一種基于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)及窗口吸收體的制作方法
【專利摘要】公開了一種基于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，包括：第一頻率選擇表面層、第一介質(zhì)板。第一頻率選擇表面層包括多個(gè)貼片單元，每個(gè)貼片單元包括第一至第四分形環(huán)。第一分形環(huán)為正三角形環(huán)，且每邊均設(shè)有“凵”型彎折部；第二至第四分形環(huán)位于正三角形環(huán)內(nèi)部，且關(guān)于正三角形環(huán)的中心呈旋轉(zhuǎn)對稱分布。第二至第四分形環(huán)為四邊形環(huán)，其第一至第三頂角依次為120°、90°、90°。第四頂角與第一頂角相對，第四頂角的兩邊設(shè)有“凵”型彎折部。本發(fā)明的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)具有良好的極化穩(wěn)定性，且能在保持吸波特性的基礎(chǔ)上，有效提高透波特性。另外，本發(fā)明還公開了一種基于所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的窗口吸收體。
【專利說明】
-種基于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)及窗口吸收體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電磁超材料領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)及 窗口吸收體。
【背景技術(shù)】
[0002] 窗口吸收體，也稱吸波透波一體化結(jié)構(gòu)，是一種主要面向雷達(dá)天線罩的電磁結(jié)構(gòu)。 該電磁結(jié)構(gòu)不僅能在天線工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)透波功能，而且能在天線工作頻段外實(shí)現(xiàn)吸波功 能。因此，窗口吸收體能顯著降低天線工作頻段外的雷達(dá)散射截面、提高天線的隱身性能。
[0003] 窗口吸收體是由雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)發(fā)展而來。雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)主要由表面電阻層、介質(zhì) 層、金屬背板組成。窗口吸收體對雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)的發(fā)展在于，用FSS(頻率選擇表面)代替了 金屬背板，從而在保證吸波特性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了透波功能。在窗口吸收體中，頻率選擇表面 可W選取帶通型FSS結(jié)構(gòu)或者帶阻型FSS結(jié)構(gòu)。對于中央透波、兩側(cè)吸波的結(jié)構(gòu)來說，若選取 帶通型FSS結(jié)構(gòu)，則只需設(shè)計(jì)中頻帶通FSS;若選取帶阻型FSS結(jié)構(gòu)，則需要分別設(shè)計(jì)高頻帶 阻FSS與低頻帶阻FSS。由于兩側(cè)吸波頻帶的影響，帶阻型FSS結(jié)構(gòu)的透波率較差。但是，帶阻 型FSS結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，通過多層禪合吸收結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的吸波頻帶與較高的 吸波效率。
[0004] 在寬帶吸收的窗口吸收體中，高頻帶阻FSS與低頻帶阻FSS各需要兩層，因此，其整 體結(jié)構(gòu)的厚度較大，電磁波的傳輸損耗也較大。為了減薄整體結(jié)構(gòu)的厚度，我們可W提高介 質(zhì)的介電常數(shù)。但是，提高介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)導(dǎo)致吸波頻帶變窄，因此介電常數(shù)的提高空間 非常有限。
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中帶阻型FSS結(jié)構(gòu)的缺陷，亟需一種厚度較小、且能實(shí)現(xiàn)寬帶吸波特 性的帶阻型FSS結(jié)構(gòu)W及窗口吸收體，W在保持吸波特性的基礎(chǔ)上有效提高透波特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種厚度較小、且能實(shí)現(xiàn)寬帶吸波特性的帶阻型FSS結(jié)構(gòu) W及窗口吸收體，W克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其包括： 第一介質(zhì)板、第一頻率選擇表面層;第一頻率選擇表面層位于第一介質(zhì)板正面，其包括呈陣 列分布的N個(gè)貼片單元；
