專利名稱：基于頻率選擇表面單元的反射板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及頻率選擇表面單元的反射板，以及天線雷達(dá)截面減縮技術(shù)，可用于移動通信、無線局域網(wǎng)、室內(nèi)屏蔽和安全防護(hù)等。
背景技術(shù)：
雷達(dá)截面是一個復(fù)雜的物理量，它是表征目標(biāo)可識別特性的一個最基本的參數(shù)，是目標(biāo)在入射波照射下在給定方向或者來波方向上返回散射功率的一種量度。減縮雷達(dá)截面就是要控制和降低目標(biāo)的雷達(dá)散射特性，降低敵方電子探測系統(tǒng)的效力，從而提高己方作戰(zhàn)工具的突防能力和生存能力。在當(dāng)前復(fù)雜的電磁環(huán)境下，如何降低目標(biāo)的雷達(dá)截面，減縮結(jié)果能夠達(dá)到什么程度，對現(xiàn)代化電子戰(zhàn)爭的勝敗起著舉足輕重的作用。在天線的應(yīng)用中，有時需要天線進(jìn)行全向輻射，而在其它情況下又需要天線進(jìn)行·定向輻射，為了使天線在這種兩種情況下都能得到應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員通常采用不同形狀反射板的方法來實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射。金屬平面反射板對電磁波的反射特性使得天線的輻射方向得到了控制，增益得到了提高，但是對于外來電磁波而言，金屬平板也是重要的散射源，極大地提高了天線雷達(dá)截面的量級。頻率選擇表面是一種二維的周期陣列結(jié)構(gòu)，具有空間濾波作用，可用來實(shí)現(xiàn)天線雷達(dá)截面減縮，緩解上述矛盾?，F(xiàn)有的如圖I所示的十字形頻率選擇表面結(jié)構(gòu)單元，這種結(jié)構(gòu)單元的尺寸相對較大，頻率穩(wěn)定性差，無法滿足某些小天線安裝的要求，使得頻率選擇表面在天線雷達(dá)截面減縮方面的應(yīng)用受到很大程度上的限制，同時無法實(shí)現(xiàn)多角度雷達(dá)截面減縮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于頻率選擇表面單元的反射板，以解決現(xiàn)有的頻率選擇表面單元尺寸相對較大，無法應(yīng)用在較小尺寸的天線，無法實(shí)現(xiàn)多角度天線雷達(dá)截面減縮的問題。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的I、技術(shù)原理本發(fā)明根據(jù)植物葉片的互生葉序結(jié)構(gòu)對頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)單元做仿生處理，不但避免了相同臂上枝節(jié)之間的耦合，而且在有限空間內(nèi)最大限度的增加了有效臂長。根據(jù)上述的思想，得到了仿生頻率選擇表面，其提高了空間利用率，減小了單元面積，將其應(yīng)用于反射板后，可應(yīng)用在尺寸較小的天線上，并實(shí)現(xiàn)多角度減縮天線雷達(dá)散射截面。2、基于頻率選擇表面單元的反射板的結(jié)構(gòu)根據(jù)上述原理，本發(fā)明的包括α個頻率選擇表面單元和基板，Z ^ 4, Z個頻率選擇表面單元呈矩形陣列均勻分布在基板表面，其特征在于頻率選擇表面單元，由四個貼片組成，每個貼片包括長方形主干和η個圓弧枝節(jié)，η個圓弧枝節(jié)交替排列在長方形主干的兩側(cè)，0〈η ( 5 ；
所述的四個貼片以單個貼片左下角為中心，分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，形成四個貼片的交錯分布結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選,所述的η個圓弧枝節(jié),其寬度w均相同,且w ( wt,其中Wt為長方形主干的寬度。作為優(yōu)選,所述的η個圓弧枝節(jié),其內(nèi)半徑由內(nèi)至外分別為W1, W2,…，Wi,…，wn,(Kwi ( W1,且滿足W1 ( W2 (…(Wi (…(Wn,其中Wi為第i個圓弧枝節(jié)的半徑,W1為長方形主干的長度，Ι^ ^η,η為圓弧枝節(jié)的總個數(shù)。作為優(yōu)選，所述的η個圓弧枝節(jié)，其所覆蓋的角度，由內(nèi)至外分別為Q1, θ2，…，Qi，…，θη，0〈θ4 90°，且滿足Q1S θ2彡…(θ^... ( θη，其中01為第1個圓弧枝節(jié)覆蓋的角度，Ι^ ^η,η為圓弧枝節(jié)的總個數(shù)。