯方阻片10的一边相连接，另一端通过过孔与电容条带8相连通。

需要说明的是，第一损耗层的所有第一单元的第一方形介质板可以为一整块的介质板。

具体而言，第一损耗层1为位于顶层的损耗层，该第一损耗层1的第一单元中除第一方形介质板6之外，相互之间是分开的，绕线电感7是在第一方形介质板6的上下表面之间用电容条带8配合过孔穿梭而形成的，最后绕线电感7的一端在第一方形介质板6穿上来，然后通过一个金属片与第一石墨烯方阻片10相连。因此，由于绕线电感7的匝间电容与电感本身是并联的，使其匝间电容与本身电感发生自谐振，并联谐振会导致整个表面呈现高阻抗状态，从而产生了一个宽带的透波响应，大电感可以让这一高阻抗状态在更宽的频率内保持，因此可以实现第一损耗层1在中高频部分的宽带透波；并且，在第一损耗层1引入带有电容通孔的电容条带，可以使其与绕线电感7发生串联谐振，因为发生串联谐振会使得阻抗虚部变小，使得这一层呈现有耗状态，实现第一损耗层1在工作频带的低频部分的吸波。同时，本发明实施例由于采用了绕线电感结构，能够将磁场约束在螺旋线包围的介质板中。在实现了低频吸波带的同时，有效减小了单元大小，从而延迟了大角度入射下栅瓣出现的频率。

可选的，第一方形介质板6的厚度h1为0.3-0.5mm，相对介电常数为3-4，例如为3.5，第一方形介质板6的材料可以为F4B350。

可选的，电容条带的材料为金属铜。

在一个可选实施例中，第二损耗层包括阵列排布的m×n个第二单元，请参见图3，每个第二单元包括第二方形介质板11、四个平面螺旋电感12、四个金属条带13、四个金属化过孔14和第二石墨烯方阻片15，其中：

四个平面螺旋电感12位于第二方形介质板11靠近第一泡沫基板4的一面，四个金属条带13和第二石墨烯方阻片15位于第二方形介质板11靠近第二泡沫基板5的一面；

四个金属条带13的一端分别与第二石墨烯方阻片15的四边相连接，另一端通过金属化过孔14分别与四个平面螺旋电感12相连通；

并且，相邻两个第二单元通过平面螺旋电感12相连接。

需要说明的是，第二损耗层的所有第二单元的第二方形介质板可以为一整块的介质板。

具体而言，第二损耗层2由于采用了平面螺旋电感12、且平面螺旋电感12与金属条带13串联的结构，实现了平面螺旋电感12的寄生电容、金属条带13的电感和第二石墨烯方阻片15的电阻在高频的谐振，从而在高频引入一个吸波带；并且调整这一谐振到距离透波带较近频率，从而在实现低插损宽带透波的同时，在与透波带距离较近的频率实现了吸波带，缩减了过渡带宽。因此，在第二损耗层2引入平面螺旋电感12，从而使平面螺旋电感12的寄生电容在中频与本身电感发生谐振，在高频与网格电感(即金属条带自身的电感)发生谐振，以实现在中频部分的透波和高频部分的吸波。另外，由于第二损耗层的相邻第二单元之间是通过平面螺旋电感实现相互连接的，由此由所有单元连接成为了一个整体，所以不存在以单个第二单元为基础的谐振频率，避免了独立的第二单元产生的高次模(也即高次谐波)，从而避免了其对超宽带吸波响应的破坏，最终实现了超宽带的吸波响应。

可选的，第二方形介质板11的厚度h3取值范围为0.1-0.3mm，相对介电常数为1.7-2.5，例如为2.2，第二方形介质板11的材料可以为F4B220。

可选的，金属条带13的材料为金属铜。

其中，第一石墨烯方阻片和第二石墨烯方阻片为将石墨烯和碳黑混合在一起形成油墨，然后使用丝网印刷技术把油墨印刷成想要的形状，油墨干燥以后形成一层具有一定导电性能的电阻膜，其可以起到替代电阻的作用。

在一个可选实施例中，带通频选层包括阵列排布的m×n个第三单元，请参见图4，第三单元包括：

第三方形介质板16；

第四方形介质板17，位于第三方形介质板16之下；

十二个正方形金属贴片18，四个正方形金属贴片18阵列分布于第三方形介质板16远离第四方形介质板17的一面，四个正方形金属贴片18阵列分布于第四方形介质板17靠近第三方形介质板16的一面，四个正方形金属贴片18阵列分布于第四方形介质板17远离第三方形介质板16的一面；

环形缝隙金属贴片19，位于第三方形介质板16和第四方形介质板17之间，且具有四个呈阵列分布的且贯通环形缝隙金属贴片的环形缝隙20。

需要说明的是，第二损耗层的所有第三单元的第三方形介质板可以为一整块的介质板，所有第三单元的第四方形介质板也可以为一整块的介质板，所有第三单元的环形缝隙金属贴片可以为一整片的金属贴片。

具体而言，每个第三方形介质板16的上表面设置了四个正方形金属贴片18，第四方形介质板17的上、下表面分别对应的设置了四个正方形金属贴片18，在第三方形介质板16和第四方形介质板17之间还设置了环形缝隙金属贴片19，该环形缝隙金属贴片19对应的设置了四个环形缝隙20，环形缝隙20可以为正方形的环形缝隙，由此可以形成具有透波带和阻带的三阶带通频选层，三阶频选可以实现宽带的通带，而在频选的阻带相当于一个金属地板，起到反射电磁波的作用，在吸波带电磁波首先通过损耗层然后经过频选反射后在损耗层上被吸收掉，因此，带通频选层实现了中频的宽带透波以及为低频和高频的吸波提供地板。

