一种陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计的制作方法

1.本发明涉及天线与微波技术领域，尤其涉及一种陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计。


背景技术：

2.天线罩最早用于天线的防护或气动整形，近几十年用于隐身技术。主动探测或被动探测在当今日益激烈的电子对抗中扮演不可或缺的角色，高性能的探测手段可以更早的发现目标从而做出应对策略。因此，提高雷达系统自身的隐身特性变得非常重要，随着天线阵向超宽带轻量化、小型化、紧耦合方向的发展，对天线罩提出了同样的挑战。
3.通常情况下，具有隐身特性的天线罩是带通的，要求有较高的q值，因此需要多个频选层或多个电路。为实现带通和低rcs特性，通常采用周期性金属单元阵列与复合材料结合的人工电磁结构来设计制作天线罩。
4.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结构上，而实现带通选择性能的fss因选择带通的不同可分为窄带fss、多通带fss和宽带fss。相较而言超宽带fss缺乏成熟的方法和思路。受限于这类谐振型频选电磁结构的固有谐振特性，其频选工作带宽受到一定的限制，且传统频选电磁结构无法突破工作带宽与单元结构尺寸之间的固有理论极限-rozanov极限，因此带宽称为通信、雷达、导航等技术高效融合领域的重要技术瓶颈之一。传统的fss谐振结构带宽窄，需要探索新模式的fss结构获得更宽的带宽和更好的选择特性、角度稳定性，如何在超宽带设计下保持良好的选择特性和角度稳定性，是需要重点研究的课题。
5.fss的单元种类众多，同时衍生出多种变形单元，其中圆环、方形、六边形单元具有宽带特性，多用在超宽带应用中。当单元间距较大时，在高频会出现栅瓣，且随着入射角度的增大，栅瓣向低频移动，因此设计小型化紧耦合的fss单元有利于频带向高频扩展。