作為優(yōu)選，所述的Z個頻率選擇表面單元呈矩形陣列，是指Z個頻率選擇單元在基板上分布為a行，b列，其中a < b ;相鄰頻率選擇表面單元之間的距離為L，0〈L ( wn,其中 wn為第η個圓弧枝節(jié)的半徑。作為優(yōu)選，所述的貼片上的長方形主干的參數(shù)取值范圍為O. Imm ^ wt ^ O. 5mm, 3mm ^ W1 ^ 7mm,其中wt為長方形主干的寬度,W1為長方形主干的長度。本發(fā)明由于在頻率選擇表面單元內(nèi)采用圓弧枝節(jié)，在相同面積下延長了結(jié)構(gòu)單元的總長度，提高了空間利用率；同時由于兩側(cè)交替分布圓弧枝節(jié)的貼片是對稱的，并且采用矩形排布方式，使得基于頻率選擇表面單元的反射板具有良好的角度穩(wěn)定性。理論計(jì)算和實(shí)測結(jié)果表明，將本發(fā)明能有效降低天線雷達(dá)截面，同時不影響天線輻射性能；在相同條件下，本發(fā)明比現(xiàn)有反射板尺寸小，可應(yīng)用于尺寸較小的天線；能夠抑制多個角度的雷達(dá)截面峰值，實(shí)現(xiàn)多角度天線雷達(dá)截面減縮。


圖I是現(xiàn)有的十字形頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的貼片結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的頻率選擇表面單元與現(xiàn)有的十字形頻率選擇表面單元的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果對比圖；圖6是本發(fā)明在平面波從不同角度入射時傳輸系數(shù)仿真結(jié)果圖；圖7是天線加載本發(fā)明后回波損耗的測試仿真結(jié)果；圖8是天線加載本發(fā)明后XOZ面歸一化輻射方向圖的測試結(jié)果；圖9是天線加載本發(fā)明后yoz面歸一化輻射方向圖的測試結(jié)果；圖10是天線加載本發(fā)明與加載現(xiàn)有金屬反射板后在不同入射角度時的雷達(dá)截面對比圖。
具體實(shí)施例方式參照圖2,本發(fā)明為基于頻率選擇表面單元的反射板,包括Z個頻率選擇表面單元I和基板2，Z > 4。將基板2的表面按矩形均勻劃分，矩形網(wǎng)格中心即為頻率選擇表面單元I的中心，Z個頻率選擇單元I按照a行b列排列的矩形形狀均勻分布在矩形基板2上，其中a彡b ;相鄰頻率選擇表面單元之間的距離為L，0〈L ( wn,其中Wn為第η個圓弧枝節(jié)的半徑?；?的材料為介電常數(shù)為4. 4的FR4材料。參照圖3和圖4，本發(fā)明的頻率選擇表面單元1，由四個貼片11組成，每個貼片11包括長方形主干111和η個圓弧枝節(jié)112，0〈η ( 5，其中η個圓弧枝節(jié)112交替排列在長方形主干111的兩側(cè)。這四個貼片以任意一個左下角為中心分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，形成四個貼片的交錯分布結(jié)構(gòu)。每個貼片11的η個圓弧枝節(jié)112的寬度w相同，η個圓弧枝節(jié)的內(nèi)半徑由內(nèi)至外分別為WpW2, ···, Wi,…，Wn,(Kwi ( W1,且滿足W1 ( W2 (…(Wi彡…(Wn,其中Wi為第i個圓弧枝節(jié)的半徑,W1為長方形主干(111)的長度，I ^ i η, η為圓弧枝節(jié)的總個數(shù)；η個圓弧枝節(jié)，其所覆蓋的角度，由內(nèi)至外分別為Q1, θ2，…，0。···，θη，(KeiSgcr，且滿足Q1S θ2 ^ ( Oi ^ ( θη，其中Qi為第i個圓 弧枝節(jié)覆蓋的角度，η為圓弧枝節(jié)的總個數(shù)。貼片上的長方形主干的參數(shù)取值范圍為O. Imm ^ wt ^ O. 5mm, 3mm ^ W1 ^ 7mm,其中wt為長方形主干的寬度,W1為長方形主干的長度。實(shí)施例I:由240個頻率選擇表面單元組成的諧振頻率為3. 8GHz的反射板頻率選擇表面反射板的基板選擇長為264mm,寬為IlOmm,厚度為I. 6mm,介電常數(shù)為4. 4的FR4介質(zhì)板。貼片的長方形主干的長…=‘ 5mm,寬wt=0. 25mm,長方形主干上交替分布著三個圓弧枝節(jié)，圓弧枝節(jié)的寬w=0. 2mm,三個圓弧枝節(jié)的半徑由內(nèi)至外分別為Wi=2· 28mm、w2=3. 39mm、w3=4. 5mm,覆蓋角度分別為 Q1= θ 2 = θ3 = 80。。