提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面及其設計方法與流程

本發明屬于電磁場與微波
技術領域：
，具體指代一種具有角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面及其設計方法。
背景技術：
：頻率選擇表面(fss)是由電介質層上特定規律排列的金屬貼片組成的周期性結構。當入射電磁波頻率在頻率選擇表面單元的諧振頻率上時，fss呈現出全反射(貼片型)或全透射(孔徑型)，其他頻率的電磁波可透過fss(貼片型)或被全反射(孔徑型)，因此fss本質上是一種特殊的空間濾波器，可有效的控制電磁波的傳輸特性。將fss技術應用于天線罩上，就可以使天線罩獲得頻率選擇的功能，進行頻率選擇性透波。在設計頻段內天線罩保持正常的透波；而設計頻段外，天線罩相當于一個金屬罩，將電磁波屏蔽。其作用在于使飛行器天線艙在設計頻段內、外表現出不同的rcs特性。隨著多功能航空電子系統的飛速發展，航空飛行器的集成射頻模塊通常包含多個具有不同工作頻率的天線，這些天線的工作頻段各不相同且通常覆蓋了c-x波段。因此，對具有超寬帶集成射頻模塊的航空飛行器的隱形設計的需求正在上升。由于頻率選擇表面具有控制入射電磁波的傳輸和反射特性的能力，目前已經被廣泛地應用于隱形天線罩，濾波器和偏振器等應用中。進而超寬帶的頻率選擇表面在針對飛行器上的射頻綜合系統的隱形設計中發揮了重要作用。在許多情況下，機載雷達罩的入射角度范圍達到50°甚至60°(例如機頭雷達罩)，因此超寬帶的頻率選擇表面在大角度入射的情況下提供穩定的透射/反射特性是至關重要的。期刊《電訊技術》2012，52(3):371-374，李育青，裴志斌，屈紹波等人提出的“具有寬頻特性帶通頻率選擇表面的設計”；期刊論文中的仿真表明，該頻選的3個極點分別為6.44ghz、8.80ghz和10.97ghz。3個極點耦合形成一個中心插損很小的平頂寬通帶，中心插損最大僅為0.45db，3db工作帶寬此時為5.40—11.47ghz，絕對帶寬為6.07ghz，相對帶寬達到72％。而在通帶外，s2l能迅速地下降到-20db以下并一直保持，頻選結構具有良好的邊帶選擇和帶外抑制特性。但該技術方案客觀存在一個問題，即其工作角度只能達到45°，再更寬角度入射時，其頻響特性會受到較大影響。從飛行器隱身的角度來說，大角度入射是一種非常常見的情況，如果設計的頻率選擇表面在大角度時無法穩定工作，往往不能實際應用。期刊文獻：zhouh,qusb,wangjf,etal.ultra-widebandfrequencyselectivesurface[j].electronicsletters,2012,48(1):11-13，其目的為設計一種新型超寬通帶的頻率選擇表面結構，為超寬帶電磁場合的濾波透波需求提供結構方案。文獻中提供的單元尺寸6mm*6mm，結構單層厚度1mm，總體厚度約2mm。-3db帶寬從5.85ghz到18.45ghz，相對帶寬達到105％，屬于超寬通帶頻選。但該技術方案仍舊存在大角度入射情況下性能不穩定的問題，雖然層數只有三層，但工作角度范圍仍在0-45°，應用范圍大大受到影響。技術實現要素：針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面及其設計方法，以解決現有技術中頻率選擇表面無法于飛行器隱身得到很好地應用的問題，本發明保證了頻選結構具有超寬通帶特性的同時，可以自由地和絕大部分厚度的蒙皮、外殼、保護罩等結構進行結合，從而發揮其獨特的電性能。