CN207038715U - 一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩。所述天线罩主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的保护层、两层保护层之间的金属缝隙层和中间介质层组成，空间内的电磁波照射到所述天线罩，依次经过上层金属缝隙层和下层金属缝隙层的两层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并通过保护层能有效地抑制杂波的传播。本实用新型适用于微频段通信的飞机或军舰隐身雷达天线罩的设计，该天线罩通带带宽大、带内插入损耗极小且稳定，频率选择性能和极化选择性能佳，通带外较长波段内无干扰性栅瓣，对电磁波的入射角度不明显，成本较低且制作简单。该新型频率选择表面在空间滤波器、隐身雷达天线罩、缩减飞机雷达散射界面等方面具有巨大的应用价值。

Description

一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩

技术领域

本实用新型涉及了一种天线器件，尤其是涉及了一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，可用于微波段通信的机载或舰载雷达天线罩上对飞机或军舰有隐身作用。

背景技术

目前，高新技术以前所未有的广度和深度向战争诸要素渗透，极大地改变了战争的物质基础和技术构成。高新技术武器装备已成为夺取战争的主动权和胜利的重要因素。电子武器装备作为高新技术武器装备中不可或缺的一部分，在战争中的作用越来越突出。

飞机或军舰作为现代作战中不可或缺的重要武器装备，可见其在作战过程中的隐身作用的重要性，因此受到世界各国越来越多的重视。带通型频率选择表面应用于机载或舰载雷达天线罩上可以有效避免敌方雷达勘测,起到使飞机或者军舰隐身的作用。 但频率选择表面应用于雷达天线罩时,由于电磁波在通过带通型频率选择表面时引起的谐波效应及两者相互作用时产生的表面波影响,会不可避免的在滤波过程中会产生栅瓣。如果栅瓣产生的位置在敌方雷达的勘测频率内,无疑会使频率选择表面起不到隐身作用。如何避免或消除栅瓣的影响以及如何在雷达天线罩结构中嵌入频率选择表面以获得实用效果良好的滤波特性是频率选择表面应用中的所面临的重要问题。

现有天线罩的实现方式，一般采用的是周期性频率选择表面结构。目前FSS的研究应用主要集中在设计实现具有高性能的带通选择和带阻反射这两大类型上，在实现带通选择性能的FSS中，窄带FSS和多通带FSS研究已经比较成熟，而对于宽带FSS的设计，目前没有一个比较成熟的思路和方法。常见的单层金属频率选择表面结构可以实现窄带的空间滤波，或者选择性交叉的宽通带的空间滤波。随着频率选择表面结构单元的复杂和分形的深入,使中心频率的增加,设计的结构越容易出现栅瓣干扰。

发明内容

针对如何提高天线罩的带通特性、频率选择性能和极化选择性，解决天线罩的栅瓣问题。本实用新型的目的在于提供一种无干扰性栅瓣、通带带宽大、低插入损耗、结构简单且加工简便的单层双频带通频率选择表面。

本实用新型的目的可以通过采取以下技术方案达到：

所述天线罩主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的保护层、两层保护层之间的金属缝隙层和中间介质层组成，空间内的电磁波照射到所述天线罩，依次经过上层金属缝隙层和下层金属缝隙层的两层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并能通过保护层能有效地抑制杂波的传播。

所述的周期单元包括上层保护层（1）、上层金属板（2）、中间介质层（3）、下层金属板（4）和下层保护层（5），中间介质层位于上层金属板（2）和下两层金属板（4）之间，上层保护层（1）贴于上层金属板（2）上表面，下层保护层（5）贴于下层金属板（4）下表面，上层金属板（2）和下层金属板（4）结构尺寸相同。

所述的上层金属板（2）开有内八边环形金属缝隙阵元（6），内八边环形缝隙的中心位于金属板的中心，其中四条边分别与金属贴片的四条边平行，并且四条边到金属贴片四条边的距离相等。下层金属板（4）与上层金属板（2）具有相同的形状尺寸结构，分别紧贴于中间介质层的上下表面。