在264mmX IlOmm矩形基板表面上依照邊長為Ilmm的正方形均勻劃分網(wǎng)格,正方形形網(wǎng)格中心即為頻率選擇表面單元的中心，240個頻率選擇表面單元按照10行24列排列的矩形形狀均勻分布在基板表面上，相鄰頻率選擇表面單元之間的距離L=2mm。實(shí)施例2:由120個頻率選擇表面單元組成的諧振頻率為3. 9GHz的反射板頻率選擇表面反射板的基板選擇長為264mm,寬為65mm,厚度為I. 6mm,介電常數(shù)為4. 4的FR4介質(zhì)板。貼片的長方形主干的長W1=I 4mm,寬wt=0. 25mm,長方形主干上交替分布著兩個圓弧枝節(jié)，圓弧枝節(jié)的寬w=0. 19mm,兩個圓弧枝節(jié)的半徑由內(nèi)至外分別為^=3. 39mm、w2=4.6mm，覆蓋角度分別為 Θ i = 75°，Θ 2 = 80°。在264mmX 65mm矩形基板表面上依照邊長為Ilmm,寬為13mm的矩形均勻劃分網(wǎng)格，矩形網(wǎng)格中心即為頻率選擇表面單元的中心，120個頻率選擇表面單元按照5行24列排列的矩形形狀均勻分布在矩形基板表面上，相鄰頻率選擇表面單元之間的距離L=L 8mm。實(shí)施例3:由100個頻率選擇表面單元組成的諧振頻率為4GHz的反射板頻率選擇表面反射板的基板選擇長為120mm,寬為120mm,厚度為I. 6mm,介電常數(shù)為4. 4的FR4介質(zhì)板。貼片的長方形主干的長W1=I 3mm,寬wt=0. 24mm,長方形主干上交替分布著兩個圓弧枝節(jié)，圓弧枝節(jié)的寬w=0. 2mm,兩個圓弧枝節(jié)的半徑由內(nèi)至外分別為Wi=3· 37mm、w2=4. 5mm，覆蓋角度分別為 Θ i = 75°，Θ 2 = 80°。
在120mmX 120mm正方形形基板表面上依照邊長為12mm的正方形均勻劃分網(wǎng)格，正方形網(wǎng)格中心即為頻率選擇表面單元的中心，100個頻率選擇表面單元按照10行10列排列的矩形形狀均勻分布在矩形基板表面上，相鄰頻率選擇表面單元之間的距離L=L 9mm。下面通過對實(shí)施例I的仿真和測量來進(jìn)一步說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)仿真I、本發(fā)明的頻率選擇表面單元與已有的十字形頻率選擇表面單元尺寸對比對與本發(fā)明頻率選擇表面單元面積相同的已有十字形頻率選擇表面單元進(jìn)行了仿真，并將其傳輸系數(shù)與本發(fā)明的傳輸系數(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖5所示。從圖5可見，十字形頻率選擇表面單元的頻率諧振在10. 4GHz，而本發(fā)明頻率選擇表面單元的頻率諧振在3. 9GHz。由于頻率越低，尺寸越大，由此可以得到，在相同頻率的條 件下，本發(fā)明具有尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。仿真2、對本發(fā)明的角度穩(wěn)定性進(jìn)行的仿真當(dāng)平面波以0°，30°，45°和60 °入射時，本發(fā)明的傳輸系數(shù)如圖6所示。由圖6可知，本發(fā)明頻率選擇表面單元的諧振頻率基本穩(wěn)定在3. 9GHz，工作頻帶為
3.76GHz^3. 98GHz,由此可以看出本發(fā)明具有穩(wěn)定的諧振頻率和頻率選擇性。仿真3、天線加載本發(fā)明后的輻射和散射性能(3. I)天線加載本發(fā)明后的輻射仿真與測試結(jié)果天線加載本發(fā)明后在3. 7^4. 2GHz內(nèi)的回波損耗如圖7所示，從圖7中可以看出天線的回波損耗曲線擬合良好。天線加載本發(fā)明后的xoz面和yoz面方向圖特性分別如圖8和圖9所示,從圖8和圖9可以看出，天線加載本發(fā)明后的輻射方向圖特性良好。(3. 2)天線加載本發(fā)明和現(xiàn)有金屬反射板后的雷達(dá)截面測試結(jié)果對比天線加載本發(fā)明與加載現(xiàn)有金屬反射板后在不同入射角度時的雷達(dá)截面對比圖如圖10所示，其中圖10 (a)為平面波水平入射時的雷達(dá)截面對比圖，圖10 (b)為平面波以30°入射時的雷達(dá)截面對比圖。由圖10可見,在2. 6-4. 2GHz的天線工作頻帶內(nèi)，為保證天線福射性能,天線加載本發(fā)明后的雷達(dá)截面值和加載現(xiàn)有反射板的雷達(dá)截面值相近，雷達(dá)截面減縮不明顯。而在I 2. 6GHz和4. 2 8GHz天線工作頻帶外,天線加載本發(fā)明后的雷達(dá)截面值比加載現(xiàn)有反射板的雷達(dá)截面有不同程度上的減縮。