[000引所述貼片單元為嵌套分形結(jié)構(gòu)，包括:第一分形環(huán)、第二至第四分形環(huán);第一分形 環(huán)為正Ξ角形環(huán)，并且所述正Ξ角形環(huán)的每邊均設(shè)有向內(nèi)彎折的型彎折部；
[0009]第二至第四分形環(huán)位于第一分形環(huán)內(nèi)部，且關(guān)于所述正Ξ角形環(huán)的中屯、呈120°旋 轉(zhuǎn)對稱分布;第二至第四分形環(huán)為四邊形環(huán);在所述四邊形環(huán)中：第一頂角為120°，第二、第 Ξ頂角為與第一頂角相鄰的直角，第四頂角與第一頂角相對，在第四頂角的兩邊均設(shè)有向 內(nèi)彎折的型彎折部，并且，第四頂角的兩邊與所述正Ξ角形環(huán)的頂角的兩邊分別平行、 第一頂角的兩邊與所述正Ξ角形環(huán)的頂角的兩邊分別垂直;其中，N為大于等于1的整數(shù)。
[0010]優(yōu)選的，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)還包括:第二頻率選擇表面層;第二頻率選擇表面 層位于第一介質(zhì)板背面，且其與第一頻率選擇表面層具有相同結(jié)構(gòu)。
[00川優(yōu)選的，第一分形環(huán)的周長為打，第二至第四分形環(huán)的周長均為C2,且& =^Ci。
[001^ 優(yōu)選的，所述貼片單元的厚度d滿足:0<cKl皿。
[001引優(yōu)選的，第一介質(zhì)板的介電常數(shù)滿足：1含 [0014]優(yōu)選的，第一介質(zhì)板的厚度為7.5mm。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種窗口吸收體，包括依次層疊的電阻層、第二 介質(zhì)板、帶阻頻選層。所述帶阻頻選層為本發(fā)明所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，并且，第二介質(zhì) 板的正面與所述電阻層相鄰，第二介質(zhì)板的背面與第一頻率選擇表面層相鄰；
[0016]優(yōu)選的，第二介質(zhì)板的介電常數(shù)E2滿足：1 < Ε2< 1.5。
[0017]優(yōu)選的，第二介質(zhì)板的厚度為7.5mm。
[0018] 優(yōu)選的，所述電阻層為金屬板;所述金屬板的正面設(shè)有呈陣列分布的環(huán)形縫隙，所 述金屬板的背面與第二介質(zhì)板的正面相鄰。
[0019] 本發(fā)明提出了一種基于分形單元的FSS結(jié)構(gòu)，包括第一介質(zhì)板、第一頻率選擇表面 層。第一頻率選擇表面層中的貼片單元為嵌套分形結(jié)構(gòu)，包括:第一分形環(huán)、第二至第四分 形環(huán)。第一分形環(huán)為正Ξ角形環(huán)，并且每邊均設(shè)有型彎折部;第二至第四分形環(huán)位于第 一分形環(huán)內(nèi)部，且關(guān)于正Ξ角形環(huán)的中屯、呈旋轉(zhuǎn)對稱分布。第二至第四分形環(huán)為四邊形環(huán)， 所述四邊形環(huán)的第一至第Ξ頂角依次為120°、90°、90°，第四頂角與第一頂角相對，且在第 四頂角的兩邊均設(shè)有型彎折部。本發(fā)明的FSS結(jié)構(gòu)，能夠在保持電磁結(jié)構(gòu)吸波特性的基 礎(chǔ)上，有效提高電磁結(jié)構(gòu)的透波特性。將本發(fā)明的FSS結(jié)構(gòu)應(yīng)用于窗口吸收體中，能夠改善 窗口吸收體的很多特性指標(biāo)，比如低頻吸波特性、曲面結(jié)構(gòu)特性、極化穩(wěn)定性等等。
【附圖說明】
[0020] 通過W下參照附圖而提供的【具體實(shí)施方式】部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加 容易理解，在附圖中：
[0021 ]圖1是頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0022] 圖2是嵌套分形結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0023] 圖3是單層窗口吸收體的示意圖；
[0024] 圖4是雙層窗口吸收體的示意圖；
[0025] 圖5是單層窗口吸收體的吸波衰減曲線；
