CN116565581A - 消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构 - Google Patents

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李沅锴
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Abstract

本发明公开了消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,属于航空技术领域。本发明的全金属电磁吸收结构,包括从下至上层叠设置的金属背板,中间空气层以及上层谐振层;上层谐振层由周期排列的谐振单元组成,谐振单元由四个扇形镂空的方形金属辐射贴片构成;方形金属辐射贴片的外环由集总电容元件连接,内部十字结构由集总电阻元件连接;谐振单元四角分别设置有一号销钉接口,谐振单元中心设置有二号销钉接口,其中单元四角的销钉通过金属柱与金属背板连接。本发明的全金属电磁吸收结构解决了航向信标系统在复杂多障碍物环境下面临的多角度、多方向干扰信号入射情况,有效消除多径效应对航向信标系统的影响。

Description

消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构
技术领域
本发明属于航空技术领域,具体涉及消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构。
背景技术
随着我国民航事业的发展,我国一方面新建了越来越多的机场,另一方面越来越多的机场进行了升级改造。无论是新建机场还是改造后的机场都面临着建筑的密集化、机场周围的电磁环境日益复杂化等问题。仪表着陆系统(instrument landing system,ILS)是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统,通过航向信标系统对外辐射特定波形,引导飞机安全着陆。但是,跑道附近的建筑物、高大的树木、塔台、凹凸不平的地面等会对导航信号产生多径反射。多径反射会造成天线辐射场型的畸变,从而影响导航信息的准确性。事实上,随着机场功能和服务的不断升级、完善,需要机场提供更多的建筑空间。在近跑道附近新修建筑群的需求不断增长。但是,在近跑道附近修建筑群会给飞行安全带来极大的挑战。其原因在于,建筑物靠近跑道,与航向信标系统距离近,容易导致在航行信标信号与建筑物之间构成大角度反射,加剧多径效应的复杂性。因此,抑制或消除由机场跑道周围地形地物产生的多径效应,尤其大角度入射情况下对航向信标系统电磁环境的影响,对于保障飞行安全和最大限度开发机场空间资源有着重要的意义。
使用微波吸收体是一种常用来的消除或抑制电磁影响的方法。与传统吸收体相比较,基于亚波长结构的人工电磁吸收结构的厚度薄、频带宽、吸收高、柔韧性,具有明显优势。现有技术中,通过对人工电磁吸收结构单元的形状、尺寸、组合方式进行设计,人工电磁吸收结构能调控其等效介电常数和磁导率,可以在很小或很宽的频带内产生接近统一的吸收效率。值得注意的是,超材料作为一种亚波长结构,其尺寸与工作波长存在一定的相关性。而对于航向信标信号而言,工作频率为108MHz-112MHz,其对应波长约为2.7m。因此,如何降低材料的厚度,设计出超薄单元结构,是超材料微波吸收体在这一频段上工程应用首要解决的问题。此外,考虑到机场跑道周围地形地物的复杂性,用于机场的吸收体需要在不同入射角度下依然保持良好的吸收特性。同时,应用到建筑体表面上时吸收体将工作于室外环境,需面对各种严寒酷暑的自然条件。因此,用于机场跑道周围地形引起的多径效应的超材料吸收体还需具有良好的环境适应性。
采用高折射率介质如钛酸钡、金红石、磁性材料复合物等做基体时,有利于降低超材料吸收体的小型化。但是,由于非磁性高介电材料在作为超材料基体时会导致吸波体的吸收峰严重窄化,难以满足现实需求。同时,相比于FR4、PTFE等传统的介质材料,磁性介质基片的引入不仅会显著提高制造成本。此外,由于在微波段多数介质材料的相对磁导率也都处于较低的水平,通过该方案所实现的周期小型化效果也极为有限。而采用介质基板与分布式电子元器件组合的方式具有加工成本低,动态可调和结构超薄的特点。但是,由于低成本的介质基板受环境影响较大,难以满足机场的实际应用需求。