技术实现要素：

6.针对带通型超宽带频率选择表面的设计难点，本发明提供了一种具有陡截止特性的超宽带宽角频率选择表面的设计，在一定程度上解决了带宽不足，透波率低，角度稳定性差，以及超宽带下的带外截止度差的问题。
7.本发明的具体内容如下：一种陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，包括级联在一起的多层结构，由外向内依次包括：第一介质匹配层、介质胶层、第一金属功能层、第二介质匹配层、介质胶层、第二金属功能层、第三介质匹配层、第三金属功能层、介质胶层、第四介质匹配层，整体采用切比雪夫滤波器型对称式结构设计。
8.进一步的，第一介质匹配层与第四介质匹配层的厚度相同，第二介质匹配层与第三介质匹配层的厚度相同。
9.进一步的，第一介质匹配层、第二介质匹配层、第三介质匹配层和第四介质匹配层选用rogers rt/duroid 6002材料体系，介电常数为2.94，损耗角正切为0.0012。
10.进一步的，第一介质匹配层和第四介质匹配层的厚度为4.1mm，第二介质匹配层和第三介质匹配层的厚度为1.0mm。
11.进一步的，介质胶层介电常数为3，损耗角正切为0.002，厚度均为0.1mm。
12.进一步的，第二金属功能层的厚度为0.017mm，第二金属功能层包括六边形环和位于六边形环内的六边形实心贴片，六边形环的线宽为0.4mm，边长为3.2mm，六边形贴片边长为2.7mm，缝隙宽度为0.45mm。
13.进一步的，第一金属功能层和第三金属功能层结构相同，厚度为0.017mm,包括六边形板，六边形板内加载圆形孔径，六边形板的边长为2.0mm，加载圆形孔径的半径为1.45mm。
14.本发明的有益效果：本发明所提出的频率选择表面的设计具有结构及材料简单，小型化周期，整体厚度较薄等结构特征，同时具有陡截止、超宽带、高透波、高稳定性的电性能优势，是对宽带频率选择表面设计的一种改进。
附图说明
15.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
16.图1为本发明的陡截止超宽带宽角频率选择表面基本单元的正视图和厚度方向视图；
17.图2为陡截止超宽带宽角频率选择表面基本单元的各层分层视图；
18.图3为介质层和胶层尺寸示意图；
19.图4为中间层带通型fss功能层；
20.图5为两侧加载的带阻型fss功能层；
21.图6为s21响应曲线仿真结果；
22.图7为中间层带通型fss单元典型谐振点的电场幅度分布图；
23.图8为两侧加载的带阻型fss单元典型谐振点的电场幅度分布图。
具体实施方式
24.结合图1-图8，本技术提供的一种陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计如下：
25.如图1所示为本发明宽带宽角频率选择表面的基本单元模型正视图与厚度方向视图，图2为单元结构分层图，基本单元由十层结构组成，总厚度为10.55mm，约为低频波长的1/5，单元间距为3mm*5.2mm，具有小型化薄型fss的特征。包括四层介质匹配层、三层金属功能层和胶层。第一层为第一介质匹配层1，第二层为介质胶层2，第三层为金属功能层3，第四层为第二介质匹配层4，第五层为介质胶层2，第六层为第一金属功能层5，第七层为第三介质匹配层6，第八层为第二金属功能层7，第九层为介质胶层，第十层为第四介质匹配层8。其中，第一层与第十层厚度相同，第四层与第七层厚度相同，整体采用切比雪夫滤波器型对称式结构设计。
26.其中，每层的厚度d1＝4.1mm，d2＝0.1mm，d3＝0.017mm，d4＝1.0mm，d5＝0.1mm，d6＝0.017mm，d7＝1.0mm，d8＝0.017mm，d9＝0.1mm，d10＝4.1mm。其中，d1～d10分别为第一到第十层的厚度。选择的单元形式为六边形单元的变形单元，在xoy平面内按照正三角形周期排布，dx＝3mm，dy＝5.2mm。在实际应用中，需要根据具体要求确定单元的数目，fss的单元
数量无限定。
27.图3为介质匹配层及胶层的平面尺寸示意图，尺寸为6mm*10.4mm。匹配层介质选用rogers rt/duroid 6002材料体系，介电常数为2.94，损耗角正切为0.0012。胶层介电常数为3，损耗角正切为0.002。本设计采用对称型介质加载结构，与频率选择表面共同形成切比雪夫阻抗变换器，介质匹配层不仅承担了对功能层支撑的作用，最重要的是在阻抗调制方面，提供层间耦合电容和耦合电感，对通带内的透波率以及角度稳定性、带宽稳定性都有明显的改善作用。
28.根据ben a.munk教授(《频率选择表面理论与设计》)的研究结论，在多层fss的内外两侧加载低介电常数的介质，有利于改善二阶及高阶fss结构的角度稳定性，本设计在外侧采用同种介质加载，整个fss采用同种板材体系，降低加工难度，同时有利于减小厚度。
29.本发明采用三层谐振型互补fss。谐振型互补fss结构指每层单元阵列层都是谐振的，又是互补的，两者交替级联起来的结构形成综合lc谐振。图4为中间层fss的结构示意图，采用六边形环+六边形实心贴片的形式。作为本发明的一种较佳实施例，六边形环的线宽为0.4mm，边长为3.2mm，六边形贴片边长为2.7mm，缝隙宽度gap＝0.45mm。该层fss为自谐振带通型fss，加载介质后可提供5-18ghz的超宽带通带，为了推迟栅瓣以及改善带外抑制，综合考虑选择紧凑型小型化单元尺寸。但是单层fss的高频截止度较差，作为一种改进，在其两侧各设计了一个带阻型fss，如图5所示。六边形环的边长为2.0mm，加载圆形孔径的半径为1.45mm。两层带阻型fss互相耦合级联形成阻带在17.5ghz以上的带阻结构，调节介质加载厚度，使其同时具备通带内高截止和通带外高透波的特性，为fss结构提供较好的高频截止度。
