頻率選擇複合材料及由其製成的頻率選擇天線罩和天線系統的製作方法

2023-09-17 18:45:45 2

專利名稱：頻率選擇複合材料及由其製成的頻率選擇天線罩和天線系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及頻率選擇表面及由其製成的頻率選擇天線罩和天線系統，更具體地說，涉及一種設計新穎的頻率選擇複合材料及由其製成的頻率選擇天線罩和天線系統。
背景技術：
天線罩是保護天線免受外界惡劣環境影響的結構件，特別是雷達系統的重要組成部分。傳統上，用於製造這類天線罩的材料應具有優良的透波性能、穩定的高溫介電性能、低線膨脹係數和抗粒子云侵蝕等特性。但是，天線罩是天線發射的電磁波傳播方向上的障礙物，當電磁波經過時，不僅會發生反射，而且被天線罩吸收，造成了電磁能量的損耗。另外，目前的天線罩大多為全帶通天線罩，用於飛行平臺的雷達系統吋，由於其工作於低 頻段，會在高頻段產生諧振，並伴隨柵瓣的出現，這時雷達散射截面(英文為Radar CrossSection，簡稱RCS)較大，當高頻電磁波和\或以某入射角入射時，雷達系統很容易被敵方高頻信號偵測到。因此，急需開發一種只允許雷達的工作頻段的電磁波透射而阻擋非工作頻段的電磁波的天線罩材料。而頻率選擇表面(英文為frequency selective surface,簡稱FSS)對電磁波具有良好的選擇性，可讓其通帶內的電磁波呈現全通特性，而讓阻帶內的電磁波則呈現全反射特性，具有非常好的濾波性能，可用來製作頻率選擇天線罩。

發明內容
本發明要解決的技術問題在幹，提供ー種具有良好透波性能的頻率選擇複合材料及由其製成的頻率選擇天線罩和天線系統。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種頻率選擇複合材料，其包括至少ー複合片層，所述複合片層包括兩結合在一起的介質基板和置於所述兩介質基板之間的結構層，所述結構層包括多條相互平行的第一間斷金屬線，每ー第一間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第一間斷金屬線的線段的長度均相等、寬度均相等、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均相等；任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均相等，而任兩相鄰第一間斷金屬線對應位置的線段的兩對應端均平齊。優選地，所述複合片層還包括多條相互平行的第二間斷金屬線，每ー第二間斷金屬線置於兩相鄰第一間斷金屬線之間，且相鄰的第一間斷金屬線與第二間斷金屬線之間的距離均相等。優選地，每ー第二間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第二間斷金屬線的線段的長度均等於所述第一間斷金屬線的線段的長度、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均等於所述第一間斷金屬線的兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離，且所述第二間斷金屬線的任ー線段的中點與相鄰第一間斷金屬線的對應的兩相鄰線段之間的中點平齊。優選地，所述線段的長度均為7. 9 8. 2mm、寬度均為O. 07 O. 09mm、厚度為O. 017 O. 018mm。優選地，任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均為O. 9 I. 1mm。優選地，任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均為8. 8 9. 4mm η優選地，所述線段的長度均為8mm、寬度均為O. 08mm、厚度為O. 0175mm ;任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均為1_ ;任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均為9mm。優選地，所述兩介質基板均由聚醯亞胺(PI)製成；所述線段由銅製成。