发明内容
针对机场特殊的工作场景,本发明提出了一种用于消除多径效应对航向信标系统影响的低剖面全金属电磁吸收结构,采用集成集总元件的全金属谐振单元,得到一款性能优良的用于消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
本发明提供的用于消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,包括从下至上层叠设置的金属背板,中间空气层以及上层谐振层;
其中所述上层谐振层由周期排列的谐振单元组成,所述谐振单元由四个扇形镂空的方形金属辐射贴片构成;所述四个扇形镂空之间形成十字结构;所述方形金属辐射贴片的外环由集总电容元件连接,内部十字结构由集总电阻元件连接;谐振单元四角分别设置有一号销钉接口,谐振单元中心设置有二号销钉接口,其中单元四角的销钉通过金属柱与金属背板连接。
其中方形金属辐射贴片被四块等大的90°扇形镂空,且每个扇形的90°直角指向吸波结构单元中心;所述90°扇形间隔与所需吸收频率相关。
方形金属辐射贴片由高导电率铜板加工而成。
进一步地,所述集总电容元件位于方形金属辐射贴片外侧单元边长中心,辐射片外环形成谐振电流通路。
进一步地,所述集总电阻元件位于方形金属辐射贴片对角线长1/3处,将方形金属辐射贴片的内部十字结构与外环相连接,其中集总电阻元件位置与谐振频率以及吸收效率有关。
进一步地,所述中间空气层内设置由四个圆形金属柱,四个圆形金属柱位于谐振单元四角,顶端连接上层谐振层,底端连接金属背板。金属柱半径与吸收频率以及吸收效率相关,选择吸收效率最优的金属柱半径进行设计。
进一步地,所述周期谐振单元边长取值远远小于谐振单元工作频段相关波长,约为0.014λ00为工作频段对应波长),满足超材料周期单元尺寸条件。
进一步地,所述周期谐振单元厚度为13.14mm(约为0.0048λ0),在航向信标系统所在的甚高频段实现了吸收单元的低剖面特点,有助于实际工程应用。
本发明在吸波结构底层设置金属背板作为防止输入电磁波透射的全反射镜面,利用金属柱支撑吸波结构,通过介质等效电路模型寻找吸波结构等效阻抗与周围环境特性阻抗Z0的完美匹配以及与入射角度之间的调控关系。
当电磁波斜入射至吸波结构上时,极化方式可分垂直极化(TE极化)和平行极化(TM极化)。TE和TM极化下电场和磁场矢量方向与隐身结构的关系,其中θ表示入射角,k0表示平面波的传播方向,E和H分别表示入射波的电场和磁场矢量。TE和TM极化下电场和磁场矢量方向与吸波结构关系如图1所示。将介质看作均匀传输线后,其ABCD矩阵如下:
其中
其中f为频率,j为虚单位,dn为材料厚度,c为光栅,εn由于是空气层所以约等于1。当θ不断增加时趋近90°,TE极化的Zn逐渐增大从而导致TE极化逐渐失配,吸收效率逐渐减小,而TM极化的Zn随着入射角度的不断增加逐渐趋近于Z0,实现与周围环境特性阻抗的完美匹配,从而达到完美吸收的功能。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.本发明提出的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其可以通过调整电磁波入射角度θ,调整不同线极化波电磁波在112MHz处的吸收效率。对于TE极化随着入射角度的增加,吸收率降低。对于TM极化而言,入射角度不断增加的过程中,吸收效率逐渐增加。对于TM入射而言,在入射角度大于70°时,吸收效率高于90%。良好的大角度入射吸收效率解决了航向信标系统在复杂多障碍物环境下面临的多角度,多方向干扰信号入射情况,可以有效消除多径效应对航向信标系统的影响。
2.本发明提出的用于消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构在圆极化入射情况下,通过调整圆极化斜入射角度调控圆极化转换效率,随着入射角度的增加,在112MHz处的圆极化转换效率逐渐提高至52%。说明了本发明在圆极化入射场景下,可以通过调整斜入射角度调控结构的圆极化工作模态,实现了甚高频段的圆极化多模态工作应用需求。
