一種具有雙頻帶特性的十字螺旋fss結構的製作方法
2023-11-04 01:23:37
專利名稱：一種具有雙頻帶特性的十字螺旋fss結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用於雷達系統和通信系統的十字螺旋頻率選擇表面結構 (以下簡稱十字螺旋FSS結構)，尤其涉及一種具有雙頻帶特性的十字螺旋FSS結構及其構建方法，該十字螺旋FSS結構可以減小天線雷達散射截面，設計多饋源多頻復用的拋物面天線。它屬於微波頻段天線工程技術領域。
背景技術：
現代戰爭，很大程度取決於電子偵察技術，於是反偵察技術迫在眉睫。降低武器系統雷達反射截面(RCS)作為反偵察的重要手段受到重視。而天線的RCS對飛機或飛彈的整體RCS貢獻很大，如何設計一種天線罩，能有效的降低天線的RCS，這是隱身技術的研究方向之一。由於衛星距離地球遙遠，電磁波空間傳輸損耗大，因此衛星通信中常使用具有高增益的拋物面天線。如何使同一部拋物面天線實現多饋源，多頻段同時工作，有效提高衛星上的空間利用率，這也是天線工程中急需解決的難題之一。因此如何減小天線雷達散射截面和設計多饋源多頻復用的拋物面天線是天線工程中遇到的兩個主要問題。將頻率選擇表面結構(FSS結構)用來設計天線罩降低天線系統的雷達散射截面， 可以實現雷達隱身的目的。當平面波入射時，工作頻段內的信號以最低的插入損耗透過天線罩進入本地天線，保證了本地天線的正常工作，而帶外的電磁信號將被完全反射到遠離來波的方向，阻止了其進入天線罩以至於在天線上產生感應電流而向外產生較大的散射， 實現了雷達隱身的功能，同時也因為屏蔽掉了工作波段以外的有害電磁波而提高了抗幹擾的能力。將頻率選擇表面用作拋物面天線的副反射面，提高天線的利用效率。FSS用於拋物面天線的副反射面，可將副反射面做成雙曲面，雙曲面的虛焦點與拋物面焦點重合，將不同頻率的饋源分置於雙曲面的虛實焦點，實現雙頻復用。這樣有效的提高了拋物面的利用效率，從而降低天線系統的重量，體積和費用。FSS結構的主要性能是頻率選擇特性，對於激勵源的入射方向及極化的敏感程度以及帶寬的穩定性。傳統的單層平面FSS結構選擇特性一般，對於平面波不同角度入射性能不穩定。為了提高選擇特性，多層平面級聯是最常採用的方法，但這樣又導致製造成本高昂，而且結構比較複雜無法進行快速有效的設計。因此本實用新型設計了一種新型的中心連接複合頻率選擇表面新單元即十字螺旋FSS結構，它實現了多頻帶特性和相對入射波的角度穩定性。
發明內容1、發明目的本實用新型的目的是提供一種具有雙頻帶特性的十字螺旋FSS結構，它實現了多頻帶特性。該十字螺旋FSS結構與傳統的單層平面FSS結構相比，克服了其平面波不同角度入射性能不穩定性的缺點並且能夠實現雙頻的寬通帶特性，它既可以用作反射也可以用作傳輸，在天線通信系統和雷達系統中具有廣泛的應用前景。本實用新型中十字螺旋FSS結構的角度穩定性，也為雙頻帶FSS的設計提供了有用的參考。2、技術方案見
圖1，本實用新型一種具有雙頻帶特性的十字螺旋FSS結構，它由上、下兩層介質層和中間的十字螺旋FSS結構層構成，它們之間的位置連接關係見圖2 其中1和2為介質層，在上、下兩面層，中間層3是十字螺旋FSS結構層。其中，該1和2介質層為兩個厚度均為0.5毫米介電常數為3.0的介質材料。十字螺旋FSS結構層為金屬表面。十字螺旋 FSS結構金屬層為周期結構，將組成十字螺旋FSS結構層的結構單元向X、Y方向周期延拓後得到一個6X6的完整十字螺旋FSS結構層，如圖3所示。十字螺旋FSS結構層的結構單元由一個大尺寸的十字螺旋結構和四個尺寸相對縮小一半的小尺寸十字螺旋結構組成，而大、小十字螺旋結構由十字形臂和十字形末端的S形臂組成；大尺寸的十字螺旋結構位於十字螺旋FSS結構層的結構單元中心，四個小尺寸的十字螺旋結構由大尺寸的十字螺旋結構縮小一倍再旋轉45°後分別向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移後得到，如圖 4所示。將十字螺旋FSS結構層結構單元的大、小尺寸的十字螺旋結構終端設計為S形，可以使結構耦合緊密，十字螺旋FSS結構層中使用兩種同構但尺寸大小相異的十字螺旋結構使產生的通帶具有雙頻帶特性，如圖5所示。