可选的，第三方形介质板16和第四方形介质板17的厚度h5取值范围均为2.5-3mm，相对介电常数取值范围均为2-4，第三方形介质板16和第四方形介质板17的材料可以为F4B350。

可选的，正方形金属贴片18的长度w₄为3-4mm，正方形金属贴片18的材料为金属铜，环形缝隙金属贴片19的缝隙宽度g为0.1-0.2mm，环形缝隙金属贴片19的每个缝隙为正方形缝隙，环形缝隙金属贴片19的材料为金属铜。

本发明所提出的宽频带吸透一体化频选表面利用平面螺旋电感结构寄生电容与金属网栅的电感谐振，从而在保持透波带插损的同时引入了高频吸波带。本发明的宽频带吸透一体化频选表面的平面螺旋电感本身的高电感与其寄生电容能够谐振产生位于中频的宽频透波带。并且，金属网栅与平面螺旋电感相连，由于金属网栅本身的非谐振特性不会对透波带产生影响。另外，在金属网栅电感值适合的情况下，金属网栅与螺旋电感寄生电容谐振从而产生高频吸波带。

本发明的宽频带吸透一体化频选表面拓宽了吸透频选吸波带和实现了低插损宽透波带，使用本发明的宽频带吸透一体化频选表面可以有效减少天线的雷达波散射截面并且能够适应超宽带天线的使用。

在一个具体实施例中，在上述实施例的基础上，提供一种工作在1.5GHz–18GHz，透波带覆盖整个X波段、插损小于1.3dB的宽频带吸透一体化频选表面，该实施例自上而下依次为：第一损耗层1、第二损耗层2和带通频选层3。第一损耗层1与第二损耗层2之间设有第一泡沫基板4，第一泡沫基板4的上表面与第一损耗层1相接，第一泡沫基板4的下表面与第二损耗层2的上表面相接；第二损耗层2与底层的带通频选层3之间设有第二泡沫基板5，第二泡沫基板5的上表面与第二损耗层2的下表面相接，第二泡沫基板5的下表面与底层的带通频选层3的上表面相接；第一损耗层1的第一方形介质板采用厚度h₁＝0.5mm、相对介电常数ε_r1＝3.5的介质；第二损耗层2的第二方形介质板11采用厚度h₃＝0.254mm、相对介电常数ε_r2＝2.2的介质；第三损耗层3的第三方形介质板16和第四方形介质板17均采用厚度h₅＝2.8mm、相对介电常数ε_r3＝3.5的介质。第一泡沫基板4采用厚度h₂＝12.3mm、相对介电常数ε_r4＝1的介质和第二泡沫基板5采用厚度h₄＝7mm，相对介电常数ε_r5＝3.5的介质。

为了进一步地证实该具体的宽频带吸透一体化频选表面的效果，进行了如下仿真，具体为：

仿真1，在垂直入射条件下，对吸透频选的传输曲线(S21)和反射曲线(S11)以及吸波率曲线进行仿真，所得结果如图5所示。由图5中的各曲线可知：该吸透频选为中间透两边吸类型，并且实现了1.56-18GHz，相对带宽达到168％，反射率小于-10dB的宽频匹配带宽。对于透波带性能，以插损1.5dB衡量，透波带的频率范围为7.15到12.4GHz，其相对带宽为58％，带内最低插损为0.5dB。此外，这一吸透频选在整个X波段的插损都在1.3dB以下，并且其1.2dB相对透波带宽达到了40％。

仿真2，在TE(横电波)和TM(横磁波)电磁波斜入射的条件下，对电磁波入射角从0度增加至30度时实施例的反射系数曲线和传输系数曲线进行仿真，得到S参数曲线，如图6a和图6b所示。其中，图6a为在TE极化下得到的S参数曲线，图6b为在TM极化下得到的S参数曲线。由图6a可知：在TE极化波照射下，吸透频选在0-30°斜入射范围内吸基本保持了它的频率响应。但当入射角度达到30°，TE极化下吸透频选的高频吸波带由18GHz缩减到了16GHz；由图6b可知：在TM极化波照射下，吸透频选的在0-30°斜入射范围内基本保持了它的频率响应。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所进行的修改都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述宽频带吸透一体化频选表面包括：

第一泡沫基板，位于所述第一损耗层之下；

第二泡沫基板，位于所述第二损耗层之下；

2.根据权利要求1所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，每个所述第一单元包括第一方形介质板、四个绕线电感、四个电容条带、八个电容通孔和第一石墨烯方阻片，其中：

3.根据权利要求2所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述第一方形介质板的厚度的取值范围为0.3-0.5mm，相对介电常数取值范围为3-4。

4.根据权利要求1所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，每个所述第二单元包括第二方形介质板、四个平面螺旋电感、四个金属条带、四个金属化过孔和第二石墨烯方阻片，其中：

5.根据权利要求4所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述第二方形介质板的厚度的取值范围为0.1-0.3mm，相对介电常数的取值范围为1.7-2.5。

6.根据权利要求1所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述第三单元包括：

第三方形介质板；

第四方形介质板，位于所述第三方形介质板之下；

7.根据权利要求6所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述第三方形介质板和所述第四方形介质板的厚度取值范围均为2.5-3mm，相对介电常数取值范围均为2-4。

8.根据权利要求1所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述第一泡沫基板的厚度取值范围为11-13mm，相对介电常数取值范围均为1-1.2。

9.根据权利要求1所述的宽频带吸透一体化频选表面，其特征在于，所述第二泡沫基板的厚度取值范围为6-8mm，相对介电常数取值范围均为1-1.2。