30.另外，在设计基于切比雪夫滤波器的多层fss结构时值得注意的是：外层介质层的作用在于稳定不同入射角和不同极化下的带宽，与阵列层数无关。带宽基本由单个缝隙阵列决定(例如本设计中的中间层fss)。极小值深度主要由相邻阵列带宽和介质板决定。
31.图6为透波率的仿真结果。可以看出，在5.2ghz-16.5ghz工作频带内，所设计fss可实现50
°
扫描范围内透波率90％以上，60
°
扫描范围内透波率80％以上，高频截止过渡带为1ghz，且具有良好的截止度和矩形系数。
32.图7和图8为f＝10ghz时的电场幅度分布图。图7中的自谐振单元能量集中在六边形环与六边形实心贴片之间的孔径，由孔径的两端、六边形环的两边之间引入电容，六边形环的边提供电感，实现lc谐振。图8中的等效电容来自六边形边之间的感应电容及层间耦合电容，六边形的边提供电感，实现带阻型lc谐振。
33.本发明采用一种小型化周期结构，解决了带通型天线罩工作带宽不足，透波率低以及角度稳定性差的问题，通过带阻型fss加载，在保持高透波率的同时使得高频截止度有明显的改善。在带外高频段具有陡截止的特性，过渡带约为1ghz。本设计整体厚度较薄，fss层数较少，材料体系简单，有利于降低加工制造的成本，并保证其实现高频段性能的精度要求。
34.以上所述仅为本发明的一种实施方式，并非因此限制本发明的应用方法，在实际应用中，根据不同的使用环境，如高功率、高速，包括加工工艺、精度的要求，可调整介质的材料体系，单元的尺寸、周期等，有望得到更优的性能。
35.在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是
本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：包括级联在一起的多层结构，由外向内依次包括：第一介质匹配层、介质胶层、第一金属功能层、第二介质匹配层、介质胶层、第二金属功能层、第三介质匹配层、第三金属功能层、介质胶层、第四介质匹配层，整体采用切比雪夫滤波器型对称式结构设计。2.根据权利要求1所述的陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：第一介质匹配层与第四介质匹配层的厚度相同，第二介质匹配层与第三介质匹配层的厚度相同。3.根据权利要求2所述的陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：第一介质匹配层、第二介质匹配层、第三介质匹配层和第四介质匹配层选用rogers rt/duroid 6002材料体系，介电常数为2.94，损耗角正切为0.0012。4.根据权利要求2所述的陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：第一介质匹配层和第四介质匹配层的厚度为4.1mm，第二介质匹配层和第三介质匹配层的厚度为1.0mm。5.根据权利要求1所述的陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：介质胶层介电常数为3，损耗角正切为0.002，厚度均为0.1mm。6.根据权利要求1所述的陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：第二金属功能层的厚度为0.017mm，第二金属功能层包括六边形环和位于六边形环内的六边形实心贴片，六边形环的线宽为0.4mm，边长为3.2mm，六边形贴片边长为2.7mm，缝隙宽度为0.45mm。7.根据权利要求6所述的陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，其特征在于：第一金属功能层和第三金属功能层结构相同，厚度为0.017mm,包括六边形板，六边形板内加载圆形孔径，六边形板的边长为2.0mm，加载圆形孔径的半径为1.45mm。

技术总结
本发明涉及一种陡截止的超宽带宽角频率选择表面的设计，包括级联在一起的多层结构，由外向内依次包括：第一介质匹配层、介质胶层、第一金属功能层、第二介质匹配层、介质胶层、第二金属功能层、第三介质匹配层、第三金属功能层、介质胶层、第四介质匹配层，整体采用切比雪夫滤波器型对称式结构设计。本发明针对带通型超宽带频率选择表面的设计难点，在一定程度上解决了带宽不足，透波率低，角度稳定性差，以及超宽带下的带外截止度差的问题。本发明所提出的频率选择表面的设计具有结构及材料简单，小型化周期，整体厚度较薄等结构特征，同时具有陡截止、超宽带、高透波、高稳定性的电性能优势，是对宽带频率选择表面设计的一种改进。是对宽带频率选择表面设计的一种改进。是对宽带频率选择表面设计的一种改进。


技术研发人员：李洋 李钊 王立超 唐守柱 李昊
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十四研究所
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/7