一種具有雙頻帶特性的十字螺旋FSS結構的構建方法，該方法具體步驟如下步驟一使用仿真軟體CST建立一個零厚度的十字螺旋FSS結構層的結構單元， 該十字螺旋FSS結構層的結構單元由一個大尺寸的十字螺旋結構和四個與其同形狀結構的小尺寸十字螺旋結構組成(見圖4)。該大、小十字螺旋結構由十字形臂和十字形末端的 S形臂組成；大尺寸的十字螺旋結構位於十字螺旋FSS結構層的結構單元中心，四個小尺寸的十字螺旋結構由大尺寸的十字螺旋結構縮小一倍再旋轉45°後分別向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移後得到；步驟二 將步驟一得到的十字螺旋FSS結構層的結構單元，使用仿真軟體CST的建模工具建立一個零厚度的十字螺旋FSS結構層(見圖幻。具體操作方法是將步驟一得到的十字螺旋FSS結構層的結構單元向X、Y方向周期延拓後得到一個6X6的完整十字螺旋 FSS結構層(見圖6)。步驟三利用仿真軟體CST建立十字螺旋FSS結構的介質層，將十字螺旋FSS結構層嵌入到介質的基片中。首先用軟體作圖工具畫出一個長方體模型作為介質層，介質層下表面和十字螺旋FSS結構層的上表面重合，介質層材料選擇介電常數ε^ = 3.0的介質。再作一個同樣尺寸的長方體模型作為介質層，使介質層的上表面與十字螺旋FSS結構層的下表面重合。介質層材料同樣選擇介電常數％ = 3. 0的介質(見圖2)。步驟四在仿真軟體CST軟體中截取十字螺旋FSS結構的一個單元進行入射波透射率分析，根據實際的工程應用中對平坦通帶帶寬範圍的要求，調整十字螺旋FSS結構單元的參量改變阻帶的諧振頻率，將調整好的十字螺旋FSS結構替代原來的該結構。假設一平面波入射在如圖2所示的十字螺旋FSS結構上(模型中間是理想金屬層，位於XZ平面內，金屬層上周期分布著貼片單元結構，X方向和Z方向的單元間距分別表示為Dx和Dz ；兩側是介質層。)，該入射波的傳播方向可以表示為S = xsx+ysy+zsz0波通過十字螺旋FSS結構透射側的電磁場分布為
權利要求1. 一種具有雙頻帶特性的十字螺旋FSS結構，其特徵在於它由上、下兩層介質層和中間的十字螺旋FSS結構層構成，上、下兩層介質層為厚度均為0. 5毫米、介電常數為3. 0的介質材料，中間的十字螺旋FSS結構層為金屬表面；十字螺旋FSS結構層的結構單元由一個大尺寸的十字螺旋結構和四個尺寸相對縮小一半的小尺寸十字螺旋結構組成，而大、小十字螺旋結構由十字形臂和十字形末端的S形臂組成；大尺寸的十字螺旋結構位於十字螺旋FSS結構層的結構單元中心，四個小尺寸的十字螺旋結構由大尺寸的十字螺旋結構縮小一倍再旋轉45°後分別向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移後得到；該十字螺旋FSS結構金屬層為周期結構，將組成十字螺旋FSS結構層的結構單元向X、Y方向周期延拓後得到一個6X6的完整十字螺旋FSS結構層；十字螺旋FSS結構層結構單元的大、小尺寸的十字螺旋結構的終端設計為S形，可以使結構耦合緊密，十字螺旋FSS結構層中使用兩種同構但尺寸大小相異的十字螺旋結構使產生的通帶具有雙頻帶特性。
專利摘要一種具有雙頻帶特性的十字螺旋FSS結構，該結構由上、下介質層和中間的十字螺旋FSS結構層構成；十字螺旋FSS結構層的結構單元由一個大尺寸的十字螺旋結構和四個尺寸相對縮小一半的小尺寸十字螺旋結構組成，而大、小十字螺旋結構由十字形臂和十字形末端的S形臂組成；大尺寸的十字螺旋結構位於十字螺旋FSS結構層的結構單元中心，四個小尺寸的十字螺旋結構由大尺寸的十字螺旋結構縮小一倍再旋轉45°後分別向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移後得到；該結構使用兩種同構但尺寸大小相異的十字螺旋結構使產生的通帶具有雙頻帶特性，選擇性能顯著改善。該結構參數少，製造簡單方便，它在微波頻段天線工程技術領域裡具有實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號H01Q19/10GK201994420SQ20102067567
公開日2011年9月28日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者姜英傑, 王濤, 車明明, 閻照文, 韓雅靜 申請人:北京航空航天大學