為達到上述目的，本發明的一種提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面，由五層構成，分別為：第一金屬貼片層、第一中間介質層、第二金屬貼片層、第二中間介質層、第三金屬貼片層，五層依序壓合在一起，其中，該第一金屬貼片層和第三金屬貼片層結構完全相同，其單元為一個長寬相同的矩形，單元中心為一個小于單元尺寸，且長寬相同的矩形貼片，矩形貼片的周圍均勻分布著四分之一十字形小貼片與單元的四個角相連，在平面周期延拓后，呈現交錯間隔著十字形貼片的方形貼片陣列；該第二金屬貼片層，其單元為大小與上述第一金屬貼片層相同的矩形，中心為十字形金屬線，在單元的各邊中點位置均有矩形金屬貼片與十字形金屬線相連接，在平面周期延拓后，呈現在交點之間中點處有方形貼片的網格狀陣列。優選地，所述的第一中間介質層及第二中間介質層采用高頻微波電路板。本發明的一種提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面的設計方法，包括步驟如下：1)根據所需頻率選擇表面的帶寬和階數要求，選擇合適的微波濾波器，并給出等效電路；2)遵循阻抗匹配原理，將微波濾波器的等效電路做近似變換至匹配頻選設計的形式，并得出頻選的基本結構；3)通過分布參數電元件和集總參數電元件的轉化公式以及平行電路諧振頻率公式，推導出上述設計頻選的基本結構中的參數范圍；4)利用頻選中的金屬貼片、介質層結構實現上述步驟2)的等效電路中電容、電感和傳輸線的電性能，確定頻選基本結構；5)選擇與貼片陣列形狀互補的電感貼片，加載于上述步驟4)中的頻選基本結構中；6)選擇加工材料，采用覆銅箔層壓板技術生產所設計的頻率選擇表面成品。優選地，上述步驟1)中的微波濾波器的工作帶寬與相應頻選結構的工作帶寬應同屬一個量級，超寬帶頻選結構應選擇超寬帶濾波器作為參考，該微波濾波器的頻率響應曲線階數決定頻率選擇表面的結構厚度即剖面，微波濾波器的階數越高，頻率選擇表面的剖面越高。優選地，上述步驟1)中微波濾波器的等效電路為二階并聯電容電感組合諧振電路，電阻z1和電阻z2分別為等效電路中二端口網絡的輸入和輸出阻抗；電感l1和電容c1’、電感l2和電容c2’兩組電感-電容并聯諧振回路提供了二階的諧振特性；串聯電感lz12提供了兩個諧振回路間的匹配和帶寬的調節功能。優選地，上述步驟2)中，首先，二端口網絡的輸入和輸出阻抗用自由空間的自由阻抗z0＝377ω帶入，其次，根據傳輸線理論，將原有的t型網絡l1-lz12-l2變換π型網絡l1’-l12-l2’；將短傳輸線的等效電路看作一個串聯的電容-電感組件，將π型網路中的電感l1’和l2’分別與原有的c1’和c2’組合并用短傳輸線z12代替，同時修正網絡中余下的電容元器件值為c1和c2以匹配用短傳輸線代替后電路的總體阻抗；將等效電路對應到頻選中，z0使用自由空間的自由阻抗代替，電容c使用一個矩形金屬貼片實現其電容特性，傳輸線z12使用一層介質層實現其阻抗特性，電感l使用一層網格狀金屬貼片實現其電感特性；得到第一、第三金屬貼片層為矩形貼片，第二金屬貼片層為網格貼片，三層金屬貼片層之間兩兩間隔著有一定厚度的介質層。優選地，上述步驟3)電路中電元器件的值通過以下公式對應到頻率選擇表面結構中得到貼片及介質層的具體參數范圍：其中，c為最終等效電路的電容值，l為最終等效電路的電感值，ε0≈8.85*10^(-12)、μ0≈1.26*10^(-6)及π≈3.14為恒定常數，εr為選用的特定介質層的介電常數，p為頻率選擇表面的單元周期尺寸，s為第一金屬貼片層和第三金屬貼片層中央金屬貼片與單元邊緣的距離，w為第二金屬貼片層單元中央十字形金屬線寬度；s和w代表的為單元結構周期性延拓后的整體尺寸，不單獨出現在單元的參數中；由公式(1)(2)可知，增大單元周期尺寸p、減小金屬貼片間隔寬度s或金屬柵格線寬w，提高c和l的值，從而調節頻選的頻響特性；根據平行電路諧振頻率得到，諧振頻率正比于單元周期尺寸p，反比于金屬貼片間隔寬度s、金屬柵格線寬w。