3.本发明提出的全金属超材料吸波结构,相比于其他的吸波结构,采用全金属材料加工,取消了中间介质层,不仅降低了加工成本并且拥有了其他超材料吸波结构较难拥有的大功率容量特点。此外由于本发明使用的吸波结构采用全金属加工,相比于其他使用非磁性高介电材料以及微波基板加工等吸波结构拥有更高的稳定性。
4.本发明提出的全金属超材料吸波结构厚度为13.14mm(约为0.0048λ0),实现了吸收单元的低剖面特点,便于复杂环境下的共形应用,有效提高了整体系统紧凑性。
附图说明
图1为极化模式示意图。
图2为本发明实施例的结构单元示意图。
图3为本发明实施例多周期阵列示意图。
图4为本发明实施例的结构单元侧视图。
图5为TE/TM吸波效率入射角度调控示意图,其中图5(a)为TE吸波效率入射角度调控示意图,图5(b)为TM吸波效率入射角度调控示意图。
图6为圆极化转换效率入射调控影响示意图。
其中附图标记对应的名称为:
其中1-金属背板,2-中间空气层,3为上层谐振层,4-方形金属辐射贴片,5-扇形镂空,6-金属柱,7-一号尺寸销钉接口,8-二号尺寸销钉接口,9-集总电容元件,10为集总电阻元件。
具体实施方式
下面结合附图、实施例对本发明进一步说明:
如附图2-4所示,本实施例提出的用于消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,采用与现有技术吸波结构不同的全金属结构。本发明的全金属电磁吸收结构括从下至上层叠设置的金属背板1、中间空气层2和上层谐振层3。
其中上层谐振层3由被四块等大的扇形镂空5的方形金属辐射贴片4构成。方形金属辐射贴片4的四块扇形镂空5旋转对称,并且由金属矩形条隔开。每个扇形镂空5的角指向吸波结构单元中心。
作为优选方式,扇形镂空5的角度为90°,每个扇形镂空5的90°直角指向吸波结构单元中心。
谐振单元四角分别设置有一号销钉接口7,谐振单元中心设置有二号销钉接口8。
上层谐振层3与金属背板1通过位于中间空气层2的金属柱6与吸波结构单元四角处上下连接。其中四周的金属柱6与销钉连接构成谐振电流通路。
上层谐振层3可通过对金属材料进行直接加工可以得到。相比于其他基于介质基板的吸波节构,本发明不需要使用化学刻蚀法进行加工,材料价格便宜,大大减小了吸波结构的加工成本。
中间空气层2的选择是通过等效介质理论进行分析得到的。中间介质选择空气时,可以通过入射角度来对等效介质的Zn进行控制,从而有效调控吸波结构与周围环境的匹配情况,达到控制吸波结构吸波效率的目的。
其中金属背板1与中间空气层2尺寸均为30.5mm×30.5mm,其中空气层厚度为13.14mm,为工作波长的千分之4.8。
上层谐振层3通过金属加工,形成本发明中具有特定单元形状的周期性图案。上层谐振层3的方形金属辐射贴片4为矩形,其长宽比为1,扇形镂空5的尺寸与谐振频率相关。本实施例的结构单元示意图如图2所示。
方形金属辐射贴片4为尺寸29.5mm×29.5mm×0.035mm的长宽比为1的矩形金属贴片,其中90°圆扇形镂空半径为11.46mm。四圆扇形镂空5之间的十字结构由金属矩形条构成,其中金属矩形条宽度为2mm。
四个一号销钉接口的口径均为2.43mm,高度均为1.5mm;二号销钉接口口径为1.6mm,高度1mm。且四个一号销钉接口分别位于距离方形金属辐射贴片4边长1.55mm的四角处。
四个金属柱6分别位于距离金属背板1四角1.55mm处,其半径为1.6mm。
电容集总元件9为型号1080 48pF的金属薄膜贴片电容,电容集总元件9被焊接于方形金属辐射贴片4的外侧,用于将金属上层谐振层3连接为LC谐振回路。
集总电阻元件10为型号CR1812F105RE04Z、1.5Ω的金属薄膜贴片电阻,用于调整吸波结构的吸波效率。
利用商用电磁仿真软件CST对本发明提出的大功率全金属超材料吸波结构进行全波电磁仿真分析,吸波结构单元四周设置为周期边界,上下端口采用Floquet端口模式,获得吸波结构的S参数曲线。
其吸波效率如附图5所示,改变入射电磁波极化方式以及分别设置入射波的入射角度θ为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°,对吸波结构进行入射角度对吸波效率影响分析,如附图5所示。仿真结果显示:在TE极化入射下,随着入射角度的逐渐增大,吸波效率从58.9%逐渐降低14.1%;而在TM极化入射下,随着入射角度的逐渐增大,吸波效率从58.9%逐渐增加到98.6%。
