本發(fā)明屬于微波技術(shù)與飛行器隱身技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償方法，應(yīng)用于滿足飛行器隱身性能要求的頻率選擇表面天線罩設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

頻率選擇表面天線罩是滿足飛行器電磁隱身性能要求的一類電磁窗口，具備對(duì)己方制導(dǎo)電磁波“高透射”，對(duì)敵方探測(cè)電磁波“高反射”的電磁濾波特性。通常，為滿足雷達(dá)天線大角度掃描探測(cè)需求，頻率選擇表面天線罩的濾波特性需要在0～70°掃描范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。表現(xiàn)為：諧振頻率f₀保持穩(wěn)定、頻帶的帶寬基本保持不變。其中，諧振頻率的穩(wěn)定性可以通過(guò)減小頻率選擇表面單元的電長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。而頻帶帶寬相對(duì)入射角度的穩(wěn)定度尚未有較為可行的工程化解決方案。因此，研究頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償方法，提高帶寬的入射角度穩(wěn)定性，是頻率選擇表面天線罩設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，圍繞頻率選擇表面天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究，并取得了一定的研究成果。Munk,Benedikt A的美國(guó)專利“Space Filter”,公開號(hào)4125841中，發(fā)明了一種由雙層頻率選擇表面陣列級(jí)聯(lián)構(gòu)成的空間濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)不同入射角和極化方向具有恒定帶寬和諧振頻率，可用于充當(dāng)頻率選擇表面天線罩。針對(duì)頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償問(wèn)題，美國(guó)Munk教授提出了一種低介電常數(shù)外部介質(zhì)層加載方法，“B.Munk,Frequency Selective Surfaces:Theory and Design.New York,NY,USA:Wiley,2000.”。該方法從理論上給出了頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償?shù)慕鉀Q思路，但受制于介質(zhì)層機(jī)械強(qiáng)度、介電常數(shù)難以實(shí)現(xiàn)等因素，該方法無(wú)法滿足頻率選擇表面天線罩的工程化設(shè)計(jì)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中缺少頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償?shù)墓こ袒鉀Q方案的問(wèn)題，發(fā)明一種頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償方法，采用在頻率選擇表面陣列外側(cè)加載帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的方案，進(jìn)行頻率選擇表面天線罩的帶寬補(bǔ)償。帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層采用由兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)。方法有效地解決了頻率選擇表面天線罩帶寬隨入射角變化而畸變的問(wèn)題，彌補(bǔ)了現(xiàn)有帶寬補(bǔ)償方法無(wú)法工程應(yīng)用的缺點(diǎn)與不足，是具備工程可實(shí)現(xiàn)性的頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償方法，為頻率選擇天線罩帶寬補(bǔ)償提供了可行的工程化解決方案。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種頻率選擇表面天線罩帶寬補(bǔ)償方法，該方法先組建頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)，再給定頻帶的諧振頻率和最大入射角度，由最大入射角度確定帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)，由帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)和頻帶的諧振頻率確定介質(zhì)層合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層采用由兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)；其中，靠近頻率選擇表面陣列的介質(zhì)層，選取低介電常數(shù)的介質(zhì)材料；遠(yuǎn)離頻率選擇表面陣列的介質(zhì)層，選取高介電常數(shù)的介質(zhì)材料；方法的具體步驟如下：

步驟一、組建頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)；

將芯層介質(zhì)3安裝在第一層頻率選擇表面陣列1和第二層頻率選擇表面陣列2之間，構(gòu)成雙層頻率選擇表面陣列級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)；第一層頻率選擇表面陣列1和二層頻率選擇表面陣列2均由十字環(huán)形孔徑單元構(gòu)成，十字環(huán)形孔徑單元按照二維周期性排布；低介電常數(shù)介質(zhì)層4安裝在第一層頻率選擇表面陣列1和第二層頻率選擇表面陣列2外層，高介電常數(shù)介質(zhì)層5安裝在低介電常數(shù)介質(zhì)層4外側(cè)，構(gòu)成層合結(jié)構(gòu)帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層；雙層頻率選擇表面陣列級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和層合結(jié)構(gòu)帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層，構(gòu)成頻率選擇表面天線罩罩壁結(jié)構(gòu)；該頻率選擇表面天線罩的帶寬隨入射角的變化基本保持穩(wěn)定，具有較好的帶寬穩(wěn)定性；

