專利名稱：十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法及其共形低rcs天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低RCS天線罩，更具體地說，是一種利用十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體以中心頻率為29GHz進(jìn)行共形得到低RCS天線罩。
背景技術(shù)：
天線可看作一種精密儀器，對其外形尺寸和表面精度要求都很高。任何一種天線，其正確性、穩(wěn)定性和可靠性都是很重要的性能指標(biāo)。天線罩是由天然或人造電介質(zhì)材料制成的覆蓋物，或是由桁架支撐的電介質(zhì)殼體構(gòu)成的特殊形狀的電磁窗口，它一方面保護(hù)天線不受風(fēng)霜、塵霧、雨雪、冰雹和烈日的破壞，另一方面其存在要盡量不影響天線的輻射性 倉泛。天線是飛行器上的強(qiáng)散射源，對飛行器的RCS(Radar Cross-Section，雷達(dá)散射截面)貢獻(xiàn)非常大，所以減小天線的RCS是減小飛行器的RCS焦點(diǎn)問題。在天線的工作頻帶內(nèi)減小天線的RCS難度非常大，在天線的工作頻帶外縮減天線的RCS是比較可行的。頻率選擇表面(Frequency selective surfaces, FSS)是一種反射或傳輸特性表現(xiàn)為頻率之不同函數(shù)的表面，一般指二維周期性結(jié)構(gòu)，有貼片型和開孔型兩種結(jié)構(gòu)類型。貼片型是在介質(zhì)襯底層上周期性地印上規(guī)則的導(dǎo)體貼片單元；開孔型是在很大的金屬屏上周期性地開規(guī)則的孔單元。它們可以實現(xiàn)對電磁波的頻率選擇作用和極化選擇作用，當(dāng)頻率選擇表面的單元諧振于電磁波的某一頻率上時，這一頻率的電磁波將被全反射(貼片型)或全透射(開孔型)，而偏離此頻率的電磁波將被全透射(貼片型)或全反射(開孔型)。將頻率選擇表面用于天線罩是減小天線RCS —種重要手段。在天線工作頻段內(nèi)它具有很好的透波性能，不影響天線的正常工作；而在該頻帶以外，天線罩等效為一個全反射金屬罩，利用其流線形表面將入射的電磁波散射到各個方向去，而不照射到天線上，從而大大地降低了天線的RCS。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種利用十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的共形低RCS天線罩。利用頻率選擇表面可以實現(xiàn)電磁波的極化和頻率選擇的特點(diǎn)，頻率選擇表面形式為開孔型的十字環(huán)形縫隙，適用于任何極化的天線；通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)尺寸、排布周期及介質(zhì)基板厚度，使結(jié)構(gòu)體在天線工作中心頻率上諧振，天線工作頻帶內(nèi)電磁波被全透射，帶外電磁波被全反射，從而有效地降低了天線的RCS。本發(fā)明的目的之二在于提出一種對十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體進(jìn)行最佳結(jié)構(gòu)體尺寸優(yōu)化的方法，通過該方法能夠使最佳結(jié)構(gòu)體所需涉及的參數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，對極化不敏感，入射角范圍大，帶內(nèi)具有極高的透射率，又很好的濾除帶外頻率，有效地降低了天線的RCS。本發(fā)明的一種十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法，結(jié)構(gòu)體優(yōu)化包括有下列步驟步驟一介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度設(shè)置；依據(jù)半波長壁結(jié)構(gòu)公式I I >U\ n得到介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度H ；
IyISb-SmO0n為整數(shù)，A 0為天線罩諧振頻率的電磁波在自由空中的波長，n A ^為整數(shù)倍的波長，eb為介質(zhì)板的介電常數(shù)，9 C1為入射角；步驟二 使用HFSS仿真軟件驗證介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度；步驟201 :在HFSS仿真軟件中依據(jù)步驟一的優(yōu)化厚度H構(gòu)建介質(zhì)基板的三維模型；