ー種頻率選擇天線罩，其包括至少ー複合片層，所述複合片層包括兩結合在一起的介質基板和置於所述兩介質基板之間的結構層，所述結構層包括多條相互平行的第一間斷金屬線，每ー第一間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第一間斷金屬線的線段的長度均相等、寬度均相等、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均相等；任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均相等，而任兩相鄰第一間斷金屬線對應位置的線段的兩對應端均平齊。ー種天線系統，包括天線和設置於所述天線接收和/或發射的電磁波的傳播方向上的頻率選擇天線罩，所述頻率選擇天線罩包括至少ー複合片層，所述複合片層包括兩結合在一起的介質基板和置於所述兩介質基板之間的結構層，所述結構層包括多條相互平行的第一間斷金屬線，每ー第一間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第一間斷金屬線的線段的長度均相等、寬度均相等、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均相等；任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均相等，而任兩相鄰第一間斷金屬線對應位置的線段的兩對應端均平齊。本發明頻率選擇複合材料及由其製成的頻率選擇天線罩和天線系統具有以下有益效果由於其在兩介質基板之間設置了間隔設置的多個金屬線段，從而使所述頻率選擇複合材料對低頻段的電磁波的反射變小、透波性能提高，而具有較好的透波性能，同時可抑制高頻段的電磁波而具有帶阻功能，從而具有低通高阻頻率選擇特性。


下面將結合附圖及具體實施方式
對本發明作進ー步說明。圖I是本發明頻率選擇複合材料的ー個複合片層的結構示意圖；圖2是圖I中所述結構層的第一實施例的平面示意圖；圖3是圖2的陣列排布示意圖；圖4是由第一實施例的結構層製成的一個頻率選擇複合材料樣品的反射係數和透射係數隨垂直入射電磁波的頻率變化的響應曲線圖；圖5是由第一實施例的結構層製成的一個頻率選擇複合材料樣品的反射係數和透射係數隨傾斜30度角、傾斜60度角入射電磁波的頻率變化的響應曲線圖；圖6是圖I中所述結構層的第二實施例的平面示意圖；圖7是圖6的陣列排布示意圖；圖8是由第二實施例的結構層製成的一個頻率選擇複合材料樣品的反射係數和透射係數隨垂直入射電磁波的頻率變化的響應曲線圖9是本發明頻率選擇天線罩和天線系統的示意圖。圖中各標號對應的名稱為10複合片層、12介質基板、14結構層、16間斷金屬線、18、22、24線段、19結構單元、21第一間斷金屬線、23第二間斷金屬線、30天線系統、32天線、34頻率選擇天線罩
具體實施例方式本發明中的「片層」、「層」、「板」等術語既指平面、曲面、錐面、球面、異形面等任意形狀的薄層材料，亦可包括柔軟的薄膜，因應用需求而不同。為簡明起見，本實施方式中的「複合片層」、「層」、「板」均以平面示意。如圖I所示，本發明頻率選擇複合材料包括至少ー複合片層10，所述複合片層10包括兩結合在一起的介質基板12和置於所述兩介質基板12之間的結構層14。所述兩介質基板12由聚合物材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等製成，如環氧樹脂玻璃纖維布(即FR4)、聚四氟こ烯(英文名為Polytetrafluoroethene,簡稱F4B)、高密度·聚こ烯(英文名為High Density Polyethylene,簡稱HDPE)、丙烯腈-丁ニ烯-苯こ烯共聚物(英文名為Acrylonitrile Butadiene Styrene,簡稱ABS)或聚醯亞胺(英文名為Polyimide,簡稱PI)等。所述兩介質基板12既可由同一種材料製成,也可由不同的材料製成；其厚度既可相等，也可不等。本實施方式中，所述兩介質基板12由同一種材料製成，且厚度相等，均為O. 82 O. 88皿!!。請參考圖2，為所述結構層14的第一實施例，其包括多條相互平行的間斷金屬線16，每ー間斷金屬線16包括多個間隔設置的線段18，所述線段18的長度均相等，任兩相鄰線段18的兩相鄰端之間的距離均等於D1，D1 = O. 9 I. 1mm。任ー間斷金屬線16與相鄰間斷金屬線16之間的距離均等於D2, D2 = 8. 8 9. 4mm,且任兩相鄰間斷金屬線16對應位置的線段18的兩對應端均平齊。每ー線段18均由如銅、銀等金屬導電材料製成，其截面可以為扁平狀或其他任意形狀，如圓柱狀。本實施例中，每ー線段18的長度均等於LI，LI=7. 9 8. 2臟、寬度均等於W，W = O. 07 O. 09mm、寬度均相等，為O. 017 O. 018mm。由上可知，所述線段18為呈陣列排布，如圖3所示。若將每個線段18及其所在的方形區域(如圖3)內的介質基板部分稱為ー個結構單元19，如圖I中由虛線分隔形成的方形塊。這樣，所述複合片層10可看作是由多個所述結構單元19陣列而成。一般，每個結構単元19的幾何尺寸與根據需要而設定響應的電磁波波長有關，本實施方式中，所述結構單元19的長度與寬度相等，等於圖3中L2的長度。實際上，L2等於D2，為8. 8 9. 4mm。也即，兩相鄰線段18的中心之間的距離為8. 8 9. 4mm。