所述的上层保护层（1）和下层保护层（5）均为置于频率选择表面外侧添加的保护材料，用于稳定谐振频率，保护整体结构。

所述中间介质层的介电常数为1.0006，介电损耗角正切为0。

所述的介质层在仿真中采用空气代替泡沫，在实际加工中采用泡沫，通过设计金属缝隙形状和大小改变金属层之间的耦合，使得空间电磁波在入射的情况下，在12.29GHz~16.22GHz通带范围内曲线非常平整光滑，没有特别大的插入损耗点，且最大插入损耗点的插入损耗仅为0.19dB。

本实用新型具有的有益效果如下。

本实用新型天线罩结构，适合于传统PCB工艺进行加工实现。

本实用新型的上下两个金属缝隙层中八边形缝隙为天线罩提供一个插入损耗小、带外抑制较大且带宽较大的通带，1GHz~8.4GHz 和20.8GHz~23GHz阻带范围内，阻带抑制大于20dB，并在通带外无干扰性栅瓣产生。电磁波在正入射的情况下，在12.29GHz~16.22GHz的通带范围内，插入损耗小于0.19dB，在通带外，S21曲线迅速降到-20dB以下并一直保持，所以它的带外抑制也非常好，因此，此FSS具有很好的通带性能。同时，在外侧添加的保护材料，能稳定谐振频率。能有效的减小带内的插入损耗和增大带外的抑制，并且截止频率处的陡峭度较好，频率选择性很好，能够满足一般的实用需求。

本实用新型同时支持TE和TM两种电磁波的极化模式，选取TE极化波和TM极化波在0°、15°、30°、45°这4个角度入射时的仿真图，可看出，在0°到45°的入射角度变化范围内性能非常稳定。

本实用新型具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，该设计在雷达等领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例天线罩的结构图。

图2是本实用新型中周期单元结构的结构图。

图3是本实用新型中周期单元结构的正视图。

图4是本实用新型中金属缝隙层的结构视图。

图5是TE波入射角度对于本实用新型中天线罩性能的影响曲线。

图6是TM波入射角度对于本实用新型中天线罩性能的影响曲线。

图7是本实用新型中天线罩的传输特性曲线。

图中：1、上层保护层，2、上层金属缝隙层，3、加载介质层，4、下层金属缝隙层，5、下层保护层，6、内八边形缝隙阵单元。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。应当理解此处所描述的具体实例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型所述天线罩主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，每个周期单元主要由上下两层的保护层、两层保护层之间的金属缝隙层和中间介质层组成，空间内的电磁波照射到所述天线罩，依次经过上层金属缝隙层和下层金属缝隙层的两层选择性滤波后，从下层金属层输出所需频段的电磁场，并能通过保护层有效地抑制杂波的传播。

如图2和图3所示，所述的周期单元包括上层保护层（1）、上层金属板（2）、中间介质层（3）、下层金属板（4）和下层保护层（5），中间介质层位于上层金属板（2）和下两层金属板（4）之间，上层保护层（1）贴于上层金属板（2）上表面，下层保护层（5）贴于下层金属板（4）下表面，上层金属板（2）和下层金属板（4）结构尺寸相同。

如图4所示，所述的上层金属板（2）开有内八边环形金属缝隙阵元（6），内八边环形缝隙的中心位于金属板的中心，其中四条边分别与金属贴片的四条边平行，并且四条边到金属贴片四条边的距离相等。下层金属板（4）与上层金属板（2）具有相同的形状尺寸结构，分别紧贴于中间介质层的上下表面。

本实施例采用9×9个周期单元，每个周期单元结构的上层金属板（2）为边长7.18mm的矩形 ，其内八边环形缝隙的空白缝隙宽度为0.18mm，八边形内边边长为2.35mm，外边边长为2.5mm，主要作用是用来为结构的传输特性曲线增加一个传输零点，使得通带到阻带具有陡峭的特点，而由之带来的好处是通带带宽增大，阻带的抑制幅度增大以及频率的选择性能增加。增加缝隙的宽度会较小通带频率，增大缝隙会增大通带带宽且减小通带频率，缝隙的长度过大会引起带内的起伏过大影响结构的性能，但是在一定范围内可以起到调节通带带宽的作用。增大外侧保护层厚度会减小通带频率，由于材料相对介电常数对栅瓣影响明显，且外界保护介质的相对介电常数越小越好，所以该实用新型在仿真中采用空气代替实际中的泡沫。这里上下金属板中八边环形缝隙的形状和尺寸大小完全相同，此处，八边环形缝隙的空白缝隙宽度和缝隙的内外边长宽度均为优化后的最佳值（保证通带内插入损耗均稳定小于0.19dB），如果再改变八边环形缝隙的空白缝隙宽度和缝隙的内外边长宽度，会降低天线罩的性能。

