三维新型宽带吸波式频率选择结构及其应用的制作方法

本发明属于微波技术领域，涉及一种宽带吸波式频率选择结构，可作为天线的隐身天线罩。

背景技术

现代军事技术的发展对于各类作战平台隐身性能的要求越来越高。隐身天线罩对于天线雷达散射截面(rcs)的缩减起着重要的作用。目前，带通型频率选择表面已经被广泛应用于隐身天线罩中。在通带内，它对电磁波几乎透明，允许本方雷达天线发射和接收电磁波。在通带外，它可以使敌方雷达的反射波偏离入射方向，从而减小rcs。然而，这样缩减的仅仅是单站(monostatic)rcs。对于双站或者多站等雷达系统，频率选择表面仍然无法有效减小rcs，除非能够用吸收的方式将不需要的电磁波进行吸收，尽可能减少反射。因此，一种更为理想的隐形天线罩的概念被提出，即该天线能够在工作频段内对电磁波透明，而带外入射来波则全部被吸收。能够实现这样功能的频率选择表面被称为吸波式频率选择表面/结构。

为了解决二维吸波式频率选择表面的频率选择特性和其在斜入射波中频率响应性能不稳定等缺点，科学家提出了三维吸波式频率选择结构。由于充分利用了电磁波传播方向的维度，具备了更高的设计自由度，三维吸波式频率选择结构可以实现更优异的性能。现有的技术通常产生阻带是通过再添加一些电阻和电容结构，结构繁琐，复杂，本发明是用结构本身所有的阻带来进行研究；本发明还实现位于通带两侧的两个宽带吸波带，这是本发明的一个重要优势。

然而，目前的吸波式频率选择结构(包括二维和三维)在实现位于通带两侧的两个宽带吸波带时仍然存在一定难度。而这样的性能正是隐身天线罩实际而迫切的需求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是针对当前技术的难点，提出了一种三维宽带吸波式频率选择结构。其性能特征在于：(1)一个通带，具备低插入损耗和高频率选择特性；(2)两个宽带吸波带，位于通带两侧。此外，其结构厚度较一般的三维吸波式频率选择结构薄，仅为最低吸波频率波长的0.12倍。同时，该结构设计自由度大，且可以手动组装加工。

本发明的三维宽带吸波式频率选择结构，为周期性结构，每个结构单元包括吸波通道和传输通道，具体包括从上至下依次设置的第一金属面，第三介质基片、第三金属面、第四介质基片、第四金属面；

在第一金属面和第三介质基片间设有空气层，该空气层内依次设置第一介质基片、第二介质基片和第二金属面(作为反射面)，且第一、二介质基片与第二金属面均垂直于第三介质基片,第二介质基片位于通带场强约为最强的位置上；

所述的第一介质基片作为入射面的外侧面设有第一金属导线，第一金属导线的一端连接第一金属面，另一端连接第三介质基片的微带线；其中第一金属导线上焊接有电容c1、第一电阻；

所述的第二介质基片靠近第一介质基片的一侧设有两条相同的第二金属线(等效于电容c2)，第二金属线的一端连接第一金属面，另一端连接第三介质基片的金属化过孔；第二金属线为断线结构，断线部位设有凸起，且断线间的距离以及凸起高度影响电容c2的大小。

所述的第三介质基片下表面设有第三金属面，上表面设有微带线；微带线的一端连接第二金属面，另一端连接第一金属导线；微带线上靠近第二金属面位置焊接有第二电阻；第三介质基片设有第一金属化过孔，该金属化过孔两端分别连接第二金属线和第三金属面；

所述的第四介质基片的下表面设有第四金属面，且设有周期性分布的若干非金属化过孔，以及位于通带场强最小位置的第二金属化过孔。该非金属化过孔和第二金属化过孔两端分别连接第三金属面和第四金属面。

作为优选，第三、四介质基片长短相同，厚度不同，厚度越厚，材质的介电常数越大，则整个板子的损耗也会越大。

所述的吸波通道由第一金属面、电容c1、第一电阻、第二电阻、第二金属面、第三介质基片、第三金属面，以及第一、二金属导线和微带线组成；

所述的传输通道由第三金属面、第四介质基片和第四金属面组成。

空气层高度ha增大，低频吸波段起始频率降低故带宽增加，但高频吸波段的第一个谐振点匹配变差。当第二电阻的阻值增大，高频吸波段匹配变好，低频吸波段的起始频率升高，故带宽减小。

电容c2的变化会影响的是通带的相对位置的左右移动。

当单元结构的高度h有变化时，w为单元结构的宽度，由输入阻抗的相关知识可知，w和高度的变化趋势应该相同，才能保证阻抗匹配。所得到的波形才是最优的。

具体工作原理：电磁波进入吸波通道后，由于第二金属面的存在，电磁波被反射形成回路，并在微带线以及第一、二金属导线上形成感应电流，形成的电流被第一电阻和第二电阻所消耗，从而实现吸波的效果。第三金属面和第四金属面组成的下层平行板是一个开放式的谐振器，在其谐振频率附近生成通带。在第四介质基片的中心有一个金属化过孔，这相当于一个电感(lp)。由于有电感的存在会在原先的基础上多引入一个谐振频率，通过改变电感的大小以及相关参数，会将通带的范围拓宽。