以上僅為本發(fā)明天線的三個實(shí)例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，可以對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而得到本發(fā)明天線的可應(yīng)用于較小天線、多角度RCS減縮的特性，但這些均在本發(fā)明的保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種基于頻率選擇表面單元的反射板，包括Z個頻率選擇表面單元(I)和基板(2)，Z ^ 4, Z個頻率選擇表面單元(I)呈矩形陣列均勻分布在基板(2)的表面，其特征在于 每個頻率選擇表面單元(I )，由四個貼片組成，每個貼片(11)包括長方形主干(111)和η個圓弧枝節(jié)(112),η個圓弧枝節(jié)(112)交替排列在長方形主干(111)的兩側(cè),O < n ^ 5 ； 所述的四個貼片以單個貼片(11)左下角為中心，分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，形成四個貼片的交錯分布結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于頻率選擇表面單元的反射板，其特征在于所述的η個圓弧枝節(jié)(112)，其寬度w均相同，且w < wt，其中Wt為長方形主干(111)的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于頻率選擇表面單元的反射板，其特征在于所述的η個圓弧枝節(jié)(112),其內(nèi)半徑由內(nèi)至外分別為W1, W2, ... ,Wi,…，wn, (Kwi ( W1,且滿足W1 ( W2 (…(Wi彡…彡Wn,其中Wi為第i個圓弧枝節(jié)的半徑,W1為長方形主干(111)的長度，I彡i彡η,η為圓弧枝節(jié)的總個數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于頻率選擇表面單元的反射板，其特征在于所述的η個圓弧枝節(jié)(112)，其所覆蓋的角度，由內(nèi)至外分別為G1, θ2，…，Θ”···，，且滿足Q1S θ2<... < QiS... < θη，其中Qi為第i個圓弧枝節(jié)覆蓋的角度，l<i <η，η為圓弧枝節(jié)的總個數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于頻率選擇表面單元的反射板，其特征在于Z個頻率選擇表面單元(I)呈矩形陣列，是指Z個頻率選擇單元(I)在基板上分布為a行，b列，其中a^b ;相鄰頻率選擇表面單元之間的距離為L，0〈L ( wn,其中Wn為第η個圓弧枝節(jié)的半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于頻率選擇表面單元的反射板，其特征在于貼片(11)上的長方形主干(111)的參數(shù)取值范圍為O. Imm ^ wt ^ lmm, 3mm ^ W1 ^ 7mm,其中wt為長方形主干(111)的寬度，W1為長方形主干(111)的長度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于頻率選擇表面單元的反射板，主要用于解決現(xiàn)有的反射板尺寸相對較大，無法應(yīng)用在較小尺寸的天線，無法實(shí)現(xiàn)多角度天線雷達(dá)截面減縮的問題。本發(fā)明包括Z個頻率選擇表面單元(1)和基板(2)，Z≥4，Z個頻率選擇表面單元呈矩形陣列均勻分布在基板的表面，每個頻率選擇表面單元，由四個貼片組成，每個貼片(11)包括長方形主干(111)和n個圓弧枝節(jié)(112)，n個圓弧枝節(jié)交替排列在長方形主干的兩側(cè)；四個貼片以單個貼片左下角為中心，分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，形成四個貼片的交錯分布結(jié)構(gòu)。本發(fā)明延長了頻率選擇表面單元的電尺寸，充分利用了空間，降低了諧振頻率，可應(yīng)用在尺寸較小的天線上，并實(shí)現(xiàn)多角度減縮天線雷達(dá)散射截面。
文檔編號H01Q15/14GK102904063SQ20121039161
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者姜文, 洪濤, 李成凱, 于松濤, 龔書喜, 劉 英, 張揚(yáng), 鄧兆彬 申請人:西安電子科技大學(xué)