如图5和图6所示，电磁波的入射角度变化对于天线罩的性能而言影响也非常大。本设计考虑到尽可能满足较大的通带、阻带和稳定极小的插入损耗、避免和消除栅瓣的影响的情况下，使在0°到45°的角度变化范围内天线罩性能非常稳定。图5和图6说明了TE波和TM波入射角度对于天线罩性能的影响，可见在该频率范围内，角度的变化对天线罩的性能影响非常小，尤其是通带性能，仅有很小的波动。

如图7所示为该实施例的整体结构的传输特性曲线，考虑电磁波正入射的情况下，在12.29GHz~16.22GHz通带范围内，插入损耗小0.19dB，带宽为3.93GHz，在考虑介质材料损耗的情况下，同时，金属缝隙层的内八边形缝隙为天线罩提供一个带外抑制较大的阻带，1GHz~8.4GHz 和20.8GHz~23GHz阻带范围内，阻带抑制大于20dB，并在通带外无干扰性栅瓣影响。同时支持TE和TM两种极化模式，在0°到45°的角度变化范围内性能非常稳定。在通带外，S21曲线迅速降到-20dB以下一直保持，所以它的带外抑制也非常好，此FSS具有很好的通带性能。因此，在雷达等领域具有重要的应用价值。

由此，本实用新型具有突出显著的技术效果，实现了电磁波正入射情况下近12.29GHz~16.22GHz带宽的通带达到3.93GHz，损耗稳定小于0.19dB，在1GHz~8.4GHz 和20.8GHz~23GHz阻带范围内，阻带抑制大于20dB，并无干扰性栅瓣影响。同时支持TE和TM两种极化模式，在0°到45°的角度变化范围内性能非常稳定。通带内插损小，带外抑制好，对不同角度不同极化方式入射的电磁波保持很好的稳定性，频率选择性能佳。所以，本实用新型方案的设计是有效地。

Claims (6)

1.一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，其特征在于：所述天线罩主要由多个相同周期单元结构阵列组成的周期性频率选择表面，所述的周期单元包括上层保护层(1)、上层金属缝隙层(2)、中间介质层(3)、下层金属缝隙层(4)和下层保护层(5)，中间介质层位于上层金属缝隙层(2)和下层金属缝隙层(4)之间，上层保护层(1)贴于上层金属缝隙层(2)上表面，下层保护层(5)贴于下层金属缝隙层(4)下表面，空间内的电磁波照射到所述天线罩，依次经过上层金属缝隙层和下层金属缝隙层的两层选择性滤波后，从下层金属缝隙层输出所需频段的电磁场，并通过保护层能有效地抑制杂波传播。

2.根据权利要求1所述的一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，其特征在于：上层金属缝隙层(2)和下层金属缝隙层(4)结构尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，其特征在于：所述的上层金属缝隙层(2)开有内八边环形金属缝隙阵元(6)，内八边环形缝隙的中心位于金属板的中心，其中四条边分别与金属贴片的四条边平行，并且四条边到金属贴片四条边的距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，其特征在于：下层金属缝隙层(4)与上层金属缝隙层(2)具有相同的形状尺寸结构，分别紧贴于中间介质层的上下表面。

5.根据权利要求1所述的一种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，其特征在于：所述的上层保护层(1)和下层保护层(5)均为置于频率选择表面外侧添加的保护材料，用于稳定谐振频率，保护整体结构。

6.根据权利要求1所述的种基于新型频率选择表面的雷达天线罩，其特征在于：所述中间介质层的介电常数为1.0006，介电损耗角正切为0。