步驟202 :對步驟201得到的三維模型在頻率為28. 5GHz 29. 5GHz條件下，進(jìn)行透射系數(shù)TR的仿真；若TR ^ 99%，則選取步驟一的優(yōu)化厚度H ;若TR < 99%，則返回步驟一重新進(jìn)行優(yōu)化厚度H參數(shù)設(shè)置；步驟三優(yōu)化臂長L的理論估計；依據(jù)Ben A. Munk的理論估計優(yōu)化臂長L,確定出優(yōu)化臂長L的數(shù)字范圍為I. 3mm< L < I. 7mm ；步驟四優(yōu)化邊長A的理論估計；為了使頻率選擇表面在任意入射角Qtl都有穩(wěn)定的諧振頻率，優(yōu)化邊長A取值滿足A<0.4X，A表示天線工作中心頻率的電磁波的波長；即優(yōu)化邊長A取值應(yīng)滿足3mm ^ A ^ 4mm ；步驟五優(yōu)化縫隙長W和間距T的理論估計；依據(jù)獲得最大透射系數(shù)TR，理論估計W取值在0. 4mm < W < I. 2mm,理論估計T的取值 0. I ^ T ^ 0. 5 ；步驟六最佳結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化尺寸；步驟601 :在HFSS仿真軟件中，調(diào)入步驟二得到的優(yōu)化厚度H、步驟三得到的優(yōu)化臂長L、步驟四得到的優(yōu)化邊長A、步驟五得到的優(yōu)化縫隙長W和優(yōu)化間距T進(jìn)行模型建立，得到第一模型結(jié)構(gòu)體；步驟602 :對步驟601得到的第一模型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行邊界、激勵端口的設(shè)置，得到第二模型結(jié)構(gòu)體；所述激勵端口為Floquet端口 ；所述邊界為主從邊界；步驟603 :設(shè)置第二模型結(jié)構(gòu)體的初始值，分別記為優(yōu)化臂長初始值U、優(yōu)化邊長初始值A(chǔ)。、優(yōu)化縫隙長初始值Wc^優(yōu)化間距初始值Tci,令Ltl=L 3mm、A0=3. 6mm、Wci=O. 5mm、T0=O. 2mm ；步驟604 :依據(jù)優(yōu)化原則對L、A、W、T進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳結(jié)構(gòu)體；所述優(yōu)化原則是使最佳結(jié)構(gòu)體諧振在29GHz，IdB帶寬最小，帶內(nèi)透視率透射系數(shù)大于95% ；對L、A、W、T 的參數(shù)優(yōu)化的端值滿足I. 3mm < L < I. 7mm>3mm ( k ( 4mm、
0.4mm 彡 W 彡 I. 2mm 和 0. I 彡 T 彡 0. 5 ;步驟605 :優(yōu)化后的尺寸參數(shù)分別為L=L 6mm、A=3. 6mm、W=lmm、T=0. 4mm ;最佳結(jié)構(gòu)體諧振在29GHz，IdB帶寬為5GHz，帶內(nèi)的透射系數(shù)TR大于97%。在本發(fā)明的十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法，依據(jù)優(yōu)化后的尺寸參數(shù)，采用覆銅技術(shù)在介質(zhì)基板(I)上制作出十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體上設(shè)有十字形銅條層(2)和銅屏層(3);十字形銅條層(2)與銅屏層(3)之間是十字環(huán)形縫隙(4);十字形銅條層(2 )和銅屏層(3 )構(gòu)成頻率選擇表面。本發(fā)明共形低RCS天線罩的優(yōu)勢在于①對極化不敏感，適用范圍廣。十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面為對稱形，對極化不敏感，適用于任意極化方式天線。②入射角范圍大。經(jīng)實例仿真驗證，入射波來波方向在0° 50°間，透射特性基本保持不變。
③工作頻帶內(nèi)完美透射。經(jīng)過實例仿真驗證，在工作頻帶內(nèi)透射系數(shù)達(dá)到97%以上。④共形低RCS天線罩結(jié)構(gòu)簡單，加工容易。⑤呈現(xiàn)極好的濾波效果，帶外透射特性急劇下降，IdB帶寬僅為5GHz，很好的濾除了帶外頻率，從而有效地降低了天線的RCS。