優選地，上述步驟4)利用導電性極佳的特定形狀的金屬貼片，以分布式電容的結構實現集總式電容c1、c2在電路中的性能；同理，利用同樣材質的金屬以柵格的結構實現電感l12的特性；依靠具有合適介電常數和損耗角正切的特定品種微波介質板代替短傳輸線，得到一個電容性金屬貼片層-阻抗匹配介質層-電感性金屬貼片層-阻抗匹配介質層-電容性金屬貼片層的頻率選擇表面結構。優選地，上述步驟5)中加載的電感貼片的形狀，與步驟4)中原有貼片的形狀呈互補關系，但大小被縮小至不影響原有貼片的整體電性能的量級；對應正方形貼片，根據互補形狀的要求，電感貼片應為十字形；對應網格狀貼片，根據互補形狀要求，電感貼片應為正方形。優選地，上述步驟6)中頻率選擇表面的加工樣件至少包含3*3個單元陣子，三層金屬貼片均選用導電性能極佳的金屬，貼片厚度控制在35um-70um內，中間介質層需要滿足設計時推導出的相對介電常數要求，同時保證損耗角正切低，加工時介質板和金屬貼片層需要緊密連接，采用覆銅箔層壓板技術壓合。本發明的有益效果：本發明在保證了頻選結構具有超寬通帶特性的同時，通過加載電感貼片的方法，有效減少了在大角度入射情況下出現的諧振頻點和工作帶寬的偏移，適用于大角度入射下的隱身設計。同時，本發明提出的頻選結構剖面較低，可以自由地和絕大部分厚度的蒙皮、外殼、保護罩等結構進行結合，從而發揮其獨特的電性能。在飛行器隱身、電磁兼容、輻射屏蔽等領域有很高實用價值。附圖說明圖1為頻率選擇表面完整結構俯視圖。圖2為頻率選擇表面完整結構側視圖。圖3為頻率選擇表面第一、第三金屬貼片層單元結構俯視圖。圖4為頻率選擇表面第一、第三金屬貼片層單元結構平面周期延拓后俯視圖。圖5為頻率選擇表面第二金屬貼片層單元結構俯視圖。圖6為頻率選擇表面第二金屬貼片層單元結構平面周期延拓后俯視圖。圖7為實施例中的微波濾波器的等效電路圖。圖8為實施例中近似變換后適合頻率選擇表面設計的等效電路圖。圖9a為頻率選擇表面的金屬貼片在水平極化下第一諧振頻點處表面電流分布。圖9b為頻率選擇表面的金屬貼片在水平極化下第二諧振頻點處表面電流分布。圖10a為頻率選擇表面的金屬貼片在垂直極化下第一諧振頻點處表面電流分布。圖10b為頻率選擇表面的金屬貼片在垂直極化下第二諧振頻點處表面電流分布。圖11為頻選加載電感貼片與未加載電感貼片時垂直入射和60度入射時的反射曲線對比圖。圖12為頻選加載電感貼片與未加載電感貼片時各個角度入射時的諧振頻點偏移量的百分比圖。圖13為頻率選擇表面在不同入射條件下的反射曲線及傳輸曲線圖。具體實施方式為了便于本領域技術人員的理解，下面結合實施例與附圖對本發明作進一步的說明，實施方式提及的內容并非對本發明的限定。參照圖1至6所示，本發明的一種提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面，由五層構成，分別為：第一金屬貼片層1、第一中間介質層4、第二金屬貼片層2、第二中間介質層5、第三金屬貼片層3，五層依序壓合在一起，其中，該第一金屬貼片層1和第三金屬貼片層3結構完全相同，其單元為一個長寬相同的矩形，單元中心為一個小于單元尺寸，且長寬相同的矩形貼片，矩形貼片的周圍均勻分布著四分之一十字形小貼片與單元的四個角相連，在平面周期延拓后，呈現交錯間隔著十字形貼片的方形貼片陣列；該第二金屬貼片層2，其單元為大小與上述第一金屬貼片層相同的矩形，中心為十字形金屬線，在單元的各邊中點位置均有矩形金屬貼片與十字形金屬線相連接，在平面周期延拓后呈現在交點之間中點處有方形貼片的網格狀陣列。