一种有源高透波超材料结构及天线罩的制作方法

文档序号:10472836阅读:457来源:国知局
一种有源高透波超材料结构及天线罩的制作方法
【专利摘要】公开了一种有源高透波超材料结构,包括:依次层叠的第一频率选择表面层、介质板、第二频率选择表面层;第一频率选择表面层为开设有N个缝隙的接地金属板;第二频率选择表面层包括N个放大辐射单元,每个放大辐射单元又包括一个金属贴片、一个三极管放大电路;在每个放大辐射单元中,三极管放大电路的输入端经由介质板上的通孔与接地金属板相连,三极管放大电路的输出端与所述金属贴片相连。本发明的有源高透波超材料结构能够有效降低带内插损、提高带内透波率,同时实现带外多频段隐身。本发明还公开了一种天线罩,其能实现所述有源高透波超材料结构的全部有益效果。
【专利说明】
一种有源高透波超材料结构及天线罩
技术领域
[0001]本发明涉及雷达天线罩设计领域,尤其涉及一种有源高透波超材料结构及天线罩。
【背景技术】
[0002]近年来,FSS(频率选择表面)天线罩,作为一种较为新兴的天线罩工作机理,受到了研究人员的广泛关注。与传统的天线罩相比,频率选择表面天线罩不仅能提高雷达工作频带内的透波率,保证雷达正常工作,而且能降低工作频带外的电磁波的反射率,获得良好的隐身效果。
[0003]目前,普通的频率选择表面天线罩大多采用无源FSS结构体材料制备而成。无源FSS是由大量无源谐振单元组成的周期性结构,一般可通过在金属板上制作周期性的缝隙或在介质板上布置周期性的金属贴片来实现。由于无源FSS的电气性能无法改变,因此其不能快速适应外部电磁环境的变化,进而降低了无源FSS天线罩的应用灵活性。另外,普通的频率选择天线罩还存在以下问题:一是通带内的插损难以降低;二是难以同时实现通带外的多频段隐身功能;三是通带内的透波特性与通带外的低散射特性存在一定程度的相互影响。
[0004]针对无源FSS的天线罩的缺陷,现有技术中亟需一种能有效降低带内插损、提高带内透波率,同时又能实现带外多频段隐身的新型天线罩制备材料及新型天线罩。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提出一种有源高透波超材料结构及天线罩,以有效降低带内插损、提高带内透波率,同时实现带外多频段隐身。
[0006]本发明提供了一种有源高透波超材料结构,包括:依次层叠的第一频率选择表面层、介质板、第二频率选择表面层;
[0007]第一频率选择表面层位于所述介质板正面,具体为开设有N个缝隙的接地金属板;第二频率选择表面层印制在所述介质板背面,其包括N个放大辐射单元,每个放大辐射单元又包括一个金属贴片、一个三极管放大电路;在每个放大辐射单元中,所述三极管放大电路的输入端经由介质板上的通孔与接地金属板相连,所述三极管放大电路的输出端与所述金属贴片相连;其中,N为大于等于I的整数。
[0008]优选的,所述缝隙的厚度d满足:
[0009]0<d<lymo
[0010]优选的,所述金属贴片的厚度与所述缝隙的厚度相同。
[0011 ]优选的,所述缝隙为方形环缝隙,所述金属贴片为方形贴片。
[0012]优选的,所述方形环缝隙的臂长为2mm,并且,所述方形环缝隙的缝宽为0.1mm。
[0013]优选的,N=4,并且,所述方形环缝隙呈正方形阵列分布。
[0014]优选的,所述方形贴片与所述方形环缝隙的分布方式相同。
[0015]优选的,所述介质板的厚度为7.5mm,所述介质板的介电常数ε满足I< ε < 1.50
[0016]优选的,所述三极管放大电路包括晶体管、匹配电阻、以及使所述晶体管处于放大状态的外接偏压电路。
[0017]本发明还提供了一种天线罩,所述天线罩由所述有源高透波超材料结构制成。
[0018]本发明的有源高透波超材料结构主要包括:依次层叠的第一频率选择表面层、介质板、第二频率选择表面层。其中,第一频率选择表面层为开设有缝隙的接地金属板,其既能起到带通滤波作用,又能起到发射板的作用。第二频率选择表面层包括金属贴片、三极管放大电路,并且三极管放大电路的输入端与接地金属板相连,输出端与金属贴片相连。其中,金属贴片主要起到辐射电磁波的作用,三极管放大电路主要起到进一步提高通带内的透波率的作用。本发明的有源高透波超材料结构能够有效降低带内插损、提高带内透波率,同时实现带外多频段隐身。
【附图说明】
[0019]通过以下参照附图而提供的【具体实施方式】部分,本发明的特征和优点将变得更加容易理解,在附图中:
[0020]图1是本发明实施例的有源高透波超材料结构的示意图;
[0021]图2是本发明实施例的有源高透波超材料结构的等效电路图;
[0022]图3是本发明实施例中双层FSS结构的电场强度分布图;
[0023]图4是本发明实施例中双层FSS结构的透射系数和反射系数曲线图;
[0024]1、第一频率选择表面层;2、介质板;3、第二频率选择表面层;4、通孔;101、缝隙;301、金属贴片;302、晶体管放大电路。
【具体实施方式】
[0025]下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的,而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
[0026]在现有技术中,FSS天线罩存在以下问题:一是带内插损难以降低;二是难以同时实现带外多频段隐身;三是由阵列截断、不规则外形、几何参数漂移等非理想结构导致的带内透射特性与带外散射特性相互影响。
[0027]针对现有技术的缺陷,本申请的发明人提出了一种有源高透波超材料结构及天线罩,能有效降低带内插损,提高带内透波率,同时能实现带外多频段隐身效果。本发明的高透波超材料结构的主要设计思路是:先接收并选择电磁波,再将接收到的电信号引入放大电路进行放大,最后将放大后的电信号辐射输出,形成透射电磁场。
[0028]下面结合附图对本发明实施例的技术方案进行详细说明。在图1中,从上至下依次为有源高透波超材料结构的剖面图、俯视图、仰视图。从图1可见,有源高透波超材料结构包括:依次层叠的第一频率选择表面层1、介质板2、第二频率选择表面层3。
[0029]第一频率选择表面层I位于介质板2正面,具体为开设有N个缝隙101的接地金属板。其中,N为大于I等于I的整数。在具体实施时,所述接地金属板可由铜、银等导电金属材料制成,N个缝隙1I可通过蚀刻的方式制成。可替换的,N个缝隙1I也可通过电镀、钻刻、光亥IJ、电子刻、离子刻等方式制成。在第一频率选择表面层I上,所述N个缝隙101以阵列形式均匀分布。比如,N个缝隙101可呈正方形或三角形阵列分布。缝隙101的厚度d要尽量薄,其优选取值范围为0<cK Ιμπι。在具体实施时,缝隙101的形状、尺寸、个数、厚度可根据实际设计需求进行确定。比如,缝隙的尺寸和个数要与所需的谐振波长相对应。
[0030]本发明实施例中,第一频率选择表面I既能实现特定频段内的透波功能,又能实现发射电磁场的功能。因此,在一定程度上,第一频率选择表面I既相当于一个带通滤波器,又相当于一个电磁波发射板。
[0031]介质板2可由泡沫或塑料等介质材料制成。在具体实施时,介质板2的厚度、介电常数等参数可根据所需透波频段的中心频率、宽度、具体形状来确定。较佳的,介质板2的介电常数ε的满足I < ε < 1.5ο
[0032]第二频率选择表面层3印制在介质板2背面,其包括N个放大辐射单元。所述N个放大辐射单元以阵列形式均匀排列在介质板2的背面,比如其可以呈正方形或三角形排列。每个放大辐射单元又包括一个金属贴片301、一个三极管放大电路302。在每个放大辐射单元中,三极管放大电路302的输入端经由介质板上的通孔4与接地金属板相连,三极管放大电路302的输出端与金属贴片301相连。在具体实施时,金属贴片301的形状、尺寸、个数、厚度可根据实际设计需求进行确定。较佳的,金属贴片301的形状、个数、厚度、分布方式与缝隙101保持一致。比如,当缝隙为方形环缝隙时,金属贴片优先选取方形贴片。三极管放大电路302主要由晶体管、匹配电阻、以及使所述晶体管处于放大状态的外接偏压电路。在设计三极管放大电路时,需要考虑信号源的内阻、输出负载的阻值,以确定匹配电阻的阻值,并且晶体管的工作频率应该覆盖所需的透波通带频率。本发明实施例中,通过在介质板背面加载三极管放大电路,能将频选后的电信号进行放大,进而提高带通频段的透波率;通过在介质板背面加载金属贴片,能将放大后的信号向外辐射,形成透射电磁场。
[0033]图2给出了本发明实施例的有源高透波超材料的等效电路图。从图2可见,第一频率选择表面层可等效成电容X1、电感BI的并联,第二频率选择表面层可等效成电容Χ2、电容Β2的串联,三极管放大电路可等效成电路中的其他部分。
[0034]本发明实施例还提供了一种天线罩,所述天线罩由所述有源高透波超材料结构制成。