圖I是本發(fā)明的十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的立體結(jié)構(gòu)圖。圖IA是圖I的正視圖。圖IB是標(biāo)注尺寸的圖I的正視圖。圖2是采用HFSS仿真軟件時的尺寸正視圖。圖3是在HFSS仿真軟件中構(gòu)形的十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的立體結(jié)構(gòu)圖。圖4是十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元周期延拓形成陣列的平面型天線罩立體圖。圖5是對實施例的SI I參數(shù)仿真圖。圖6是對實施例的透射系數(shù)仿真圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。依據(jù)頻率選擇表面對頻率和極化的選擇，本發(fā)明設(shè)計了的一種能夠共形得到低RCS天線罩的十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體(簡稱為最佳結(jié)構(gòu)體)。該共形低RCS天線罩是由多個最佳結(jié)構(gòu)體，并按照位于中心的最佳結(jié)構(gòu)體沿上下左右方向周期延拓排列形成，參見圖4所示。通過調(diào)節(jié)最佳結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)尺寸、排布周期以及介質(zhì)基板厚度，使最佳結(jié)構(gòu)體在天線工作中心頻率上諧振。天線工作頻帶內(nèi)電磁波能夠通過天線罩透射出去，而工作頻帶外電磁波將不能通過天線罩被反射回來，從而有效地降低了天線的RCS。參見圖I、圖1A、圖IB所示，在本發(fā)明中，十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體(簡稱為最佳結(jié)構(gòu)體)是在介質(zhì)基板I上采用覆銅技術(shù)制作出十字形銅條層2和銅屏層3 ；十字形銅條層2與銅屏層3之間是十字環(huán)形縫隙4。十字形銅條層2和銅屏層3構(gòu)成頻率選擇表面。介質(zhì)基板I為正方形；介質(zhì)基板I的邊長記為A1,介質(zhì)基板I的厚度記為H1,十字形銅條層2和銅屏層3厚度是相同的，銅屏層3的厚度記為H3，且H3 < 0. OOl入，入表示天線工作中心頻率的電磁波的波長。十字形銅條層2的臂長記為L2,十字形銅條層2的臂寬記為W2,十字形銅條層2的外側(cè)臂與十字環(huán)形縫隙4的內(nèi)腔壁之間的間距記為T2_4。十字環(huán)形縫隙4的腔長記為L4,十字環(huán)形縫隙4的腔寬記為W4,十字環(huán)形縫隙4的外腔壁與邊界線的間距記為L4_3。結(jié)構(gòu)體的尺寸關(guān)系存在有為-A1= 2L4_3+L4，W4 = 2T2_4+ff2, L4 = 2T2_4+L2。在本發(fā)明中，采用HFSS軟件對模型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)體的尺寸參數(shù)，經(jīng)覆銅技術(shù)加工出多個最佳結(jié)構(gòu)體共形的低RCS天線罩的性能指標(biāo)最優(yōu)，具體的模型結(jié)構(gòu)體優(yōu)化步驟為參見圖2所示，在HFSS軟件中對模型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行尺寸優(yōu)化，模型結(jié)構(gòu)體優(yōu)化尺寸參數(shù)包括有介質(zhì)基板I的優(yōu)化厚度H，簡稱為優(yōu)化厚度H，且H = H1 ;十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化邊長A，簡稱為優(yōu)化邊長A，且A =A1 ;十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化臂長L，簡稱為優(yōu)化臂長L，且T -Lx+T ,
L — 2 十 J 2-4 5十字環(huán)形縫隙4的優(yōu)化縫隙長W，簡稱為優(yōu)化縫隙長W，且W = W4 ;十字形銅條層2與十字環(huán)形縫隙4之間的優(yōu)化間距T，簡稱為優(yōu)化間距T，且T = T2_4。在本發(fā)明中，對模型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行優(yōu)化所需達(dá)到的性能指標(biāo)包括有諧振頻率f、IdB帶寬WB和透射系數(shù)TR。優(yōu)化厚度H為影響介質(zhì)基板的透射系數(shù)TR的主要參數(shù)。優(yōu)化臂長L為影響結(jié)構(gòu)體的諧振頻率f的主要參數(shù)，當(dāng)優(yōu)化臂長L近似等于八分之一的波長、時結(jié)構(gòu)體發(fā)生諧振，隨著優(yōu)化臂長L的增大，諧振頻率f 將減小。