其中，所述的第一中間介質層及第二中間介質層采用高頻微波電路板，可選擇rogers系列高頻微波電路板。需要注意，頻率選擇表面實際加工時一般選擇n*n(n為正整數且大于等于3)個單元組成完整結構以體現其周期特性，中間層的高頻電路板大小始終匹配上下層結構大小，即為(n*p)毫米*(n*p)毫米，其中p為頻率選擇表面單元周期。參照圖7、圖8所示，本發明的一種提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面的設計方法，包括步驟如下：1)根據所需頻率選擇表面的帶寬和階數要求，選擇合適的微波濾波器，并給出等效電路；上述步驟1)中的微波濾波器的工作帶寬與相應頻選結構的工作帶寬應同屬一個量級，例如超寬帶頻選結構應選擇超寬帶濾波器作為參考。該微波濾波器的頻率響應曲線階數決定頻率選擇表面的結構厚度即剖面，微波濾波器的階數越高，頻率選擇表面的剖面越高。一般的選用二階諧振即可滿足寬帶乃至超寬帶的需求，濾波器的等效電路可根據電路分析基本理論得出，此電路只是用于說明微波濾波器的工作原理，故對這些電元器件的數值不必定量，只需定性描述。本實施例中的濾波器的等效電路如附圖7，可見此微波濾波器的等效電路為二階并聯電容電感組合諧振電路，電阻z1和電阻z2分別為等效電路中二端口網絡的輸入和輸出阻抗；電感l1和電容c1’、電感l2和電容c2’兩組電感-電容并聯諧振回路提供了二階的諧振特性。串聯電感lz12提供了兩個諧振回路間的匹配和帶寬的調節功能。2)遵循阻抗匹配原理，將微波濾波器的等效電路做近似變換至匹配頻選設計的形式，并得出頻選的基本結構；將等效電路對應到頻選中，z0使用自由空間的自由阻抗代替，電容c使用一個矩形金屬貼片實現其電容特性，傳輸線z12使用一層介質層實現其阻抗特性，電感l使用一層網格狀金屬貼片實現其電感特性；得到第一、第三金屬貼片層為矩形貼片，第二金屬貼片層為網格貼片，三層金屬層之間兩兩間隔著有一定厚度的介質層。首先，二端口網絡的輸入和輸出阻抗用自由空間的自由阻抗z0＝377ω帶入，其次，根據傳輸線理論，將原有的t型網絡l1-lz12-l2變換π型網絡l1’-l12-l2’；將短傳輸線的等效電路看作一個串聯的電容-電感組件，將π型網路中的電感l1’和l2’分別與原有的c1’和c2’組合并用短傳輸線z12代替，同時修正網絡中余下的電容元器件值為c1和c2以匹配用短傳輸線代替后電路的總體阻抗；將等效電路對應到頻選中，z0使用自由空間的自由阻抗代替，電容c使用一個矩形金屬貼片實現其電容特性，傳輸線z12使用一層介質層實現其阻抗特性，電感l使用一層網格狀金屬貼片實現其電感特性；得到第一、第三金屬貼片層為矩形貼片，第二金屬貼片層為網格貼片，三層金屬貼片層之間兩兩間隔著有一定厚度的介質層。3)通過分布參數電元件和集總參數電元件的轉化公式以及平行電路諧振頻率公式，推導出上述設計頻選的基本結構中的參數范圍；電路中電元器件的值通過以下公式對應到頻率選擇表面結構中得到貼片及介質層的具體參數范圍：其中，c為最終等效電路的電容值，l為最終等效電路的電感值，ε0≈8.85*10^(-12)、μ0≈1.26*10^(-6)及π≈3.14為恒定常數，εr為選用的特定介質層的介電常數，p為頻率選擇表面的單元周期尺寸，s為第一金屬貼片層和第三金屬貼片層中央金屬貼片與單元邊緣的距離，w為第二金屬貼片層單元中央十字形金屬線寬度；s和w代表的為單元結構周期性延拓后的整體尺寸，不單獨出現在單元的參數中；由公式(1)(2)可知，增大單元周期尺寸p、減小金屬貼片間隔寬度s或金屬柵格線寬w，提高c和l的值，從而調節頻選的頻響特性；根據平行電路諧振頻率得到，諧振頻率正比于單元周期尺寸p，反比于金屬貼片間隔寬度s、金屬柵格線寬w。