[0026] 圖6是雙層窗口吸收體的透波率曲線；
[0027] 圖7是雙層窗口吸收體的反射率曲線；
[0028] 圖8是雙層窗口吸收體的吸波衰減曲線；
[0029] 1、第一介質(zhì)板;2、第一頻率選擇表面層;3、第二頻率選擇表面層;4、電阻層;5、第 二介質(zhì)板;201、貼片單元;2011、第一分形環(huán);2012、第二分形環(huán);2013、第Ξ分形環(huán);2014、第 四分形環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實(shí)施方式的描 述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。
[0031] 目前，在設(shè)計(jì)帶阻型FSS結(jié)構(gòu)時(shí)主要存在W下難題：如何減小結(jié)構(gòu)的厚度，如何在 保證良好吸波特性的基礎(chǔ)上提高透波率。本申請的發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，采用分形單元能 有效減小結(jié)構(gòu)的厚度，提高透波率。因此，本申請的發(fā)明人提出了一種基于分形單元的FSS 結(jié)構(gòu)，W及基于該FSS結(jié)構(gòu)的窗口收體。該基于分形單元的FSS結(jié)構(gòu)可有效減薄結(jié)構(gòu)的厚度， 在保持吸波特性的基礎(chǔ)上提高透波特性。而且，該基于分形單元的FSS結(jié)構(gòu)能覆蓋低頻吸波 頻段，具有良好的極化穩(wěn)定性。
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明實(shí)施例中的基 于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括:第一介質(zhì)板1、第一頻率選擇表面層2。
[0033] 第一介質(zhì)板1可選取泡沫或塑料等介質(zhì)材料制成。在具體實(shí)施時(shí)，第一介質(zhì)板1的 厚度、介電常數(shù)等參數(shù)可根據(jù)所需透波頻段的中屯、波長、透波帶寬等因素確定。較佳的，第 一介質(zhì)板1的介電常數(shù)ει滿足:1含ει含1.5,第一介質(zhì)板1的厚度設(shè)定為所需透波頻段的中屯、 波長的四分之一。比如，當(dāng)所需透波頻帶的中屯、頻率為lOGHz，則第一介質(zhì)板的厚度可設(shè)定 為7.5mm。第一頻率選擇表面層2位于第一介質(zhì)板1正面，其包括呈陣列分布的N個(gè)貼片單元 201。其中，N為大于等于1的整數(shù)。在具體實(shí)施時(shí)，貼片單元201的個(gè)數(shù)N、陣列分布方式可根 據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求進(jìn)行確定。比如，N可W取12,多個(gè)貼片單元可呈矩形陣列或Ξ角形陣列分 布。
[0034] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的貼片單元201的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖2可見，貼片單元201為 嵌套分形結(jié)構(gòu)，具體包括:第一分形環(huán)2011、第二分形環(huán)2012、第Ξ分形環(huán)2013、第四分形環(huán) 2014。其中，第一分形環(huán)2011為正Ξ角形環(huán)，并且在所述正Ξ角形環(huán)的每邊均設(shè)有向內(nèi)彎折 的型彎折部。第二至第四分形環(huán)位于第一分形環(huán)2011內(nèi)部，且Ξ者關(guān)于第一分形環(huán) 2011的中屯、呈120°旋轉(zhuǎn)對稱分布。第二至第四分形環(huán)具有相同結(jié)構(gòu)。下面我們W第二分形 環(huán)2012為例進(jìn)行說明。第二分形環(huán)2012為四邊形環(huán)，其包括第一至第四頂角。具體的，第一 至第四頂角依次為120°、90°、90°、60°，第二頂角日2、第Ξ頂角日3與第一頂角日1相鄰，第四頂 角口4與第一頂角αι相對。并且，在第四頂角日4的兩條邊上均設(shè)有向內(nèi)彎折的型彎折部。 所述四邊形環(huán)與第一分形環(huán)2011還滿足W下位置關(guān)系：第四頂角04的兩邊與第一分形環(huán) 2011的頂角的兩邊分別平行、第一頂角αι的兩邊與第一分形環(huán)2011的頂角的兩邊分別垂 直。需要說明的是，所述第一分形環(huán)的頂角是指第一分形環(huán)中的60°的角。