步驟二、給定頻帶的諧振頻率和最大入射角度；依據(jù)實(shí)際工程需要，給定設(shè)計(jì)的頻率選擇表面天線罩的諧振頻率f₀和最大入射角度θ_max；

步驟三、由最大入射角度確定帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)；

依據(jù)最大入射角度θ_max，確定帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)ε_eff，通過(guò)公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

ε_eff＝1+cos(θ_max) (1)

步驟四、由帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)和頻帶的諧振頻率，確定構(gòu)成介質(zhì)層合結(jié)構(gòu)的兩種介質(zhì)材料的介電常數(shù)，兩種介質(zhì)材料的介電常數(shù)滿足如下約束條件：

ε₂＜ε_eff＜ε₁ (2)

其中，ε₁為遠(yuǎn)離頻率選擇表面陣列的介質(zhì)層的介電常數(shù)，ε₂為靠近頻率選擇表面陣列的介質(zhì)層的介電常數(shù)；

確定構(gòu)成介質(zhì)層合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)介質(zhì)層的幾何厚度，通過(guò)如下公式計(jì)算：

$h_1+h_2=k\·\frac{c}{f_0\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1\·h_1+{\mathrm{\ϵ}}_2\·h_2}{h_1+h_2}={\mathrm{\ϵ}}_{eff}---\left(4\right)$

其中，c為真空中的光速值，h₁為遠(yuǎn)離頻率選擇表面陣列的介質(zhì)層的幾何厚度，h₂為靠近頻率選擇表面陣列的介質(zhì)層的幾何厚度，k為常數(shù)，取值范圍為0.25≤k≤0.35。

本發(fā)明的有益效果是補(bǔ)償方法有效地解決了頻率選擇表面天線罩帶寬隨入射角變化而畸變的問(wèn)題，彌補(bǔ)了現(xiàn)有帶寬補(bǔ)償方法無(wú)法工程應(yīng)用的缺點(diǎn)與不足，為頻率選擇天線罩帶寬補(bǔ)償提供了可行的工程化解決方案，可用于頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明確定帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層結(jié)構(gòu)參數(shù)的流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1-第一層頻率選擇表面陣列，2-第二層頻率選擇表面陣列，3-芯層介質(zhì)，4-低介電常數(shù)介質(zhì)層，5-高介電常數(shù)介質(zhì)層。

圖3十字環(huán)形孔徑單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，p-頻率選擇表面單元排列周期，w-十字形孔隙的縫隙寬度，L-十字形金屬單元的臂長(zhǎng)，s-十字形金屬單元的線寬。

圖4是TE極化波激勵(lì)下不同入射角度下的頻率響應(yīng)特性曲線。

圖5是TM極化波激勵(lì)下不同入射角度下的頻率響應(yīng)特性曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步具體說(shuō)明。

本發(fā)明從等效介電常數(shù)概念出發(fā)，利用兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料，按照逐層層合的布放原則，構(gòu)建層合結(jié)構(gòu)帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層。在頻率選擇表面陣列外側(cè)布放低介電常數(shù)介質(zhì)材料，并在低介電常數(shù)介質(zhì)材料外側(cè)，布放高介電常數(shù)介質(zhì)材料，完成帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層設(shè)計(jì)。將本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層應(yīng)用于頻率選擇表面陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具備高帶寬穩(wěn)定性的頻率選擇表面天線罩罩壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1是本發(fā)明確定帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層結(jié)構(gòu)參數(shù)的流程圖。方法的具體步驟如下：