優(yōu)化邊長A為影響對結(jié)構(gòu)體的IdB帶寬WB的主要參數(shù)，隨著優(yōu)化邊長A的增大，IdB帶寬WB將減小。優(yōu)化縫隙長W和優(yōu)化間距T為影響結(jié)構(gòu)體的諧振頻率f和IdB帶寬WB的輔助參數(shù)，隨著優(yōu)化縫隙長W和優(yōu)化間距T的增大，諧振頻率f將小幅減小且IdB帶寬WB小幅增大。步驟一介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度設(shè)置；依據(jù)半波長壁結(jié)構(gòu)公式I /D得到介質(zhì)基板I的優(yōu)化厚度H ；
2^]Sb-Sm00半波長壁結(jié)構(gòu)公式是指國防工業(yè)出版社，于1993年10月出版的，杜耀惟著的《天線罩電信設(shè)計方法》，在第67頁和第68頁中介紹。n為整數(shù)，X ^為天線罩諧振頻率的電磁波在自由空中的波長，n X ^為整數(shù)倍的波長，eb為介質(zhì)板的介電常數(shù)，Qtl為入射角。在本發(fā)明中，n的取值為I。則半波長壁結(jié)構(gòu)公式
權(quán)利要求
1. 一種十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法，其特征在于包括有下列步驟 步驟一介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度設(shè)置； 依據(jù)半波長壁結(jié)構(gòu)公式I / ■ u得到介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度H ； n為整數(shù)，入^為天線罩諧振頻率的電磁波在自由空中的波長，為整數(shù)倍的波長，e b為介質(zhì)板的介電常數(shù)，0 ^為入射角； 步驟二 使用HFSS仿真軟件驗證介質(zhì)基板的優(yōu)化厚度； 步驟201 :在HFSS仿真軟件中依據(jù)步驟一的優(yōu)化厚度H構(gòu)建介質(zhì)基板的三維模型；步驟202 :對步驟201得到的三維模型在頻率為28. 5GHz 29. 5GHz條件下，進(jìn)行透射系數(shù)TR的仿真；若TR ^ 99%，則選取步驟一的優(yōu)化厚度H ;若TR < 99%，則返回步驟一重新進(jìn)行優(yōu)化厚度H參數(shù)設(shè)置； 步驟三優(yōu)化臂長L的理論估計； 依據(jù)Ben A. Munk的理論估計優(yōu)化臂長L，確定出優(yōu)化臂長L的數(shù)字范圍為I. 3mm < L< I. 7mm ； 步驟四優(yōu)化邊長A的理論估計； 為了使頻率選擇表面在任意入射角e ^都有穩(wěn)定的諧振頻率，優(yōu)化邊長A取值滿足A<0.4X，A表示天線工作中心頻率的電磁波的波長；即優(yōu)化邊長A取值應(yīng)滿足.3mm ^ A ^ 4mm ； 步驟五優(yōu)化縫隙長W和間距T的理論估計； 依據(jù)獲得最大透射系數(shù)TR，理論估計W取值在0. 4mm < W < I. 2mm,理論估計T的取值.0. I ^ T ^ 0. 5 ； 步驟六最佳結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化尺寸； 步驟601 :在HFSS仿真軟件中，調(diào)入步驟二得到的優(yōu)化厚度H、步驟三得到的優(yōu)化臂長L、步驟四得到的優(yōu)化邊長A、步驟五得到的優(yōu)化縫隙長W和優(yōu)化間距T進(jìn)行模型建立，得到第一模型結(jié)構(gòu)體； 步驟602 :對步驟601得到的第一模型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行邊界、激勵端口的設(shè)置，得到第二模型結(jié)構(gòu)體；所述激勵端口為Floquet端口 ；所述邊界為主從邊界； 步驟603 :設(shè)置第二模型結(jié)構(gòu)體的初始值，分別記為優(yōu)化臂長初始值U、優(yōu)化邊長初始值A(chǔ)。、優(yōu)化縫隙長初始值W。、優(yōu)化間距初始值Ttl,令Ltl=L 3mm、A0=3. 6mm、Wtl=O. 5mm、T0=O. 2mm ； 步驟604 :依據(jù)優(yōu)化原則對L、A、W、T進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳結(jié)構(gòu)體； 所述優(yōu)化原則是使最佳結(jié)構(gòu)體諧振在29GHz，IdB帶寬最小，帶內(nèi)透視率透射系數(shù)大于.95% ； 對L、A、W、T的參數(shù)優(yōu)化的端值滿足1. 