實際製作時，我們可選取一由PI製成且ー表面覆有如銅箔等金屬箔的PCB板，如美國杜邦公司(Dupont)的卡普頓(Kapton)電路板,在金屬箔上通過蝕刻形成所述多條間斷金屬線16和線段18，在所述PCB板的兩表面各疊加四片芳綸纖維半固化片，如美國杜邦公司的凱夫拉(Kevlar)，學名為聚對苯ニ甲醯對苯ニ胺，在真空條件(7帕氣壓)下熱壓(加熱溫度為175攝氏度)並保持一小吋，即可將它們壓製成所述複合片層10。另外，所述多條間斷金屬線16和線段18也可採用電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式形成。為了驗證所述複合片層10的響應特性，以下我們以ー 424X424mm的樣品為例來進行測試。在所述樣品中，所述兩介質基板12均由美國杜邦公司的凱夫拉製成，厚度均為O. 85mm。所述電路板由PI製成，其厚度為O. 04mm ;所述金屬箔為銅箔，厚度為O. 0175mm。而任ー間斷金屬線16與相鄰間斷金屬線16之間的距離D2為9mm ;每ー線段18的長度LI為8mm、寬度W為O. 08mm ;任ー線段18與相鄰線段18之間的距離均等於Dl為1mm。經測試獲得所述樣品的反射係數(用R表示)和透射係數(用T表示)隨垂直入射電磁波與傾斜30度角、傾斜60度角入射電磁波的頻率變化的響應曲線圖分別如圖4和圖5所示。由圖可知，在低頻段時，所述樣品的透波性較好，大約在2 4GHz時反射小於-10dB，而在高頻段(如8 12GHz)時反射多，阻止電磁波透過而形成帶阻，具有低通高阻的頻率選擇特性。請參考圖6，為所述結構層14的第二實施例，其包括多條相互平行的第一間斷金屬線21和第二間斷金屬線23，所述第一間斷金屬線21與所述第二間斷金屬線23交替排布，所述第一間斷金屬線21與所述第二間斷金屬線23之間的距離均等於D3，D3 = 4. 4 4. 7_。每ー第一間斷金屬線21包括多個間隔設置的線段22，所述線段22的長度均相等，任兩相鄰線段22的兩相鄰端之間的距離均等於D1，且任兩相鄰第一間斷金屬線21對應位置的線段22的兩對應端均平齊。每ー第二間斷金屬線23包括多個間隔設置的線段24，所述線段24的長度等於所述線段22的長度，任兩相鄰線段24的兩相鄰端之間的距離均等於 每ー第一間斷金屬線21的兩相鄰線段22的兩相鄰端之間的距離D1，且任兩相鄰第二間斷金屬線23對應位置的線段24的兩對應端均平齊，而所述第二間斷金屬線23的任ー線段24的中點與相鄰第一間斷金屬線21的對應的兩相鄰線段22之間的中點平齊。同上，所述線段22、24由如銅、銀等金屬導電材料製成，其截面可以為扁平狀或其他任意形狀。本實施例中，所述線段22、24的長度均等於LI、寬度均等於W。如圖7所示，我們用多條正交的虛線分隔所述結構層14，則位於由所述虛線分隔形成的方形區域內的金屬線段部分呈陣列排布。若將所速方形區域(如圖3)內的介質基板和金屬線段部分稱為ー個結構單元，同圖I中由虛線分隔形成的方形塊。這樣，所述複合片層10同樣可看作是由多個所述結構單元陣列而成。一般，所述結構単元的幾何尺寸與根據需要而設定響應的電磁波波長有關，本實施方式中，所述結構単元的長度與寬度相等，等於圖3中L3的長度。實際上，L3等於2XD3，為8. 8 9. 4mm。為了驗證由上述第二實施例的結構層14構成的複合片層10的響應特性，以下我們以ー 424X424mm的樣品為例來進行測試。在所述樣品中，所述第一間斷金屬線21與所述第二間斷金屬線23之間的距離D3為4. 5mm,其上同第一實施例。經測試獲得所述樣品的反射係數(用R表示)和透射係數(用T表示)隨垂直入射電磁波的頻率變化的響應曲線圖如圖8所示。由圖可知，在低頻段時，所述樣品同樣具有較好的透波性，而在高頻段時反射多，阻止電磁波透過而形成帶阻，且具有寬頻特性。因此，本發明頻率選擇複合材料具有低通高阻的頻率選擇特性，高頻阻帶較寬。另外，根據實際需要，所述頻率選擇複合材料可包括多層所述複合片層10，且這些複合片層10既可沿垂直於複合片層表面的方向直接前、後表面相粘接而疊加在一起，也可將這些複合片層10等間距地排列組裝在一起。請參考圖9，為本發明頻率選擇天線罩和天線系統的示意圖。所述天線系統30包括天線32和用於保護所述天線32的頻率選擇天線罩34。所述天線32可以是貼片天線、縫隙天線、微帶天線等任意類型的天線，也可以是由上述天線組成的天線陣，其饋電方式可以是同軸線、縫隙耦合、微帶線等。所述頻率選擇天線罩34位於所述天線32接收和/或發射的電磁波的傳播方向上。所述頻率選擇天線罩34包括至少ー個所述複合片層10，其他同以上對所述複合片層10的相關描述。而根據實際需要，所述頻率選擇天線罩34可做成任意形狀，如與所述天線32共形的形狀，且可將多塊平面或曲面的複合片層10通過機械連接、焊接或粘合的方式拼接在一起而構成大型頻率選擇天線罩，也可將多塊平面或曲面的複合片層10疊加在一起而形成更厚的機械強度更高的頻率選擇天線罩。由上可知，本發明頻率選擇天線罩和天線系統對於低頻段的電磁波，具有較高的透波率，且反射小，且可抑制較寬的高頻段的電磁波而具有寬頻帶阻功能，而具有低通高阻的頻率選擇特性。此外，為了保護所述頻率選擇天線罩34，可在其表面上塗覆防酸、防腐、耐磨損等的保護層。以上所述僅是本發明的若干具體實施方式