[0035]下面结合本发明实施例设计出的一种具体的高透波超材料结构,对本发明实施例的技术效果进行详细说明。
[0036]在该具体的高透波超材料结构的设计过程中,我们首先确定了双层FSS结构的相关参数。双层FSS结构,即主要由第一频率选择表面、介质板、金属贴片组成的结构。其中,第一频率选择表面层上共有4个呈正方形阵列分布的方形环缝隙,所述方形环缝隙的臂长为2mm、缝隙宽度为0.1mm。介质板背面上共有4个呈正方形阵列分布的放大辐射单元,每个放大辐射单元包括一个方形金属贴片、一个高频晶体管电路。介质板的厚度为7.5mm,介电常数为1.2。在设计过程中,我们对该双层FSS结构进行了 CST仿真。图3给出了双层FSS结构在水平极化下的电场强度分布图。从图3可见,第一频率选择表面的缝隙空间形成了类似电容器的电场分布,因此可将其作为内阻无限大的电压源使用。图4给出了双层FSS结构的透射系数、反射系数曲线图。其中,图4中的SI曲线为透射系数曲线,S2曲线为反射系数曲线。从图4可见,8.5GHz?11.5GHz为透波频段,并且在2_8GHz频段和12_18GHz频段呈现显著的阻带特性。另外,由于在具体实施过程中,金属贴片与缝隙不能完全对齐,因此在频率为1GHz的位置附近,透射系数出现了约为IdB的凹陷。
[0037]接下来,我们对如何在加载晶体管放大电路后进行了设计。从制作应用角度来看,将有源器件布置在平面上的加工难度较小。因此,我们将晶体管放大电路置于介质板的背面。并且,我们选用了高频HEMT基础电路作为晶体管放大电路,并设计了晶体管正常工作所需的偏压电路。最终,通过参数优化,我们得到的该具体的有源高透波超材料结构的透波频段的中心频率约为1GHz,透波频段的带宽约为2GHz,通带内的透波率约为2dB,而双层FSS结构本身通带内的透波率在_2dB左右。可见,在加载晶体管放大电路后,该有源高透波超材料结构在通带内的透波率得到了显著提高。
[0038]虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述,但是应当理解,本发明并不局限于文中详细描述和示出的【具体实施方式】,在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下,本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。
【主权项】
1.一种有源高透波超材料结构,其特征在于,所述结构包括依次层叠的第一频率选择表面层、介质板、第二频率选择表面层; 第一频率选择表面层位于所述介质板正面,具体为开设有N个缝隙的接地金属板;第二频率选择表面层印制在所述介质板背面,其包括N个放大辐射单元,每个放大辐射单元又包括一个金属贴片、一个三极管放大电路;在每个放大辐射单元中,所述三极管放大电路的输入端经由介质板上的通孔与接地金属板相连,所述三极管放大电路的输出端与所述金属贴片相连; 其中,N为大于等于I的整数。2.如权利要求1所述的结构,其特征在于,所述缝隙的厚度d满足: 0<d < Ium03.如权利要求2所述的结构,其特征在于,所述金属贴片的厚度与所述缝隙的厚度相同。4.如权利要求3所述的结构,其特征在于,所述缝隙为方形环缝隙,所述金属贴片为方形贴片。5.如权利要求4所述的结构,其特征在于,所述方形环缝隙的臂长为2mm,并且,所述方形环缝隙的缝宽为0.1_。6.如权利要求5所述的结构,其特征在于,N=4,并且,所述方形环缝隙呈正方形阵列分布。7.如权利要求6所述的结构,其特征在于,所述方形贴片与所述方形环缝隙的分布方式相同。8.如权利要求1-7任一所述的结构,其特征在于,所述介质板的厚度为7.5mm,所述介质板的介电常数ε满足I < ε < 1.5ο9.如权利要求8所述的结构,其特征在于,所述三极管放大电路包括晶体管、匹配电阻、以及使所述晶体管处于放大状态的外接偏压电路。10.—种天线罩,其特征在于,所述天线罩由权利要求1-9任一所述的有源高透波超材料结构制成。
【文档编号】H01Q17/00GK105826676SQ201610200826
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】元旭津, 戚开南, 汪勇峰, 袁晓峰
【申请人】北京环境特性研究所
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