[0035] 在本發(fā)明實(shí)施例中，第二至第四分形環(huán)的周長均為第一分形環(huán)的周長的Ξ分之 一，貼片單元的厚度d滿足:0<d<lym。需要指出的是，在具體實(shí)施時(shí)，貼片單元201中的各 個(gè)尺寸參數(shù)，如第一分形環(huán)的周長、第二至第四分形環(huán)的周長、貼片單元的厚度、W及圖1所 示的第一分形環(huán)中的L1、L2、L3參量等，可根據(jù)吸波頻段的中屯、波長和吸波頻段的帶寬確 定。只要不影響本發(fā)明的實(shí)施，任何對貼片單元尺寸參數(shù)的修改都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0036] 較佳的，本發(fā)明實(shí)施例中的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)還包括第二頻率選擇表面層3。第二 頻率選擇表面層3位于第一介質(zhì)板1的背面，且其與第一頻率選擇表面層2具有相同結(jié)構(gòu)。需 要指出的，第二頻率選擇表面層中貼片單元的具體尺寸參數(shù)與第一頻率選擇表面層不同。 比如，在一個(gè)具體的實(shí)施例中，第一頻率選擇表面層的相關(guān)參數(shù)如下:第一分形環(huán)的周長為 61.728111111，第二分形環(huán)的周長為20.576111111，第一分形環(huán)中的1^為0.576111111，1^2為6.9111111，1^3為 3.1mm;第二頻率選擇表面層的相關(guān)參數(shù)如下:第一分形環(huán)的周長為84.507mm，第二分形環(huán) 的周長為28.169mm，第一分形環(huán)中的L1為0.569mm，L2為9.52mm，L3為4.28mm。本發(fā)明實(shí)施例 的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，通過分形單元的設(shè)計(jì)有效減薄了結(jié)構(gòu)的厚度，在保持吸波特性的基 礎(chǔ)上提高了透波率。而且，該結(jié)構(gòu)能覆蓋低頻吸波頻段，具有良好的極化穩(wěn)定性。
[0037] 本發(fā)明實(shí)施例中的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于窗口吸收體的設(shè)計(jì)中。圖3為基于 本發(fā)明實(shí)施例中的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的單層窗口吸收體，其包括依次層疊的電阻層 4、第二介質(zhì)板5、第一頻率選擇表面層2、第一介質(zhì)板1。其中，第二介質(zhì)板5的正面與電阻層4 相鄰，第二介質(zhì)板5的背面與第一頻率選擇表面層相鄰。在本發(fā)明實(shí)施例中的單層窗口吸收 體中，電阻層4為金屬板，并且所述金屬板的正面設(shè)有呈陣列分布的環(huán)形縫隙，所述金屬板 的背面與第二介質(zhì)板5的正面相鄰。第二介質(zhì)板5的介電常數(shù)、厚度等可根據(jù)所需透波頻段 的中屯、波長、透波帶寬等因素確定。較佳的，第二介質(zhì)板的介電常數(shù)E2滿足：1含E2含1.5,第 二介質(zhì)板5的厚度設(shè)定為所需透波頻段的中屯、波長的四分之一。比如，當(dāng)所需透波頻帶的中 屯、頻率為lOGHz，則第二介質(zhì)板的厚度為7.5mm。
[0038] 另外，基于本發(fā)明實(shí)施例中的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，發(fā)明人還設(shè)計(jì)了雙層窗口吸收 體。從圖4可見，與單層窗口吸收體相比，雙層窗口吸收體中還包括第二頻率選擇表面層3。 當(dāng)電磁波從左側(cè)入射時(shí)，首先遇到電阻層5,然后經(jīng)過第二介質(zhì)層4后進(jìn)入第一頻率選擇表 面層2。在此過程中，電磁波在第二介質(zhì)層中形成吸收，而且電磁波中的高頻分量、低頻分量 被第一頻率選擇表面層2反射。此后，電磁波繼續(xù)行進(jìn)，經(jīng)第一介質(zhì)層1后進(jìn)入第二頻率選擇 表面層3。在此過程中，電磁波在第一介質(zhì)層中形成吸收，并且電磁波中的高頻、低頻分量被 再次反射。最后，電磁波中的中頻分量從該結(jié)構(gòu)透射而出。