本发明的另一个目的是提供上述三维新型宽带吸波式频率选择结构，作为隐身天线罩上的应用。

宽带吸波式频率选择结构具有以下优点：

(1)通过将电容结构(第二金属导线)加载于第一金属面和第三金属面组成的上层平行板波导，上下两板之间，通过改变电容的大小，这样就能实现阻带的移动，便于研究。

(2)通带介质基片通过打孔的这种方法可以构造出介电常数在1到2之间的材料的性能，更有利于整个技术的实现，并且通带的效果很好。

(3)低频相对带宽65.56％，高频相对带宽50.64％，整个的带宽性能很好，是性能良好的新型的三维宽带吸波式频率选择表面。

(4)这种新型的三维宽带吸波式频率选择结构制作简单，整个结构用普通的pcb工艺就可以实现，并且吸波面元器件只需要焊接电容和电阻，制作简单，可以手动组装加工。

附图说明

图1是本发明的三维单元结构示意图；

图2是本发明的单元侧视图；

图3是本发明第四介质基片的平面图；

图4是本发明在在电磁波正入射时的s参数仿真图；

图5是本发明在电磁波正入射时的吸波率仿真图；

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明做进一步的分析。

本发明的三维新型宽带吸波式频率选择结构为周期性结构，每个结构单元包括带通通道和吸波通道；

吸波通道由第一金属面1，金属反射面5，第一介质基片13和第二介质基片14和第三介质基片8(下表面为第三金属面)，第一电阻4和第二电阻7，电容3，第一金属导线2和第二金属导线6(等效于电容)，一根微带线10组成。第一介质基片13作为入射面，其外侧面设有第一金属导线2，第一金属导线2的一端连接第一金属面1，另一端连接第三介质基片8的微带线10；其中第一金属导线设有电容c13、第一电阻4；微带线10设于第三介质基片8上表面，用于连接第二金属面5和金属线2，微带线10上焊接有第二电阻7；第二介质基片14靠近第一介质基片13的一侧设有两条相同的第二金属线6(等效于电容c2)，在第三介质基片8在通带场强约为最强的位置上两端有金属化过孔9，第二金属线6的一端连接第一金属面1，另一端连接第三介质基片的金属化过孔9；第二金属线6为断线结构，断线部位设有凸起，且断线间的距离以及凸起高度影响电容c2的大小。

传输通道由第三金属面，第四介质基片11，以及它下表面的第四金属面15组成，在第四介质基片11在中心处有金属化过孔16，在它周边还有一些普通过孔12，普通过孔的直径大于金属化过孔的直径。

本发明的三维新型宽带吸波式频率选择结构，其中一些结构的具体参数如下：第一金属面1的长为30毫米，宽为14毫米，厚度为0.5毫米；第三金属面和第四金属面15的尺寸相同，长30毫米，宽14毫米；第一介质基片13和第二介质基片14的材料均为介电常数为2.2的taconictly,并且高均为12.2毫米，宽均为14毫米，厚度均为0.508毫米；第一介质基片13作为入射面，其外侧面设有第一金属导线2，第一金属导线2宽度为1毫米，高度为12.2毫米，并且在导线上焊接有1pf的电容3和270欧姆的电阻4，第一金属导线2的一端连接第一金属面1，另一端连接第三介质基片8的微带线10；第二介质基片14靠近第一介质基片13的一侧设有两条相同的第二金属线6(等效于电容c2)，线宽度为0.5毫米，第二金属线6为断线结构，断线部位设有凸起，且断线间的距离以及凸起高度影响电容c2的大小，中间凸起部分的高度度1毫米，断线间的距离为0.5毫米；在第三介质基片8的材料为介电常数为3.3的taconicrf-30,长30毫米，宽14毫米，厚度1.5毫米，在通带场强约为最强的位置上两端有金属化过孔9，金属化过孔9的直径为1毫米，第二金属线一端连接第一金属面1，另一端连接金属化过孔9；微带线10设于第三介质基片8上表面，宽度为2毫米，用于连接金属反射面5和金属线2，微带线10上焊接有第二电阻7，它的阻值为180欧姆，第二电阻7与第二金属面5的距离为3毫米，第三金属面在第三介质基片的下表面；第一金属面1和第三介质基片8之间的空气高度为12.2毫米。第四介质基片11材料为介电常数为2.2的taconictly,长30毫米，宽14毫米，厚度3毫米，它下表面为第四金属面15，在第四介质基片11在中心处有金属化过孔16，金属化过孔16的直径为1.75毫米，周围还有一些普通的过孔12，这些过孔的直径为3.6毫米，水平方向的孔距为1毫米，竖直方向的孔距为0.6毫米。

其中l为单元结构的长度，w为单元结构的宽度，h为单元结构的高度，hs和hp分别为第三介质基片8的厚度和第四介质基片11的厚度，ha为上层空气部分的高度，c为电容3的容值，r1和r2分别为第一电阻4和第二电阻7的阻值。

由图4的透射和反射系数的仿真结果可以看到，本结构具备一个通带及其两侧的两个吸波带，其中低频吸波带的频率范围为1.22-2.41ghz，相对带宽为65.56％；高频吸波带的频率范围为4.09-6.86ghz，相对带宽为50.63％；通带的频率范围为2.92-3.87ghz，相对带宽为27.98％。图5的仿真结果表明该结构在吸波带内的吸波率高达90％以上，通带内的吸波率在15％以下，吸波效果和通带效果都较为显著。