CN118137168A - 一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，包括上层的三维吸波层和下层的二维带通频率选择表面层；通过在上层呈方形周期性排布的中空介质基板的单元侧壁上级联多条加载共面带状线的有耗金属带，实现宽频吸波，在金属带上加载并联支节产生高阻抗宽频段；并设计下层的二维带通频率选择表面使其透射频段和上层并联支节的高阻抗频段重合，使该频率选择吸收体在中频段具备宽频低插损透射特性。本发明的通带频带宽，带内插损小，吸波频段位于通带两侧，吸波频带宽且吸收率高，同时可实现双极化且加工难度小，成本低，在低RCS隐身天线罩领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于隐身技术领域，涉及一种宽频吸波型频率选择结构，具体涉及一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体。
背景技术
隐身技术实质上就是通过降低探测目标的雷达、红外、激光、可见光、声等信号特征，使对方的各种探测设备难以发现、识别、探测、跟踪和打击，从而使对方系统不能或很难发挥作用。据统计，对飞机探测的设备中，雷达占60％，红外占30％，其它设备占10％。对于战斗机来说，一般都以减小雷达散射截面(RCS)作为隐身的首要任务。一般常规布局的飞机在机头正前向位置，由介质雷达罩、雷达天线及舱内高频部件构成的雷达天线系统是飞机前向三大强散射源之一。研究表明未采取隐身措施的传统机载天线具有较大的RCS，因此天线的散射是总RCS的主要贡献者之一，迫切需要采取措施减小天线RCS。
为了保证雷达天线在恶劣环境下正常工作，目前广泛采用集电磁波透明性与结构防护性为一体的雷达天线罩加以保护。国际上从第四代战斗机开始，对雷达天线罩设计就提出了明确的隐身要求，即雷达天线罩对天线座舱的强散射起遮蔽作用；五代机、六代机更是提出了“战场感知能力”和“人工智能控制”的要求，天线罩的功能要求由传统的“传输”向“隐身、传输与防护兼备”跨越。隐身天线罩技术是目前解决天线隐身最有前景的技术之一，采用频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)这一空间滤波结构制备隐身天线罩，成为了目前的主流技术选择。
然而，依靠外形隐身设计的FSS雷达罩仅在应对“单站”雷达时有效，并且这种隐身往往以其他方向上RCS的增加为代价。随着“双站/多站”雷达组网技术的发展，其低可探测性将失去大部分意义。面对这一严峻挑战，利用频率选择吸收体(Frequency SelectiveRasorber, FSR)构建雷达罩的构想应运而生。FSR是一种结合FSS和吸收体(Absorber)的复合结构，它不仅能保证工作频带内信号的正常透过与传输，而且对带外入射雷达波产生吸收而不是反射，这样就能够全方位的降低天线的电磁散射。概括起来，FSR具有带内透波/带外吸波的电磁特性。
从FSR单元结构设计的维度上划分，现今FSR可分为二维和三维结构两大类。二维结构单元通常采用有耗平面层和透射型频率选择表面级联形式，中间为空气层，通过在有耗平面层单元中加载低Q值LC并联谐振支路或加载多个同谐振频点的LC并联谐振支路，使有耗层在LC谐振频点附近阻抗为无穷大，同时设计保证下层频率选择表面的透射频带覆盖有耗层的无穷大阻抗频带范围，则FSR可实现低插损宽频透射性能。二维FSR通常结构简单，几乎所有的单元结构都可以在单层PCB板上加工实现，所以加工成本较低，较容易实现宽频低插损透射，通过设计对称结构单元也容易实现双极化。然而，二维FSR的主要问题在于低反射（S11<-10dB）带宽较窄，如果要增加低反射的相对带宽（主要思路是使得低反射频带的最低频点向低频移动）势必要增大单元面积，而这会使得高频栅瓣向低频移动，导致高频吸收性能的恶化。所以，已报道的二维FSR设计中多呈现低频段吸收，中频段透射而高频段反射或高频段窄带吸收的电性能特点。
由于增加了空间设计维度，三维FSR的单元结构复杂度要明显高于二维FSR，其基本设计思路是在单元结构中构建相对独立的吸收通道和传输通道，吸收通道的损耗可来自集总电阻、铁氧体或水等有耗材料，通过合理设计使得吸收通道的等效阻抗和自由空间阻抗匹配，实现宽带吸收效果；传输通道通常由内部加载等效电感结构的平行板波导结构构成，其可等效为二阶级联传输线结构，实现具备两个传输极点的宽带透射性能。此外，为了降低透射插损，通常在吸收通道前端加载串联LC谐振单元结构，使得透射频带内吸收通道的损耗无效，从而减小透射插损。相比于二维FSR，三维FSR可实现相对较宽的低反射带宽，电磁波斜角度入射情况下的电性能稳定较好。然而，三维FSR单元结构较复杂，加工难度大，需要先加工好每个通道模块再拼接完成，加工成本高，且三维FSR通常是单极化敏感的，若要实现双极化势必要增加设计难度，提高加工成本，并且在两个极化方向上增加传输通道会破坏单元间吸收通道的结构连续性，从而抑制了吸收通道的低频谐振吸收，缩减了吸收通道的低频吸收带宽。
发明内容
