[發(fā)明專利]一種具有超寬入射角穩(wěn)定性的頻率選擇表面及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011298135.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-18
• 公開（公告）號(hào): CN112952391B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金城;呂奇皓;張彬超;曹凱淇;黎亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q15/00
• 分類號(hào): H01Q15/00
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 高會(huì)允;仇蕾安

本發(fā)明公開了一種具有超寬入射角穩(wěn)定性的頻率選擇表面及其設(shè)計(jì)方法，能夠在各個(gè)斜入射角度實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)等效阻抗與空氣阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)了從0°到80°斜入射角度范圍內(nèi)均保持穩(wěn)定的傳輸響應(yīng)。本發(fā)明提出的頻率選擇表面包括介質(zhì)板、位于介質(zhì)板上表面的諧振結(jié)構(gòu)、位于介質(zhì)板下表面的饋電結(jié)構(gòu)和連通介質(zhì)板上下表面的金屬通孔。本發(fā)明根據(jù)空氣阻抗確定結(jié)構(gòu)的等效阻抗?jié)M足的條件，求出μ_t和ε_t需滿足的條件；設(shè)計(jì)位于介質(zhì)板上表面的諧振結(jié)構(gòu)的參數(shù)；將正方形金屬貼片分成兩個(gè)等大的長(zhǎng)方形金屬貼片，并在其中間嵌入變?nèi)荻O管，在介質(zhì)底部添加饋電線路，通過金屬通孔連接至上層的變?nèi)荻O管兩側(cè)，并沿著與上層平行金屬線垂直的方向分布。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于頻率選擇表面設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有超寬入射角穩(wěn)定性的頻率選擇表面及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

頻率選擇表面(FSSs)已經(jīng)研究了幾十年，并廣泛應(yīng)用于各種各樣的應(yīng)用，如亞反射器、極化器、帶通天線罩等。機(jī)載天線罩作為FSS的重要應(yīng)用之一，是將其置于機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)前端，以保護(hù)微波器件免受外界環(huán)境的破壞。在這種情況下，F(xiàn)SS天線罩被設(shè)計(jì)為對(duì)天線工作頻帶內(nèi)需要的信號(hào)進(jìn)行無耗傳輸，而對(duì)工作頻帶外的電磁波進(jìn)行反射。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)的輻射性能，F(xiàn)SS雷達(dá)罩在電磁波以超寬斜入射角入射時(shí)的穩(wěn)定透波性能就顯得尤為重要。

飛機(jī)通常以超音速飛行，因此為了減小飛機(jī)在高速飛行狀態(tài)下帶來的音爆效應(yīng)，它的頭錐通常設(shè)計(jì)為一個(gè)尖形。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射和接收的電磁波通常會(huì)穿過位于飛機(jī)機(jī)頭處FSS雷達(dá)罩到達(dá)外部環(huán)境或內(nèi)部的陣列天線。由于尖錐形的機(jī)頭形狀，電磁波在穿過FSS雷達(dá)罩時(shí)，入射角度通常從0°連續(xù)變化到75°甚至可以高達(dá)85°。因此，為了保持在飛行器的天線對(duì)超寬角度范圍的發(fā)射和接收電磁波均保持優(yōu)異的輻射性能，需要對(duì)FSS天線罩的角穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

近年來，人們對(duì)提高FSS在大角度斜入射時(shí)保持穩(wěn)定傳輸性能的方法做了大量研究，目前主要分為兩種解決方案：

1、對(duì)FSS進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，這種方法可以在保證結(jié)構(gòu)在電長(zhǎng)度保持不變的前提下顯著的減小結(jié)構(gòu)的物理尺寸，這使得結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)中的光柵波瓣在更高的頻率中出現(xiàn)，從而減小了柵瓣對(duì)傳輸頻段的影響，顯著提高了FSS的角穩(wěn)定性。目前最常用的小型化方法主要是通過采用對(duì)諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行折疊交叉的方法來減小FSS單元尺寸，使得結(jié)構(gòu)的角度穩(wěn)定性可以提高到60°。

2、設(shè)計(jì)具有三維結(jié)構(gòu)的FSS是實(shí)現(xiàn)角穩(wěn)定性能的另一種解決方案，其本質(zhì)是三維結(jié)構(gòu)犧牲了結(jié)構(gòu)整體的厚度來創(chuàng)造更大的空間來實(shí)現(xiàn)FSS單元的小型化設(shè)計(jì)。目前一些研究者們?cè)谘芯恐?，采用多目?biāo)懶惰蟻群優(yōu)化技術(shù)，提出了一種三維帶阻型FSS，其可在0°～72°入射角下保持穩(wěn)定的濾波性能。這種3-D結(jié)構(gòu)是高性能FSS設(shè)計(jì)的好候選者，盡管它的角穩(wěn)定性能是在犧牲整體結(jié)構(gòu)的厚度來實(shí)現(xiàn)的。

上述方法所涉及的實(shí)現(xiàn)FSS在大角度入射時(shí)的穩(wěn)定性本質(zhì)上均是利用小型化設(shè)計(jì)避免大角度入射時(shí)的頻率柵瓣在工作頻帶內(nèi)出現(xiàn)，從而影響結(jié)構(gòu)的角度響應(yīng)性能。柵瓣的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的最低頻率可以表示為

可以看出，隨著斜入射角度增加，柵瓣出現(xiàn)的頻率越來越低，當(dāng)斜入射角度達(dá)到接近90°時(shí)，柵瓣出現(xiàn)的最低頻率達(dá)到了垂直入射時(shí)最低柵瓣頻率的一半?？梢钥闯?，利用小型化設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)角度穩(wěn)定性的提高是有限的，在超大角度斜入射時(shí)系統(tǒng)的傳輸性能仍然會(huì)受到極大的影響。

因此，目前亟需一種能夠在大入射角度下，維持傳輸頻率穩(wěn)定性的方法，以此提高系統(tǒng)的傳輸性能。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有超寬入射角穩(wěn)定性的頻率選擇表面及其設(shè)計(jì)方法，能夠在0°～80°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸頻率穩(wěn)定及低傳輸損耗設(shè)計(jì)，并且通過在頻率選擇表面的設(shè)計(jì)中添加變?nèi)荻O管，使得頻率選擇表面的工作頻帶可以根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：