有源频率选择表面的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有源频率选择表面的设计方法，属于微波技术与飞行器隐身技术领域，主要应用于主被动雷达复合制导天线罩的设计中。
【背景技术】
[0002]飞行器使用的雷达天线罩属于一种透明电磁窗口，只有不影响天线罩透波功能的隐身技术方才能应用于雷达天线罩。目前，频率选择表面(FSS)是解决天线罩隐身难题的最佳技术途径。对于主被动雷达复合制导天线罩的隐身，要求FSS频率响应特性须要在0°?50°扫描范围内主动雷达fQ± Λ f(Ku)波段保持“高透”传输，被动雷达2GHz?4GHz (S)波段工作时呈现“高透”传输不工作时呈现出“高反”的滤波效果。因此，应用于主被动雷达复合制导天线罩的频率选择表面属于一种宽间隔、宽频段的双带通且被动雷达波段具有开关功能的有源频率选择表面(简称AFSS)。国内外实现AFSS的技术主要有加载电控集总元件与加载可调控介电材料两大类。但由于飞行器复杂工况条件的限制，所以应用在天线罩上的AFSS通常采用加载电控集总元件的方法。此时，AFSS存在两大技术难点:一是降低馈电网络对天线罩传输性能的影响，二是制作出的AFSS在工艺上具有可拓展性。
[0003]为了降低馈电网络对天线罩透过率的影响，国内外学者提出采用电控集总元件与滤波结构相互融合的设计方法。如加拿大INRS(国家科学技术研究院)的Tayeb Denidni教授提出的一种基于AFSS的全向扫描天线(公开号102496754A)，该AFSS具有超宽的可调范围。但是，该AFSS应用于天线罩工艺上不具有可拓展性，也就是说，当5X5的阵列需要的馈电电压与50X50的阵列需要的馈电电压不一致。再如中国专利提出了一种主被动雷达复合制导体制下的AFSS(公开号104064839A)，能够很好的满足主被动复合制导天线罩的要求。但是，该AFSS馈电方式也导致其制作工艺不具有可拓展性，而且其在主动雷达工作频段范围内极易出现寄生谐振。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有技术中有源频率选择表面工艺上不具有可拓展性、宽角度(0°?50° )照射下具有易出现寄生谐振现象的技术问题，提供一种有源频率选择表面的设计方法。
[0005]本发明解决上述问题采用的技术方案如下。
[0006]有源频率选择表面的设计方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一、在密级布阵的贴片型频率选择表面上周期性的加载电控集总元件；
[0008]步骤二、建立Χ0Υ平面直角坐标系，将加载电控集总元件后的贴片型频率选择表面转化成电桥网络图并显示在Χ0Υ平面直角坐标系上，检测每个电控集总元件两端的电势，在电桥网络图上得到一对平行的等电势线，确定有源频率选择表面的馈电方式为沿平行的等电势线馈电；
[0009]步骤三、对设计的有源频率选择表面进行优化，完成设计。
[0010]进一步的，所述步骤一中，贴片型频率选择表面的贴片为十字形贴片或者Y形贴片。
[0011]进一步的，当贴片型频率选择表面的贴片为十字形贴片时，十字形贴片的每条臂的端部的两侧对称加载两个电控集总元件，每个电控集总元件的中心轴与对应的臂的中心轴平行且顶端与对应的臂的顶端共线或者每个电控集总元件的中心轴与对应的臂的中心轴成45度夹角。
[0012]进一步的，当贴片型频率选择表面的贴片为十字形贴片时，所述一对平行的等电势线包络的电桥网络图的电桥为正方形。
[0013]进一步的，当贴片型频率选择表面的贴片为十字形贴片时，所述一对平行的等电势线包络的电桥网络图中，X轴方向上的电桥数目和y轴方向上的电桥数目均按照1,3,5,……，2n-l，2n-3，……，5，3，1的数列规律分布，η彡1。
[0014]进一步的，当贴片型频率选择表面的贴片为十字形贴片时，所述等电势线与X轴成45度夹角。
[0015]进一步的，当频率选择表面的贴片为Υ形贴片时，每个Υ形贴片上加载四个电控集总元件，其中两个电控集总元件分别加载在Υ形贴片的相邻两条臂的顶端中心，另外两个电控集总元件分别加载在上述相邻两条臂与另一条臂的连接处。
[0016]进一步的，当频率选择表面的贴片为Υ形贴片时，所述一对平行的等电势线包络的电桥网络图的电桥为菱形。
[0017]进一步的，当所述频率选择表面的贴片为Υ形贴片时，所述等电势线与X轴成30
度夹角。
[0018]进一步的，所述步骤二中，将加载电控集总元件后的贴片型频率选择表面转化成电桥网络图的方法是:先将贴片型频率选择表面近似成导线，然后将电控集总元件连接成一个电路网络，即得到电桥网络图。