以上结果说明,本发明的吸波结构在TE/TM极化方式下,均能通过调整斜入射角度调控不同极化的吸收效率,其中调控效果在112MHz处最为明显,而TM极化的调控幅度以及吸收效率也稍好于TE极化。吸波结构的吸收频率以及吸收效率可以通过控制吸波结构的关键几何参数进行调整。所述几何参数包括圆扇镂空半径、金属柱半径以及集总元件的电参数。
如附图6所示,改变入射波的极化为圆极化入射以及分别设置入射波的入射角度θ为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°,观察吸波结构在圆极化斜入射情况下的电磁性能。仿真结果显示,随着入射角度的增加,吸波结构逐渐呈现圆极化转换的功能;并且随着角度的增加,圆极化转换效率逐渐增加,在112MHz处从0逐渐增加到52.1%。以上结果说明本发明的吸波结构可以通过调整入射角度从而调控圆极化波入射的极化转换效率。
上述仿真结果说明,本发明提出的大功率全金属超材料吸波结构具有在甚高频段具有通过调整入射角度调控线极化波TE/TM极化吸收效率的功能。同时,提出大功率全金属超材料吸波结构还具有将入射波转化为圆极化波极化的功能。此外由于本吸波结构采用的是全金属材料,所以相较于其他的吸波结构,加工成本以及功率容量都被大幅度优化。通过改变本发明所提及的各个参数,以及使用各个谐振结构的设计外形均属于本发明所保护的范畴。

Claims (9)

1.消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,包括从下至上层叠设置的金属背板(1),中间空气层(2)和上层谐振层(3);
所述上层谐振层(3)由周期排列的谐振单元组成,所述谐振单元由设置有四个扇形镂空(5)的方形金属辐射贴片(4)构成;所述四个扇形镂空(5)之间形成十字结构;所述方形金属辐射贴片(4)的外环由集总电容元件(9)连接,内部十字结构由集总电阻元件(10)连接;谐振单元四角分别设置有一号销钉接口(7),谐振单元中心设置有二号销钉接口(8),其中单元四角的销钉通过金属柱与金属背板(1)连接。
2.根据权利要求1所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述方形金属辐射贴片(4)被四块等大的90°扇形镂空,且每个扇形的90°直角指向谐振单元中心。
3.根据权利要求1或2所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,方形金属辐射贴片(4)由高导电率铜板加工而成。
4.根据权利要求1或2所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述集总电容元件(9)位于方形金属辐射贴片(4)外侧单元边长的中心连接方向,方形金属辐射贴片(4)外环形成谐振电流通路。
5.根据权利要求4所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述集总电阻元件(10)位于方形金属辐射贴片(4)对角线长1/3处,将内部十字结构与方形金属辐射贴片(4)的外环相连接。
6.根据权利要求5所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述中间空气层(2)内设置由四个圆形金属柱(6),四个圆形金属柱(6)位于谐振单元四角,圆形金属柱(6)的顶端连接上层谐振层(3),底端连接金属背板(1)。
7.根据权利要求6所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述周期谐振单元边长取值小于谐振单元工作频段对应波长。
8.根据权利要求7所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述周期谐振单元边长为0.014λ0
9.根据权利要求7所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构,其特征在于,所述周期谐振单元厚度为0.0048λ0
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