3mm < L < I. 7mm、3mm ( k ( 4mm、.0.4mm 彡 W 彡 I. 2mm 和 0. I 彡 T 彡 0. 5 ; 步驟605 :優(yōu)化后的尺寸參數(shù)分別為L=L 6mm、A=3. 6mm、W=lmm、T=0. 4mm ;最佳結(jié)構(gòu)體諧振在29GHz，IdB帶寬為5GHz，帶內(nèi)的透射系數(shù)TR大于97%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法，其特征在于依據(jù)優(yōu)化后的尺寸參數(shù)，采用覆銅技術(shù)在介質(zhì)基板(I)上制作出十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體上設(shè)有十字形銅條層(2)和銅屏層(3);十字形銅條層(2)與銅屏層(3)之間是十字環(huán)形縫隙(4);十字形銅條層(2)和銅屏層(3)構(gòu)成頻率選擇表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法，其特征在于介質(zhì)基板(I)為正方形。
4.一種利用十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元構(gòu)成的共形低RCS天線罩，其特征在于所述共形低RCS天線罩是由多個十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體，并按照位于中心的所述十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體沿上下左右方向周期延拓排列形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元構(gòu)成的共形低RCS天線罩，其特征在于所述十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體是采用覆銅技術(shù)在介質(zhì)基板(I)上制作出十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體上設(shè)有十字形銅條層(2)和銅屏層(3);十字形銅條層(2)與銅屏層(3)之間是十字環(huán)形縫隙(4);十字形銅條層(2)和銅屏層(3)構(gòu)成頻率選擇表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元構(gòu)成的共形低RCS天線罩，其特征在于介質(zhì)基板(I)為正方形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元構(gòu)成的共形低RCS天線罩，其特征在于所述十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的尺寸關(guān)系存在有=A1 =2L4_3+L4, W4 = 2T2_4+ff2, L4 = 2T2_4+L2 ； A1表不介質(zhì)基板的邊長； L4_3表示十字環(huán)形縫隙的外腔壁與介質(zhì)基板邊界線的間距； L4表示十字環(huán)形縫隙的腔長； W4表示十字環(huán)形縫隙的腔寬； T2_4表示十字形銅條層的外側(cè)臂與十字環(huán)形縫隙的內(nèi)腔壁之間的間距； W2表示十字形銅條層的臂寬； L2表示十字形銅條層的臂長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化方法及其共形低RCS天線罩，該十字環(huán)形縫隙頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)體是在介質(zhì)基板上，采用覆銅技術(shù)制作出十字形銅條層和銅屏層，以及十字形銅條層與銅屏層之間存在有十字環(huán)形縫隙；將結(jié)構(gòu)體按照周期延拓能夠共形得到低RCS天線罩。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)尺寸、排布周期及介質(zhì)基板厚度，使結(jié)構(gòu)體在天線工作中心頻率上諧振。天線工作頻帶內(nèi)電磁波能夠通過天線罩透射出去，而工作頻帶外電磁波將不能通過天線罩被反射回來。
文檔編號H01P1/20GK102723541SQ201210200659
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者姜維維, 安康, 應(yīng)小俊, 房見, 楊綽, 陳愛新 申請人:北京航空航天大學(xué)