在本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，通过将三维吸波层和二维宽通带频率选择表面级联的形式，同时对反射和透射电磁波进行调控，提供了一种中频段宽频低插损透射、高频和低频段宽频吸波的新型频率选择吸收体设计方案，其具有一个中频透射窗口，具有低插损和宽频特性；在中频透射窗口的两侧，高频和低频段具有两个宽频吸收带，带内吸收率高；单元结构为中心对称，可使所述频率选择吸收体的电性能对入射波的极化方式不敏感；相比于常规三维频率选择吸收体结构，本发明结构设计简单，通带频带宽，带内插损小，吸波频段位于通带两侧，吸波频带宽且吸收率高，同时可实现双极化且加工难度小，加工成本低，解决了常规二维或三维频率选择吸收体难以兼具宽频透射和宽频吸波的问题，在低RCS隐身天线罩领域具有广泛的应用前景。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，包括上层的三维吸波层和下层的宽频透波的二维带通频率选择表面层；所述三维吸波层包括呈方形周期性排布的三维中空介质基板单元阵列，其中中空介质基板单元包括加载集总电阻和并联支节的金属带以及共面带状线；所述二维带通频率选择表面层包括三层金属层和两层介质层，并具备带外传输零点；所述三维吸波层和二维带通频率选择表面层共同作用，形成中频段的低插损宽频透射窗口，以及低频和高频段的宽频吸收频带。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的三维中空介质基板单元的单面侧壁上镀有上方、下方和中间三条纵向级联的金属带，上方和下方的金属带分别加载两个集总电阻，金属带中点处加载并联支节，同时这两个金属带两端分别向各自的下方和上方延伸出一段，形成共面带状线；中间的金属带的中点处加载一个集总电阻，该集总电阻的两侧分别加载并联支节结构。
上述的二维带通频率选择表面层的第一层由金属方形贴片组成的周期结构构成；第二层为介质层；第三层由方环缝隙和方形缝隙组成的周期结构构成；第四层是与第二层介质层材料参数和厚度均相同的介质层；第五层由与第一层相同的金属方形贴片组成的周期结构构成。
电磁波入射至所述选择吸收体时，在所述吸波层中的五个同尺寸的并联支节在宽频带内产生无穷大的端口阻抗，使得吸波层在此宽频带内的等效阻抗为无穷大，使电磁波低插损透过吸波层；同时下层的频率选择表面层利用金属层之间的层间耦合，形成与吸波层无穷大阻抗频带重合的宽频透射带，并通过增加带外传输零点提高透射带的选择性，在中频段形成一个低插损的高选择性宽频透射窗口。
电磁波入射至所述选择吸收体时，在吸收频带内，吸波层中的三条级联加载集总电阻的金属带形成LC串联谐振，频率选择表面层作为金属接地面，实现对入射电磁波的宽频高效率吸收，入射电磁能量由集总电阻损耗，同时共面带状线在低频段呈现出电容性，拓宽低频段的吸收带宽，形成低频和高频段的宽频吸收频带。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过二维三维混合单元结构设计，实现了兼具中频段宽频透射、高低频段宽频吸波的新型FSR结构设计，通过在单元结构中引入共面带状线结构，该FSR的双极化低反射（S11<-10dB）相对带宽达160%，优于已报道的绝大部分FSR结构；
本发明通过引入并联支节和具备带外传输零点的带通FSS，该FSR具备了高选择性的宽频低插损透射特性，-3dB透射窗口的相对带宽达38%，透射带宽优于已报道了大部分FSR结构；
本发明FSR结构相比于常规的三维FSR结构， 实现了双极化不敏感，且结构更加简单，加工成本低。综上所述，该二维三维混合结构频率选择吸收体的电磁性能优于目前已报道的相关设计，为频率选择吸收体的设计提供了新的思路，其在雷达隐身天线罩的相关设计中具有较大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明的频率选择吸收体三维示意图；
图2是本发明的三维吸波层单元结构图；
图3是本发明的三维吸波层中并联支节结构图；
图4是本发明的二维频率选择表面单元分层结构图；
图5是本发明的二维频率选择表面单元每层结构图；
图6是本发明的吸收率、透射系数和反射系数曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
本发明一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，通过在上层呈方形周期性排布的中空介质基板的单元侧壁上级联多条加载共面带状线的有耗金属带，实现宽频吸波，在金属带上加载并联支节产生高阻抗宽频段；并设计下层的二维带通频率选择表面使其透射频段和上层并联支节的高阻抗频段重合，使该频率选择吸收体在中频段具备宽频低插损透射特性。如图1-5所示，本发明频率选择吸收体具体包括上层的呈方形周期性排布且镀有级联有耗金属带的三维中空介质基板单元阵列（三维吸波层）和下层的二维带通频率选择表面；
所述三维中空介质基板单元的单面侧壁上镀有上方、下方和中间三条纵向级联的金属带，其中上方和下方的金属带分别加载两个集总电阻，金属带中点处加载并联支节，同时这两个金属带两端分别向各自的下方和上方延伸出一段，形成共面带状线；而中间的金属带的中点处加载一个集总电阻，该集总电阻的两侧分别加载并联支节结构；
