一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)及天線罩的制作方法
【專利摘要】公開了一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)，包括：依次層疊的第一頻率選擇表面層、介質(zhì)板、第二頻率選擇表面層；第一頻率選擇表面層為開設(shè)有N個縫隙的接地金屬板；第二頻率選擇表面層包括N個放大輻射單元，每個放大輻射單元又包括一個金屬貼片、一個三極管放大電路；在每個放大輻射單元中，三極管放大電路的輸入端經(jīng)由介質(zhì)板上的通孔與接地金屬板相連，三極管放大電路的輸出端與所述金屬貼片相連。本發(fā)明的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)能夠有效降低帶內(nèi)插損、提高帶內(nèi)透波率，同時實現(xiàn)帶外多頻段隱身。本發(fā)明還公開了一種天線罩，其能實現(xiàn)所述有源高透波超材料結(jié)構(gòu)的全部有益效果。
【專利說明】
一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)及天線罩
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及雷達天線罩設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)及天線罩。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，F(xiàn)SS(頻率選擇表面)天線罩，作為一種較為新興的天線罩工作機理，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的天線罩相比，頻率選擇表面天線罩不僅能提高雷達工作頻帶內(nèi)的透波率，保證雷達正常工作，而且能降低工作頻帶外的電磁波的反射率，獲得良好的隱身效果。
[0003]目前，普通的頻率選擇表面天線罩大多采用無源FSS結(jié)構(gòu)體材料制備而成。無源FSS是由大量無源諧振單元組成的周期性結(jié)構(gòu)，一般可通過在金屬板上制作周期性的縫隙或在介質(zhì)板上布置周期性的金屬貼片來實現(xiàn)。由于無源FSS的電氣性能無法改變，因此其不能快速適應(yīng)外部電磁環(huán)境的變化，進而降低了無源FSS天線罩的應(yīng)用靈活性。另外，普通的頻率選擇天線罩還存在以下問題:一是通帶內(nèi)的插損難以降低;二是難以同時實現(xiàn)通帶外的多頻段隱身功能;三是通帶內(nèi)的透波特性與通帶外的低散射特性存在一定程度的相互影響。
[0004]針對無源FSS的天線罩的缺陷，現(xiàn)有技術(shù)中亟需一種能有效降低帶內(nèi)插損、提高帶內(nèi)透波率，同時又能實現(xiàn)帶外多頻段隱身的新型天線罩制備材料及新型天線罩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)及天線罩，以有效降低帶內(nèi)插損、提高帶內(nèi)透波率，同時實現(xiàn)帶外多頻段隱身。
[0006]本發(fā)明提供了一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)，包括:依次層疊的第一頻率選擇表面層、介質(zhì)板、第二頻率選擇表面層；
[0007]第一頻率選擇表面層位于所述介質(zhì)板正面，具體為開設(shè)有N個縫隙的接地金屬板；第二頻率選擇表面層印制在所述介質(zhì)板背面，其包括N個放大輻射單元，每個放大輻射單元又包括一個金屬貼片、一個三極管放大電路;在每個放大輻射單元中，所述三極管放大電路的輸入端經(jīng)由介質(zhì)板上的通孔與接地金屬板相連，所述三極管放大電路的輸出端與所述金屬貼片相連;其中，N為大于等于I的整數(shù)。
[0008]優(yōu)選的，所述縫隙的厚度d滿足:
[0009]0<d<lymo
[0010]優(yōu)選的，所述金屬貼片的厚度與所述縫隙的厚度相同。
[0011 ]優(yōu)選的，所述縫隙為方形環(huán)縫隙，所述金屬貼片為方形貼片。
[0012]優(yōu)選的，所述方形環(huán)縫隙的臂長為2mm，并且，所述方形環(huán)縫隙的縫寬為0.1mm。
[0013]優(yōu)選的，N=4，并且，所述方形環(huán)縫隙呈正方形陣列分布。
[0014]優(yōu)選的，所述方形貼片與所述方形環(huán)縫隙的分布方式相同。
[0015]優(yōu)選的，所述介質(zhì)板的厚度為7.5mm，所述介質(zhì)板的介電常數(shù)ε滿足I< ε < 1.50
[0016]優(yōu)選的，所述三極管放大電路包括晶體管、匹配電阻、以及使所述晶體管處于放大狀態(tài)的外接偏壓電路。
[0017]本發(fā)明還提供了一種天線罩，所述天線罩由所述有源高透波超材料結(jié)構(gòu)制成。
[0018]本發(fā)明的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)主要包括:依次層疊的第一頻率選擇表面層、介質(zhì)板、第二頻率選擇表面層。其中，第一頻率選擇表面層為開設(shè)有縫隙的接地金屬板，其既能起到帶通濾波作用，又能起到發(fā)射板的作用。第二頻率選擇表面層包括金屬貼片、三極管放大電路，并且三極管放大電路的輸入端與接地金屬板相連，輸出端與金屬貼片相連。其中，金屬貼片主要起到輻射電磁波的作用，三極管放大電路主要起到進一步提高通帶內(nèi)的透波率的作用。本發(fā)明的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)能夠有效降低帶內(nèi)插損、提高帶內(nèi)透波率，同時實現(xiàn)帶外多頻段隱身。
【附圖說明】
[0019]通過以下參照附圖而提供的【具體實施方式】部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將變得更加容易理解，在附圖中:
[0020]圖1是本發(fā)明實施例的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明實施例的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)的等效電路圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實施例中雙層FSS結(jié)構(gòu)的電場強度分布圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實施例中雙層FSS結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)和反射系數(shù)曲線圖；
[0024]1、第一頻率選擇表面層；2、介質(zhì)板;3、第二頻率選擇表面層;4、通孔；101、縫隙；301、金屬貼片;302、晶體管放大電路。
【具體實施方式】
[0025]下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進行詳細描述。對示例性實施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。
[0026]在現(xiàn)有技術(shù)中，F(xiàn)SS天線罩存在以下問題:一是帶內(nèi)插損難以降低;二是難以同時實現(xiàn)帶外多頻段隱身;三是由陣列截斷、不規(guī)則外形、幾何參數(shù)漂移等非理想結(jié)構(gòu)導致的帶內(nèi)透射特性與帶外散射特性相互影響。
[0027]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本申請的發(fā)明人提出了一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)及天線罩，能有效降低帶內(nèi)插損，提高帶內(nèi)透波率，同時能實現(xiàn)帶外多頻段隱身效果。本發(fā)明的高透波超材料結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計思路是:先接收并選擇電磁波，再將接收到的電信號引入放大電路進行放大，最后將放大后的電信號輻射輸出，形成透射電磁場。
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進行詳細說明。在圖1中，從上至下依次為有源高透波超材料結(jié)構(gòu)的剖面圖、俯視圖、仰視圖。從圖1可見，有源高透波超材料結(jié)構(gòu)包括:依次層疊的第一頻率選擇表面層1、介質(zhì)板2、第二頻率選擇表面層3。
[0029]第一頻率選擇表面層I位于介質(zhì)板2正面，具體為開設(shè)有N個縫隙101的接地金屬板。其中，N為大于I等于I的整數(shù)。在具體實施時，所述接地金屬板可由銅、銀等導電金屬材料制成，N個縫隙1I可通過蝕刻的方式制成?？商鎿Q的，N個縫隙1I也可通過電鍍、鉆刻、光亥IJ、電子刻、離子刻等方式制成。在第一頻率選擇表面層I上，所述N個縫隙101以陣列形式均勻分布。比如，N個縫隙101可呈正方形或三角形陣列分布。縫隙101的厚度d要盡量薄，其優(yōu)選取值范圍為0<cK Ιμπι。在具體實施時，縫隙101的形狀、尺寸、個數(shù)、厚度可根據(jù)實際設(shè)計需求進行確定。比如，縫隙的尺寸和個數(shù)要與所需的諧振波長相對應(yīng)。
[0030]本發(fā)明實施例中，第一頻率選擇表面I既能實現(xiàn)特定頻段內(nèi)的透波功能，又能實現(xiàn)發(fā)射電磁場的功能。因此，在一定程度上，第一頻率選擇表面I既相當于一個帶通濾波器，又相當于一個電磁波發(fā)射板。
[0031]介質(zhì)板2可由泡沫或塑料等介質(zhì)材料制成。在具體實施時，介質(zhì)板2的厚度、介電常數(shù)等參數(shù)可根據(jù)所需透波頻段的中心頻率、寬度、具體形狀來確定。較佳的，介質(zhì)板2的介電常數(shù)ε的滿足I < ε < 1.5ο
[0032]第二頻率選擇表面層3印制在介質(zhì)板2背面，其包括N個放大輻射單元。所述N個放大輻射單元以陣列形式均勻排列在介質(zhì)板2的背面，比如其可以呈正方形或三角形排列。每個放大輻射單元又包括一個金屬貼片301、一個三極管放大電路302。在每個放大輻射單元中，三極管放大電路302的輸入端經(jīng)由介質(zhì)板上的通孔4與接地金屬板相連，三極管放大電路302的輸出端與金屬貼片301相連。在具體實施時，金屬貼片301的形狀、尺寸、個數(shù)、厚度可根據(jù)實際設(shè)計需求進行確定。較佳的，金屬貼片301的形狀、個數(shù)、厚度、分布方式與縫隙101保持一致。比如，當縫隙為方形環(huán)縫隙時，金屬貼片優(yōu)先選取方形貼片。三極管放大電路302主要由晶體管、匹配電阻、以及使所述晶體管處于放大狀態(tài)的外接偏壓電路。在設(shè)計三極管放大電路時，需要考慮信號源的內(nèi)阻、輸出負載的阻值，以確定匹配電阻的阻值，并且晶體管的工作頻率應(yīng)該覆蓋所需的透波通帶頻率。本發(fā)明實施例中，通過在介質(zhì)板背面加載三極管放大電路，能將頻選后的電信號進行放大，進而提高帶通頻段的透波率;通過在介質(zhì)板背面加載金屬貼片，能將放大后的信號向外輻射，形成透射電磁場。
[0033]圖2給出了本發(fā)明實施例的有源高透波超材料的等效電路圖。從圖2可見，第一頻率選擇表面層可等效成電容X1、電感BI的并聯(lián)，第二頻率選擇表面層可等效成電容Χ2、電容Β2的串聯(lián)，三極管放大電路可等效成電路中的其他部分。
[0034]本發(fā)明實施例還提供了一種天線罩，所述天線罩由所述有源高透波超材料結(jié)構(gòu)制成。
