一种窄过渡带的低通吸收式频率选择结构

1.本发明属于微波技术领域，涉及一种窄过渡带且极化不敏感的低通吸收式频率选择结构。


背景技术：

2.在军事装备领域，频率选择表面/结构(frequency selective surface/structure，fss)常用作天线罩来减小雷达散射截面(radar cross section,rcs)，提升作战平台的隐身性能。传统的fss是通过将雷达反射波偏离入射方向来实现单站rcs的缩减。然而它无法解决双站/多站rcs缩减的难题。为了解决这个问题，一种结合了fss和微波吸波体的新型人工电磁结构——吸收式频率选择表面/结构(absorptive frequency selective surface/structure,afss)应运而生。afss可以实现通带内透波，通带外吸波的功能。
3.目前大部分的afss都是带通型，其具有一个通带和位于通带一侧或两侧的吸波带。然而由于通带带宽的限制，带通afss无法满足vhf/uhf频段超宽带天线对于隐身天线罩的需求。在此背景下，低通afss被提出。其主要特征在于“低通高吸”，即高频吸波低频透波。一般定义f
p
为通带的截止频率(通常按|s
21
|≥-1db来衡量)，f
a1
和f
a2
为吸波带(|s
21
|≤-10db,|s
11
|≤-10db)的起始和截止频率。f
p
到f
a1
之间为过渡带。由于低通afss允许频率低于f
p
的电磁波透射，只要天线的工作频段低于f
p
，低通afss即可满足该天线的隐身天线罩的需求。
4.现有的低通afss过渡带太宽，使得透波到吸波的过渡非常缓慢，故急需研发一款过渡带的带宽尽可能窄(透波到吸波的转变尽可能快)，频率选择特性好的低通afss。作为天线罩使用时，天线的工作频带可以与天线罩的吸波频带靠得很近，因此适用性更好。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具备窄过渡带的极化不敏感的低通afss。该低通afss允许频率低于其通带的截止频率(f
p
)的电磁波通过，并且吸收频率位于其吸波带(f
a1
至f
a2
)内的电磁波，通带与吸波带之间的过渡带(f
p
至f
a1
)很窄，因此适用性更好。此外，该低通afss结构对称，因此具有极化不敏感特性(对任意极化入射电磁波均可响应)。
6.本发明窄过渡带的低通吸收式频率选择结构，为周期结构，每个单元包括损耗层和三维带阻结构；损耗层与三维带阻结构间留有空气间隙；
7.所述损耗层包括第一介质基片、以及分别设置在第一介质基片上下表面的第一吸波面、第二吸波面；所述第一吸波面与所述第二吸波面空间垂直设置；
8.所述第一吸波面包括依次串联的第一金属线、第一射频电阻、第二金属线；所述第二吸波面包括依次串联的第三金属线、第二射频电阻、第四金属线；所述第一射频电阻、所述第二射频电阻、第一介质基片的中心位于同一直线；
9.所述损耗层的等效电路为串联lc电路，其等效电感数值为6.1-14.05nh，对应的等效电容数值为0.064-0.135pf。等效电感数值与吸波带中心频点有关。
10.所述三维带阻结构；其包括第二至五介质基片、四根金属条；位于损耗层的下方，且与损耗层垂直设置
11.所述第二介质基片、第三介质基片、第四介质基片、第五介质基片围合成两端开放的中空长方体结构；所述长方体结构的其中两相邻介质基片内侧分别设有两根金属条；每块介质基片的两根金属条位于介质基片靠近损耗层端和远离损耗层端；
12.位于同一块介质基片的两根金属条最远端距离为0.4λ
0-0.6λ0；优选为0.5λ0，其中λ0表示吸波带中心频点对应波长。
13.作为优选，第一金属线、第二金属线、第三金属线、第四金属线的结构相同，其均包括折线部分和直线部分；折线部分的一端连接直线部分的一端，直线部分的另一端连接位于同一吸波面的射频电阻；