所述二维带通频率选择表面层包括五层，由三层金属层和两层介质层组成；其中第一层由金属方形贴片组成的周期结构构成；第二层为介质层；第三层由方环缝隙和方形缝隙组成的周期结构构成；第四层是与第二层介质层材料参数和厚度均相同的介质层；第五层由与第一层相同的金属方形贴片组成的周期结构构成。
电磁波入射至所述选择吸收体时，分别与三维吸波层和二维带通频率选择表面层相互作用，由于三维吸波层和二维带通频率选择表面层在透射带内的插损都很小，中频透频带内的电磁波能够以极小的插损透射过去，高频和低频吸波带内的电磁波将会被三维吸波层中的集总电阻吸收，实现宽频吸收。
中频段的宽频透射窗口由三维吸波层和二维带通频率选择表面层共同作用形成；电磁波入射至所述的频率选择吸收体时，分别与三维吸波层和二维带通频率选择表面层相互作用，在吸波层中加载的五个同尺寸的并联支节可在宽频带内产生无穷大的端口阻抗，使得吸波层在此宽频带内的等效阻抗为无穷大，使电磁波可低插损透过吸波层；同时下层的频率选择表面层利用金属层之间的层间耦合，产生了和吸波层无穷大阻抗频带重合的宽频透射带，并通过增加带外传输零点提高了透射带的选择性。所述三维吸波层和频率选择表面层的共同作用在中频段形成一个低插损的高选择性宽频透射窗口。
低频和高频段的吸收频带由三维吸波层和频率选择表面层共同作用形成；在吸收频带内，吸波层中的三条级联加载集总电阻的金属带形成LC串联谐振，频率选择表面作为金属接地面，实现了对入射电磁波的宽频高效率吸收，入射电磁能量由集总电阻损耗。同时加载的共面带状线在低频段呈现出电容性，拓宽了低频段的吸收带宽。
实施例中，具体参阅图1，图1所示为本发明二维三维混合结构频率选择吸收体结构2*2单元示意图。结构整体由三维吸波结构与二维带通频率选择表面两部分构成，所述三维吸波结构置于二维带通频率选择表面的正上方，吸波结构为呈方形中空排布的周期性结构；每个吸波结构单元由四块厚度为0.508mm的Rogers TMM4介质基板围成的中空长方体结构组成，吸波结构高度h为17.9mm，周期p为11mm。
所述二维带通频率选择表面呈周期性阵列分布，二维带通频率选择表面的阵列单元由厚度t为2mm的两层介电常数为3的F4B介质基板构成，上层基板上表面和下层基板下表面镀有同尺寸方形金属贴片，两层基板之间的金属层开设有方环和方形缝隙。
图2所示为本发明吸波层单元结构示意图。单元结构由相互平行的三条级联金属带1、2和3组成。三条金属带宽度均为w=0.2mm，水平方向长度l 1=9.9mm。其中，金属带1的两侧向-z方向延伸长度l 2=6.5mm，中心位置加载一个并联支节结构，两个同阻值集总电阻1（400Ω）分别焊接在谐振结构两侧；金属带2位于金属带1下方距离g 1=1.4mm处，金属带2的两侧不向下延伸，其中心位置焊有集总电阻2（200Ω），电阻两侧分别加载同尺寸并联支节结构；金属带3位于金属带2下方距离g 2=4.6mm处，金属带3的两侧向+z方向延伸长度l 3=2.9mm，中心位置加载一个并联支节结构，其两测焊接两个同阻值集总电阻3（400Ω）。
图3所示为本发明吸波层中的并联支节结构示意图。结构中金属带宽度均为w s=0.15mm。结构整体上呈现左右对称分布，靠近金属带侧的间隙宽度g c1=0.4mm，长度l c1=0.6mm，其可等效为电容；结构向-z方向延伸长度l s1=1.4mm，两条平行金属带中间加载金属带，其长度ls 2=2.7mm，等效为电感；结构末端金属带间隙宽度于左侧一致，等效为同值电容，其中lc 2=0.85mm。此并联支节可等效为两级LC并联电路的级联形式，通过谐振模式分离，此结构可在宽频带内实现等效阻抗为无穷大，当此频段内电磁波入射时，电磁波可低插损透过此吸波层。
图4和图5所示为本发明下层二维宽通带频率选择表面结构示意图。其中介质层采用厚度为2mm，介电常数为3的F4B板材；金属方贴片的边长l p =6.1mm，两层F4B介质中间方环缝隙边长g l1=5.45mm，宽度w l =0.3mm；中间方形缝隙宽度g l2=2.8mm。整体结构的金属贴片选用铜，厚度均为0.035mm。
图6所示为本发明实施例中的吸收率、反射系数和透射系数随频率变化的仿真曲线，从图6中可以看出本发明具有一个中频宽通带以及通带两侧的两个吸收带。其在2.2GHz~19GHz频段范围内呈现低反射特性（S11<-10dB），相对带宽达160%。在2.2GHz~7.4GHz（FBW:108%）和12.1GHz~19GHz（FBW:44%）频段范围内实现吸收率大于90%的正向吸波特性。-3dB透射频段范围为8.1GHz~11.9GHz，相对带宽达38%，-1dB透射频段范围为8.4GHz~11.5GHz，相对带宽达31.1%，在9GHz处实现最小插损0.48dB。同时，本发明的结构单元对称，对TE和TM入射极化波均可实现上述电磁性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，其特征在于，包括上层的三维吸波层和下层的宽频透波的二维带通频率选择表面层；所述三维吸波层包括呈方形周期性排布的三维中空介质基板单元阵列，其中中空介质基板单元包括加载集总电阻和并联支节的金属带以及共面带状线；所述二维带通频率选择表面层包括三层金属层和两层介质层，并具备带外传输零点；所述三维吸波层和二维带通频率选择表面层共同作用，形成中频段的低插损宽频透射窗口，以及低频和高频段的宽频吸收频带。