步驟一、組建頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)；

將芯層介質(zhì)3安裝在第一層頻率選擇表面陣列1和第二層頻率選擇表面陣列2之間，構(gòu)成雙層頻率選擇表面陣列級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。第一層頻率選擇表面陣列1和二層頻率選擇表面陣列2均由十字環(huán)形孔徑單元構(gòu)成，十字環(huán)形孔徑單元按照二維周期性排布。本實(shí)施例中，低介電常數(shù)介質(zhì)層4安裝在第一層頻率選擇表面陣列1和第二層頻率選擇表面陣列2外層，高介電常數(shù)介質(zhì)層5安裝在低介電常數(shù)介質(zhì)層4外側(cè)，構(gòu)成層合結(jié)構(gòu)帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層。雙層頻率選擇表面陣列級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和層合結(jié)構(gòu)帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層，構(gòu)成頻率選擇表面天線罩罩壁結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該頻率選擇表面天線罩的帶寬隨入射角的變化基本保持穩(wěn)定，具有較好的帶寬穩(wěn)定性。

步驟二、給定諧振頻率f₀和最大入射角度θ_max。

本實(shí)施例中，取最大入射角度θ_max＝70°，諧振頻率f₀＝10GHz。

步驟三、由諧振頻率和最大入射角度θ_max確定帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)ε_eff。

本實(shí)施例中，取最大入射角度θ_max＝70°，帶入公式(1)，求得帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)為ε_eff＝1.342。

步驟四、由帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的等效介電常數(shù)ε_eff和頻帶的諧振頻率f₀確定介質(zhì)層合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本實(shí)施例中，滿足約束(2)，選取構(gòu)成帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層的兩種介質(zhì)材料的介電常數(shù)為ε₁＝3.2，ε₂＝1.1。其中，ε₁＝3.2的介質(zhì)材料，用于構(gòu)建遠(yuǎn)離頻率選擇表面的介質(zhì)層；ε₂＝1.1的介質(zhì)材料，用于構(gòu)建靠近頻率選擇表面的介質(zhì)層。取k＝0.25，帶入公式(3)、(4)，求解方程組，算得的介質(zhì)層幾何厚度分別為h₁＝0.63mm，h₂＝5.95mm。

頻率選擇表面陣列間的芯層介質(zhì)3選用介電常數(shù)為ε＝2.5的介質(zhì)材料，幾何厚度為h＝4.7mm。如圖3所示，構(gòu)成第一層頻率選擇表面陣列1和第二層頻率選擇表面陣列2的十字環(huán)形孔徑單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：p＝8mm，L＝3.4mm，w＝0.6mm，s＝0.2mm。

對(duì)實(shí)施例中的頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析：

仿真1：TE極化波激勵(lì)下，入射角度分別為0°、30°、60°、70°的頻率響應(yīng)曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，設(shè)計(jì)的頻率選擇表面天線罩具有穩(wěn)定的諧振頻率和-3dB帶寬。當(dāng)入射角度增加到70°時(shí)，諧振頻率保持10GHz不變，-3dB帶由1GHz變?yōu)?.85GHz，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

仿真2：TM極化波激勵(lì)下，入射角度分別為0°、30°、60°、70°的頻率響應(yīng)曲線，如圖5所示。由圖4可以看出，設(shè)計(jì)的頻率選擇表面天線罩具有穩(wěn)定的諧振頻率和-3dB帶寬。當(dāng)入射角度增加到70°時(shí)，諧振頻率為10.2GHz，諧振頻率偏移2％，-3dB帶由1GHz變?yōu)?.13GHz，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

本實(shí)施例中，將本發(fā)明設(shè)計(jì)的層合結(jié)構(gòu)帶寬補(bǔ)償介質(zhì)層應(yīng)用于雙層頻率選擇表面陣列級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，形成頻率選擇表面天線罩罩壁結(jié)構(gòu)。該頻率選擇表面天線罩的帶寬隨入射角變化保持穩(wěn)定，畸變程度較低，滿足頻率選擇表面天線罩的工程應(yīng)用需求。