[0039] 為了詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例中的單層、雙層窗口吸收體的吸波、透波效果，下面W 一具體結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果為例進(jìn)行說明。圖5給出了單層窗口吸收體的吸波衰減曲線。從圖5 可見，該單層窗口吸收體對中屯、頻率為5.9G化和17.7G化的兩個(gè)頻段具有強(qiáng)吸收作用。圖6 給出了雙層窗口吸收體的透波率曲線。從圖6可見，該雙層窗口吸收體在10G化左右的頻段 實(shí)現(xiàn)了透波平臺(tái)，該透波平臺(tái)的平坦性較單層窗口吸收體有所提高，而且該結(jié)構(gòu)的透波率 達(dá)到了 -4地左右。圖7給出了雙層窗口吸收體的反射率曲線。從圖7可見，該雙層窗口吸收體 在2G化到14GHz的頻段內(nèi)的平均RCS縮減值達(dá)到了-10地左右。圖8給出了雙層窗口吸收體的 吸波衰減曲線。從圖8可見，該雙層窗口吸收體在6.2G化和13GHz左右形成了強(qiáng)吸收峰，而且 其吸波頻帶的帶寬較單層窗口吸收體提高很多，低頻吸波效果較單層窗口吸收體提高很 多。
[0040] 雖然參照示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限 于文中詳細(xì)描述和示出的【具體實(shí)施方式】，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可W對所述示例性實(shí)施方式做出各種改變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于分形單元的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)包括： 第一介質(zhì)板、第一頻率選擇表面層;第一頻率選擇表面層位于第一介質(zhì)板正面，其包括呈陣 列分布的N個(gè)貼片單元； 所述貼片單元為嵌套分形結(jié)構(gòu)，包括:第一分形環(huán)、第二至第四分形環(huán);第一分形環(huán)為 正三角形環(huán)，并且所述正三角形環(huán)的每邊均設(shè)有向內(nèi)彎折的"U"型彎折部； 第二至第四分形環(huán)位于第一分形環(huán)內(nèi)部，且關(guān)于所述正三角形環(huán)的中心呈120°旋轉(zhuǎn)對 稱分布;第二至第四分形環(huán)為四邊形環(huán);在所述四邊形環(huán)中：第一頂角為120°，第二、第三頂 角為與第一頂角相鄰的直角，第四頂角與第一頂角相對，在第四頂角的兩邊均設(shè)有向內(nèi)彎 折的"U"型彎折部，并且，第四頂角的兩邊與所述正三角形環(huán)的頂角的兩邊分別平行、第一 頂角的兩邊與所述正三角形環(huán)的頂角的兩邊分別垂直； 其中，N為大于等于1的整數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)還包 括:第二頻率選擇表面層； 第二頻率選擇表面層位于第一介質(zhì)板背面，且其與第一頻率選擇表面層具有相同結(jié) 構(gòu)。3. 如權(quán)利要求2所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一分形環(huán)的周長為&，第二至 第四分形環(huán)的周長均為(：2，且^2 β4. 如權(quán)利要求3所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述貼片單元的厚度d滿足： 0<d < Ιμπ?ο5. 如權(quán)利要求4所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一介質(zhì)板的介電常數(shù)ει滿足： 1 < εχ< 1.5。6. 如權(quán)利要求5所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一介質(zhì)板的厚度為7.5mm。7. -種窗口吸收體，包括依次層疊的電阻層、第二介質(zhì)板、帶阻頻選層，其特征在于，所 述帶阻頻選層為權(quán)利要求1-6中任一所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，并且，第二介質(zhì)板的正面與 所述電阻層相鄰，第二介質(zhì)板的背面與第一頻率選擇表面層相鄰。8. 如權(quán)利要求7所述的窗口吸收體，其特征在于，第二介質(zhì)板的介電常數(shù)ε2滿足：1<ε2 < 1.5〇9. 如權(quán)利要求8所述的窗口吸收體，其特征在于，第二介質(zhì)板的厚度為7.5mm。10. 如權(quán)利要求9所述的窗口吸收體，其特征在于，所述電阻層為金屬板； 所述金屬板的正面設(shè)有呈陣列分布的環(huán)形縫隙，所述金屬板的背面與第二介質(zhì)板的正 面相鄰。
【文檔編號】H01Q17/00GK105870638SQ201610200852
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】元旭津, 車永星
【申請人】北京環(huán)境特性研究所