需要注意的是雖然代表頻選結構厚度的參數h沒有出現在公式推導中，但h的值決定頻選三層金屬貼片層之間的空間耦合強度，由于本實施例中的設計是二階諧振結構，h的范圍控制在1.5-2.5mm之間，具有較低的剖面厚度。濾波器轉化后的等效電路中電元件的參數為c＝6.34*10^(-13)f，l＝1.43*10^(-8)h。首先考察設計期望通帶最低頻點(3.5ghz)的需求，由fl＝c/λl可知該頻點處的波長為85.7mm，實施例中的p取值在0.09λ0左右(控制在7.8mm-8.2mm之間)，與傳統頻選的半波長結構相比，具有小型化特征。然后，將p的取值帶入公式(1)(2)，得參數s的取值在2.27mm-2.37mm之間，參數w的值在0.15-0.25mm之間，這兩個參數在設計結構時不直接出現，但將決定具體參數的取值。例如本實施例中，參數s的值約等于(p-c1-(a1+b1)/2)/2，參數w的值約等于(c2*(p-a2)/p+2b2*a2/p)。最后，根據實際頻選結構上下層金屬貼片的耦合情況，調整優化參數h的值在1.90mm-2.10mm之間。4)利用頻選中的金屬貼片、介質層結構實現上述步驟2)的等效電路中電容、電感和傳輸線的電性能，確定頻選基本結構；利用導電性極佳的特定形狀的金屬貼片，以分布式電容的結構實現集總式電容c1、c2在電路中的性能；同理，利用同樣材質的金屬以柵格的結構實現電感l12的特性；依靠具有合適介電常數和損耗角正切的特定品種微波介質板代替短傳輸線，得到一個電容性金屬貼片層-阻抗匹配介質層-電感性金屬貼片層-阻抗匹配介質層-電容性金屬貼片層的頻率選擇表面結構。分布式電容電感的形狀和排列方式直接影響頻選在自由空間工作時的效果和穩定性，經過甄選圖形并進行參數優化后可得出性能良好的設計。本實施例中提出的提高角度穩定性的超寬通帶頻率選擇表面的具體參數如表1所示，具體參數εr、p和h的值參考步驟3)中的推導結果，εr決定介質層的材料選取，p決定頻率選擇表面單元的尺寸,h決定頻率選擇表面的整體厚度；而s和w的取值范圍指導兩層金屬貼片中所有具體參數(a1-a2，b1-b2，c1-c2)的取值。設計的形狀并不唯一，本實施例的結構是完成參數優化后的結果。圖1為頻率選擇表面單元周期延拓后得到的完整結構的俯視示意圖，直觀體現其結構的周期特性，此處選用9個單元組成的陣列結構，具體單元數量可視場合需要決定。表1如下：表1參數名a1b1c1p參數值2.56mm1.54mm5.68mm8.00mm參數名a2b2c2h參數值1.20mm0.60mm0.20mm2.00mm5)選擇與貼片陣列形狀互補的電感貼片，加載于上述步驟4)中的頻選基本結構中；加載的電感貼片的形狀，與步驟4)中原有貼片的形狀呈互補關系，但大小被縮小至不影響原有貼片的整體電性能的量級；對應正方形貼片，根據互補形狀的要求，電感貼片應為十字形；對應網格狀貼片，根據互補形狀要求，電感貼片應為正方形。注意這種互補不是完全意義上的互補，只是對設計起到指導作用。在圖4和圖6中標注出的電感貼片的形狀參數經過優化，在確保盡可能小地改變原有貼片電性能的前提下，盡可能多地增加其耦合能力，穩定頻選在大角度入射時的頻響特性。圖9a、9b和圖10a、10b是頻選單元的金屬貼片在兩個諧振點處的表面電流分布，其諧振模式用代表電流的箭頭標示。