2.根据权利要求1所述的一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，其特征在于，所述三维中空介质基板单元的单面侧壁上镀有上方、下方和中间三条纵向级联的金属带，上方和下方的金属带分别加载两个集总电阻，金属带中点处加载并联支节，同时这两个金属带两端分别向各自的下方和上方延伸出一段，形成共面带状线；中间的金属带的中点处加载一个集总电阻，该集总电阻的两侧分别加载并联支节结构。
3.根据权利要求1所述的一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，其特征在于，所述二维带通频率选择表面层的第一层由金属方形贴片组成的周期结构构成；第二层为介质层；第三层由方环缝隙和方形缝隙组成的周期结构构成；第四层是与第二层介质层材料参数和厚度均相同的介质层；第五层由与第一层相同的金属方形贴片组成的周期结构构成。
4.根据权利要求1所述的一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，其特征在于，电磁波入射至所述选择吸收体时，在所述吸波层中的五个同尺寸的并联支节在宽频带内产生无穷大的端口阻抗，使得吸波层在此宽频带内的等效阻抗为无穷大，使电磁波低插损透过吸波层；同时下层的频率选择表面层利用金属层之间的层间耦合，形成与吸波层无穷大阻抗频带重合的宽频透射带，并通过增加带外传输零点提高透射带的选择性，在中频段形成一个低插损的高选择性宽频透射窗口。
5.根据权利要求1所述的一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体，其特征在于，电磁波入射至所述选择吸收体时，在吸收频带内，吸波层中的三条级联加载集总电阻的金属带形成LC串联谐振，频率选择表面层作为金属接地面，实现对入射电磁波的宽频高效率吸收，入射电磁能量由集总电阻损耗，同时共面带状线在低频段呈现出电容性，拓宽低频段的吸收带宽，形成低频和高频段的宽频吸收频带。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410340216.6A Active CN118137168B (zh) | 2024-03-25 | 2024-03-25 | 一种宽频透射、宽频吸波的二维三维混合结构频率选择吸收体 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
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| WO2024041280A1 (zh) * | 2022-08-24 | 2024-02-29 | 中兴通讯股份有限公司 | 频率选择表面与空间滤波方法 |
-
2024
- 2024-03-25 CN CN202410340216.6A patent/CN118137168B/zh active Active
Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN110247196A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-17 | 南京航空航天大学 | 一种中频宽带透波、高频和低频吸波的频率选择吸波体 |
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| WO2024041280A1 (zh) * | 2022-08-24 | 2024-02-29 | 中兴通讯股份有限公司 | 频率选择表面与空间滤波方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| KUN XUE 等: "A Compact Ultrawideband Frequency Selective Rasorber With Hybrid 2-D and 3-D Structure", 《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS 》, 16 June 2022 (2022-06-16) * |
| 刘隆华: "频率选择雷达吸波体及其小型化的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库(信息科技辑)》, 15 May 2021 (2021-05-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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