和/或實施例，不應當構成對本發明的限制。對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明基本思想的前提下，還可以做 出若干改進和潤飾，而這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種頻率選擇複合材料，包括至少ー複合片層，所述複合片層包括兩結合在一起的介質基板和置於所述兩介質基板之間的結構層，所述結構層包括多條相互平行的第一間斷金屬線，每ー第一間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第一間斷金屬線的線段的長度均相等、寬度均相等、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均相等；任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均相等，而任兩相鄰第一間斷金屬線對應位置的線段的兩對應端均平齊。
2.根據權利要求I所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，所述複合片層還包括多條相互平行的第二間斷金屬線，每ー第二間斷金屬線置於兩相鄰第一間斷金屬線之間，且相鄰的第一間斷金屬線與第二間斷金屬線之間的距離均相等。
3.根據權利要求2所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，每ー第二間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第二間斷金屬線的線段的長度均等於所述第一間斷金屬線的線段的長度、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均等於所述第一間斷金屬線的兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離，且所述第二間斷金屬線的任ー線段的中點與相鄰第一間斷金屬線的對應的兩相鄰線段之間的中點平齊。
4.根據權利要求I所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，所述線段的長度均為7.9 8. 2mm、寬度均為 0. 07 0. 09mm、厚度為 0. 017 0. 018mm。
5.根據權利要求I所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均為0. 9 I. 1mm。
6.根據權利要求I所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均為8. 8 9. 4mm。
7.根據權利要求I所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，所述線段的長度均為8mm、寬度均為0. 08mm、厚度為0. 0175mm ;任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均為Imm ;任一第ー間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均為9mm。
8.根據權利要求I所述的頻率選擇複合材料，其特徵在於，所述兩介質基板均由聚醯亞胺(PD製成；所述線段由銅製成。
9.ー種頻率選擇天線罩,其特徵在於,所述頻率選擇天線罩由權利要求1-8中任ー項所述的頻率選擇複合材料製成。
10.一種天線系統，包括天線，其特徵在幹，所述天線系統還包括設置於所述天線接收和/或發射的電磁波的傳播方向上的頻率選擇天線罩，所述頻率選擇天線罩是權利要求9中所述的頻率選擇天線罩。
全文摘要
本發明涉及一種頻率選擇複合材料，其包括一複合片層，所述複合片層包括兩介質基板和置於所述兩介質基板之間的結構層，所述結構層包括多條相互平行的第一間斷金屬線，每一第一間斷金屬線包括多個間隔設置的線段，所述第一間斷金屬線的線段的長度均相等、寬度均相等、任兩相鄰線段的兩相鄰端之間的距離均相等；任一第一間斷金屬線與相鄰第一間斷金屬線之間的距離均相等，而任兩相鄰第一間斷金屬線對應位置的線段的兩對應端均平齊，使其對低頻段的電磁波反射小、透波率高，而具有較好的透波性能，同時可抑制高頻段的電磁波而具有帶阻功能，從而具有低通高阻頻率選擇特性。本發明還涉及一種由此頻率選擇複合材料製成的頻率選擇天線罩和天線系統。
文檔編號H01Q1/42GK102856653SQ20121026857
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者劉若鵬, 趙治亞, 劉列, 黃濤 申請人:深圳光啟創新技術有限公司