研究表明，電感貼片的大小越大，產生表面電流的幅度越大，增強頻選整體的耦合強度越高，但當電感貼片過大時，將會與原有貼片發生諧振，將影響其電感/電容特性，故其參數需要進行優化嘗試，確保在工作頻帶內不與原有貼片發生諧振。圖11為加載電感貼片與未加載電感貼片時垂直入射和60度入射時的反射曲線對比圖，從圖中可以看出，通過加載電感貼片，頻選整體的諧振頻率下降了200-300mhz，故在相同的諧振頻點下，加載電感貼片的頻選可以具有更小的尺寸，即更高的小型化程度。除了減小單元尺寸，電感貼片還減少了大角度入射導致的諧振頻點的偏移。如圖11所示，加載電感貼片和未加載電感貼片的兩種頻選都具有兩個諧振頻點，且兩個諧振頻點都或多或少發生了偏移，但明顯地，加載電感貼片的頻選的諧振頻點在入射角為60度時相比于未加載電感貼片的頻選有著更少的偏移量。為了更直觀地體現電感貼片的效果，圖12提供了加載電感貼片與未加載電感貼片時各個角度入射時的諧振頻點偏移量的百分比，其中δa1和δb1代表兩者在各自的第一諧振點(即f1和f1’處)的偏移量，而δa2和δb2代表兩者在各自的第一諧振點(即f2和f2’處)的偏移量，這些偏移量都除以了在垂直入射時的諧振頻率以得到相對的偏移百分比。曲線表明，無論在第一諧振點還是第二諧振點處，通過加載電感貼片，諧振頻點的漂移都有明顯的下降，最明顯的偏移減少量接近25％。6)選擇加工材料，采用覆銅箔層壓板技術生產所設計的頻率選擇表面成品。上述步驟5)中頻率選擇表面的加工樣件至少包含3*3個單元陣子，三層金屬貼片均選用導電性能極佳的金屬，最佳材料為銀(電阻率為15.86ρ/nω·m)，一般選用銅(電阻率為16.78ρ/nω·m)即可有較好的效果，貼片厚度控制在35um-70um內，對結構電性能無明顯影響，貼片的圖案形狀使用印刷電路板國家規范(qj3103-99)標準工藝蝕刻制成。中間介質層需要滿足設計時推導出的相對介電常數要求，同時保證損耗角正切盡可能較低，一般選用rogers的高頻微波電路板，本發明中提出的結構選用rogers-rt5880材料(相對介電常數為2.2，相對磁導率為1.0，損耗角正切為0.0009)，效果良好。加工時介質板和金屬貼片層需要緊密連接，使用印刷電路板國家規范(gb4722-84)中的采用覆銅箔層壓板標準技術壓合。由上圖1可見，頻率選擇表面整體具有完全旋轉對稱特性，這個特性賦予其一定的極化穩定性。同時由于電容性周期表面(c)-電感性周期表面(l)-電容性周期表面(c)三層耦合結構超寬通帶頻率選擇表面的三層金屬貼片均為非諧振結構，其單元尺寸遠遠小于普通頻率選擇表面單元需要的二分之一波長。由于具有小型化特性，以3*3個單元為例，整體結構大小僅為2.4cm*2.4cm，可見其最小工作尺寸足以滿足大多數場合的需求。借助cststudiosuite2016軟件進行仿真，圖13中可見該頻率選擇表面結構為二階諧振結構，且諧振頻點附近反射曲線較為平滑，對應等效電路中的q值較低，即3db通帶從3.49ghz覆蓋至12.13ghz，帶寬為8.64ghz，對于中心頻點7.81ghz的相對帶寬達到110％，完全覆蓋了雷達常用的c-x波段，遠超出現有技術中超寬帶頻率選擇表面的相對帶寬。同時，該頻率選擇表面在大角度入射時，表現出極佳的穩定性。如圖13所示，在水平極化下，以60度角度斜入射時，3db帶寬仍維持8.06ghz，相對帶寬為94％。在垂直極化下，以60度角度斜入射時，3db帶寬達到10.25ghz，相對帶寬為125％，可見在大角度斜入射的情況下，頻率選擇表面仍能保證涵蓋c-x波段，具有極佳的角度穩定性。本發明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12