[0019]本发明的原理:
[0020]当采用周期加载电控集总元件方法设计出的AFSS应用于主被动雷达复合制导天线罩上时，FSS既是谐振结构同时也是电控集总元件的导线，电控集总元件的导通与断开两种状态将使得AFSS表面谐振模式之间发生相互作用产生寄生谐振。通过贴片型FSS金属谐振单元连接起来的电控集总元件将形成一种电桥网络图，此时，串联并联的电控集总元件两端直流信号的分布不均匀导致其无法正常工作，另外，电桥网络图中的电桥数目不同所需要的馈源大小不同，也就是由FSS贴片金属线连接的电控集总元件所形成的电桥网络图不具有可拓展性。由此可见，当周期加载电控集总元件的AFSS应用于主被动雷达复合制导天线罩上时，AFSS传输特性的优化与AFSS的馈源设计成为两大技术难点。
[0021]电连通的AFSS金属贴片将形成一种电感性的FSS周期表面，由金属贴片构成的FSS属于电容性，前者呈现高通滤波特性，后者呈现带阻滤波特性。当在金属贴片内部设计一种环状缝隙单元时，AFSS还将具有带通滤波特性。而上述空间滤波特性正是主被动雷达复合制导天线罩对AFSS的要求。因此，研究天线罩上的AFSS关键在于控制金属贴片之间的电连通，这时将具有开关属性的电控集总元件连接在金属贴片之间成为最佳技术途径。与此同时，基于网络图论的观点可知，将金属贴片作为导线，它所连接的四个电控集总元件可抽象成为具有特定形状和尺寸的电桥，金属贴片构成的FSS所加载的电控集总元件便可以抽象为一种电桥网络图。此时，不同分布规律的电桥所形成的电路网络图必然存在等电势线，当沿着等电势线进行馈电时，在等电势线内部的电桥数目可以任意拓展。由金属贴片连接电控集总元件形成的电桥，其尺寸与形状将取决于金属贴片的形状与尺寸，而电连通的金属贴片又将形成多个谐振结构，当非主谐振结构尺寸与金属贴片内部环状缝隙尺寸一致时，AFSS必将产生寄生谐振。因此，抑制AFSS寄生谐振产生的关键就是改变金属贴片控制电桥的形状与尺寸。所以，压缩电桥尺寸或改变电桥形状将是抑制AFSS寄生谐振的两条技术途径，所以本发明采用密集排布的FSS金属贴片。电控集总元件的分布问题将改变AFSS金属贴片的谐振结构从而影响AFSS的传输特性，因此本发明基于十字形贴片和Y形贴片FSS设计几种加载方式，降低加载元件对AFSS的谐振结构的影响，进而有效的降低了馈电网络对天线罩传输性能的影响。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0023]1、本发明的有源频率选择表面的设计方法设计的频率选择表面，能够保证宽间隔、宽频段的双带通特性及被动雷达波段的开关功能；
[0024]2、本发明的有源频率选择表面的设计方法采用密集型FSS，有效的降低了寄生谐振，设计的有源频率选择表面，在宽角度(0°?50° )范围内具有高透波性，通带透过率均在90%以上，而且无寄生谐振；
[0025]3、本发明的有源频率选择表面的设计方法提出了以等电势线进行馈电的方式，使设计的频率选择表面，可沿着两条平行的馈线方向上无限拓展，不受阵列尺寸限制，在天线罩、吸波材料、全向扫描天线以及相控阵雷达等领域具有广泛的应用前景；
[0026]4、本发明的有源频率选择表面的设计方法采用的电控集总元件的加载方式，能够降低加载元件对AFSS的谐振结构的影响，进而有效的降低了馈电网络对天线罩传输性能的影响；
[0027]5、本发明的有源频率选择表面的设计方法设计的频率选择表面，具有TE极化和TM极化的转换功能；
[0028]6、本发明的有源频率选择表面的设计方法设计的频率选择表面，易于加工、结构简单、成本低，制作的工艺成熟，利用现有的表面贴装工艺、印刷线路板技术便可以制作本发明说提出的AFSS。
【附图说明】
[0029]图1中，a为本发明的密级布阵的十字形贴片型频率选择表面，b为a的局部放大图；
[0030]图2中，a为本发明的密级布阵的Y形贴片型频率选择表面，b为a的局部放大图；
[0031]图3中，a为采用本发明的方法设计的电控集总元件呈现45度倾斜正方形周期的有源频率选择表面，b为a的局部放大图；
[0032]图4中，a为采用本发明的方法设计的电控集总元件呈现正方形周期的有源频率选择表面，b为a的局部放大图；
[0033]图5为图4a的有源频率选择表面的电桥网络图；
[0034]图6中，a为采用本发明的方法设计的Y形贴片型有源频率选择表面，b为a的局部放大图；
[0035]图7为图6a的有源频率选择表面的电桥网络图；
[0036]图8中，a为图4a的有源频率选择表面的TE极化电桥网络图；b为图4a的有源频率选择表面的TM极化电桥网络图；
[0037]图9为本发明分析有源频率选择表面具有的工艺可拓展