[0035]下面結(jié)合本發(fā)明實施例設(shè)計出的一種具體的高透波超材料結(jié)構(gòu)，對本發(fā)明實施例的技術(shù)效果進行詳細說明。
[0036]在該具體的高透波超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，我們首先確定了雙層FSS結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。雙層FSS結(jié)構(gòu)，即主要由第一頻率選擇表面、介質(zhì)板、金屬貼片組成的結(jié)構(gòu)。其中，第一頻率選擇表面層上共有4個呈正方形陣列分布的方形環(huán)縫隙，所述方形環(huán)縫隙的臂長為2mm、縫隙寬度為0.1mm。介質(zhì)板背面上共有4個呈正方形陣列分布的放大輻射單元，每個放大輻射單元包括一個方形金屬貼片、一個高頻晶體管電路。介質(zhì)板的厚度為7.5mm，介電常數(shù)為1.2。在設(shè)計過程中，我們對該雙層FSS結(jié)構(gòu)進行了 CST仿真。圖3給出了雙層FSS結(jié)構(gòu)在水平極化下的電場強度分布圖。從圖3可見，第一頻率選擇表面的縫隙空間形成了類似電容器的電場分布，因此可將其作為內(nèi)阻無限大的電壓源使用。圖4給出了雙層FSS結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)、反射系數(shù)曲線圖。其中，圖4中的SI曲線為透射系數(shù)曲線，S2曲線為反射系數(shù)曲線。從圖4可見，8.5GHz?11.5GHz為透波頻段，并且在2_8GHz頻段和12_18GHz頻段呈現(xiàn)顯著的阻帶特性。另外，由于在具體實施過程中，金屬貼片與縫隙不能完全對齊，因此在頻率為1GHz的位置附近，透射系數(shù)出現(xiàn)了約為IdB的凹陷。
[0037]接下來，我們對如何在加載晶體管放大電路后進行了設(shè)計。從制作應(yīng)用角度來看，將有源器件布置在平面上的加工難度較小。因此，我們將晶體管放大電路置于介質(zhì)板的背面。并且，我們選用了高頻HEMT基礎(chǔ)電路作為晶體管放大電路，并設(shè)計了晶體管正常工作所需的偏壓電路。最終，通過參數(shù)優(yōu)化，我們得到的該具體的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)的透波頻段的中心頻率約為1GHz，透波頻段的帶寬約為2GHz，通帶內(nèi)的透波率約為2dB，而雙層FSS結(jié)構(gòu)本身通帶內(nèi)的透波率在_2dB左右?？梢姡诩虞d晶體管放大電路后，該有源高透波超材料結(jié)構(gòu)在通帶內(nèi)的透波率得到了顯著提高。
[0038]雖然參照示例性實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是應(yīng)當理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細描述和示出的【具體實施方式】，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實施方式做出各種改變。
【主權(quán)項】
1.一種有源高透波超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)包括依次層疊的第一頻率選擇表面層、介質(zhì)板、第二頻率選擇表面層； 第一頻率選擇表面層位于所述介質(zhì)板正面，具體為開設(shè)有N個縫隙的接地金屬板;第二頻率選擇表面層印制在所述介質(zhì)板背面，其包括N個放大輻射單元，每個放大輻射單元又包括一個金屬貼片、一個三極管放大電路;在每個放大輻射單元中，所述三極管放大電路的輸入端經(jīng)由介質(zhì)板上的通孔與接地金屬板相連，所述三極管放大電路的輸出端與所述金屬貼片相連； 其中，N為大于等于I的整數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述縫隙的厚度d滿足: 0<d < Ium03.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬貼片的厚度與所述縫隙的厚度相同。4.如權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述縫隙為方形環(huán)縫隙，所述金屬貼片為方形貼片。5.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述方形環(huán)縫隙的臂長為2mm，并且，所述方形環(huán)縫隙的縫寬為0.1_。6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，N=4，并且，所述方形環(huán)縫隙呈正方形陣列分布。7.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述方形貼片與所述方形環(huán)縫隙的分布方式相同。8.如權(quán)利要求1-7任一所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)板的厚度為7.5mm，所述介質(zhì)板的介電常數(shù)ε滿足I < ε < 1.5ο9.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述三極管放大電路包括晶體管、匹配電阻、以及使所述晶體管處于放大狀態(tài)的外接偏壓電路。10.—種天線罩，其特征在于，所述天線罩由權(quán)利要求1-9任一所述的有源高透波超材料結(jié)構(gòu)制成。
【文檔編號】H01Q17/00GK105826676SQ201610200826
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】元旭津, 戚開南, 汪勇峰, 袁曉峰
【申請人】北京環(huán)境特性研究所