14.相对于水平放置的吸波面，斜45
°
放置的吸波面将周期单元内的有限面积充分利用，弯折的方式使得金属线长度更长，从而获得较大的等效电感数值。靠近射频电阻部分的金属线没有弯折是为了防止上下吸波面的金属线之间产生耦合。
15.作为优选，第一金属线、第二金属线、第三金属线、第四金属线的长度均为0.3λ
0-0.5λ0，其中λ0表示吸波带中心频点对应波长。
16.作为优选，所述空气间隙的厚度为0.15λ
0-0.35λ0，优选为0.25λ0，其中λ0表示吸波带中心频点对应波长。
17.作为优选，第一、第二射频电阻相同，具体阻值需要分析具体情况来确定。
18.作为优选，第一、第二、第三、第四金属线结构相同，具有旋转对称性。
19.作为优选，单根金属条的等效电感数值范围为8.1-17.7nh，对应的等效电容数值为0.06-0.11pf。等效电感数值与吸波带中心频点有关。
20.作为优选，单根金属条的长度为0.3λ
0-0.5λ0，其中λ0表示吸波带中心频点对应波长。
21.作为优选，所述金属条为类c型结构，其开口朝向所在介质基板的中心；
22.作为优选，所述金属条采用弯折线结构；
23.作为优选，第一至五介质基片采用fr4介质基片；
24.作为优选，所述三维带阻结构内4根金属条长度和线宽相同。
25.作为优选，所述第二介质基片、第三介质基片、第四介质基片、第五介质基片长、宽、厚度相同。
26.作为优选，所述第一介质基片的尺寸与所述第二介质基片、第三介质基片、第四介质基片、第五介质基片围合成长方体结构的开放端尺寸相同。
27.工作原理：
28.本发明与传统的二维低通afss不同，采用了二维和三维结合的方式，巧妙地构造了一种窄过渡带的低通吸收式频率选择结构。基于等效电路模型的理论分析表明低通afss窄过渡带实现的要点有两个：1.损耗层等效lc谐振电路的电感数值需要尽可能大；2.三维带阻结构的频率选择特性尽可能高。在此原理的基础上，本发明通过构造弯折金属线在有限面积的周期单元内实现较大的等效电感，但同时又保证了吸波带的性能。此外，构造三维
带阻结构来实现其较高的频率选择特性。然后将二者进行恰当地组合，最终实现窄过渡带的低通afss。
29.由于三维带阻结构上的金属条谐振产生传输零点，从而产生高频的阻带和低频的通带。三维带阻结构介质基片内侧两根金属条的组合方式，拓宽了阻带带宽。电磁波入射到结构表面，低频电磁波几乎不受影响地透过损耗层，到达三维带阻结构后无损或低插损透过三维带阻结构。在高频，损耗层与三维带阻结构一起实现吸波。其中三维带阻结构的原理为：介质基片内侧的金属条等效为lc串联电路，通过设计lc的数值，使其在特定频率谐振，产生阻带。由于该结构在x、y方向上完全相同，因此，对于te、tm波具有相同的感应特征，也就是具有双极化(极化不敏感)的特性。
30.上述的te波是指电磁波沿入射方向(-z方向)入射时，电场方向与y轴平行的电磁波；tm波是指电磁波沿入射方向(-z方向)入射时，电场方向与x轴平行的电磁波。
31.本发明提出的新型窄过渡带的低通afss结构有如下优点：
32.(1)本发明具有在低频很宽的一个频段内低插损甚至无损透波，在高频具有宽的吸波带的功能，且在透波带和吸波带之间的过渡带窄，选择性好，也就是适用性强。完美应用于军事领域的工作在vhf/uhf频段的大量超宽带天线和频谱监测等系统，一方面降低了天线的rcs，另一方面又不降低天线的增益，实现了良好的隐身性能。整个结构达到的低通高吸、窄过渡带的性能由损耗层和三维带阻结构的性能共同决定。
33.(2)本发明结构简单，使用简单的pcb工艺就可以实现，大大的降低了成本，损耗层只用焊接射频电阻，操作简单。
34.(3)本发明提出的低通afss采用fr4介质的pcb板加工，结构简单，尺寸小，成本低，易于加工。
35.(4)本发明提出的低通afss可作为vhf/uhf频段天线的隐身天线罩上的应用。
附图说明
36.图1是本发明的三维结构单元示意图；
37.图2是本发明的损耗层单元的俯视图；
38.图3是本发明的损耗层单元的俯视图的细节图及其标注；
39.图4是本发明的三维带阻结构单元的主视图及其标注；
40.图5是本发明的透射和反射系数(|s21|和|s11|)仿真结果图；
41.图6是本发明的吸波率仿真结果图；
42.图7是本发明的单元结构在电磁波斜入射时的反射和透射系数；(a)、(b)分别对应te和tm极化。
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
44.如图1所示，本发明提出的窄过渡带的低通afss包括两个部分。一部分是损耗层，另一部分是三维带阻结构。损耗层与三维带阻结构间引入空气间隙。
45.损耗层1的俯视图如图2所示，损耗层单元尺寸为10
×
10毫米，细节图如图3所示。上层部分为第一吸波面，包括第一介质基片1上镀有的第一弯折金属线2、第二弯折金属线3
以及焊接在两金属线间的第一射频电阻6。下层部分为第二吸波面，与第一吸波面结构相同，第一吸波面与第二吸波面空间垂直，包括第三弯折金属线4、第四弯折金属线5以及焊接在两金属线间的第二射频电阻7。第一吸波面与第二吸波面分别分布在厚度为0.3毫米的rf4第一介质基片1的两面。
46.三维带阻结构如图4所示，三维带阻结构由第二介质基片8、第三介质基片9、第四介质基片10、第五介质基片11、第一金属条12、第二金属条13、第三金属条14以及第四金属条15组成。其中，第二介质基片8、第三介质基片9、第四介质基片10、第五介质基片11具有相同的结构，长度为10毫米，厚度为0.3毫米，高度为26毫米；第一金属条12、第二金属条13、第三金属条14、第四金属条15具有相同的结构。其中，第一金属条12、第三金属条14位于第五介质基片11内表面，第二金属条13、第四金属条15位于第二介质基片8内表面，第二介质基片8与第五介质基片11相邻。
47.具体结构几何参数如下：
48.其中，损耗层单元的长度为a，介质基片厚度为t，射频电阻的长度和阻值分别为a1和r，弯折金属线的弯折深度为d，l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7为金属线的具体尺寸，损耗层金属线的线宽为w。损耗层与三维带阻结构之间引入的空气间隙的距离为h。三维带阻结构的一个金属条单元的宽为d1，弯折槽的凹陷深度为z
l
，弯折槽的凹陷宽度为b，弯折槽两侧的金属环的长为d2，弯折槽两侧的金属环的宽为x
l
，三维带阻结构金属条的线宽为w1。三维带阻结构第一金属条12下端到第三金属条14上端的距离为h1。
[0049][0050][0051]
图5、图6和图7为该低通afss仿真结果。图5为反射和透射系数。可以看到，该结构的吸波带(|s
11
|≤-10db、|s
21
|≤-10db)位于4.6ghz到7.2ghz之间，相对带宽为44％。低于2.9ghz为通带(|s
21
|≥-1db)。过渡带位于2.9ghz到4.6ghz之间，带宽为1.58：1。相比于目前已报道的极化不敏感的低通afss最窄的2.6:1的带宽，本发明的过渡带带宽缩减了40％。
[0052]
图6为吸波率随频率的变化，很显然在吸波带内的吸波效率高达80％以上，吸波效果好。图7是斜入射时的透射和反射系数，可以看到在电磁波入射角度达到30
°
的情况下，该低通afss依然能够表现出基本稳定的性能。
[0053]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。