本發(fā)明屬于電磁場(chǎng)與微波的，具體涉及一種c和x頻段的雙頻透波結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代通信和雷達(dá)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，信息化戰(zhàn)役成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)趨勢(shì)，有效控制電磁場(chǎng)及電磁波的多維度信息意味著掌握戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)。天線罩是天線系統(tǒng)的重要組成部分，它能保護(hù)天線免受外界環(huán)境干擾，提供全天候的工作環(huán)境。隨著電磁通訊技術(shù)的快速發(fā)展，天線罩技術(shù)不僅需要滿(mǎn)足電性能、耐環(huán)境、力學(xué)強(qiáng)度等基礎(chǔ)性能要求，還要求具有窗口透波性能要求，即在工作頻段內(nèi)透波，其余頻段強(qiáng)反射，避免雜波對(duì)天線的干擾。天線罩技術(shù)目前主要包括fss、極化選擇表面技術(shù)、阻抗加載技術(shù)等，而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外運(yùn)用最廣泛的是fss技術(shù)。美國(guó)的f-117戰(zhàn)斗機(jī)、f-22戰(zhàn)斗機(jī)、b-2轟炸機(jī)等飛行器均采用了fss技術(shù)方案，并進(jìn)入工程實(shí)用階段，展現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。

2、fss是指一種周期表面結(jié)構(gòu)，由完全相同的單元沿一維或而二維方向周期排列而組成的無(wú)限大陣列。在fss周期單元中，金屬貼片的形狀是引起的二次輻射場(chǎng)的主要來(lái)源。金屬表面帶負(fù)電荷的電子會(huì)隨著入射電場(chǎng)正負(fù)的交替產(chǎn)生振蕩，一部分入射波的能量會(huì)被金屬表面電子吸收維持電子振蕩；當(dāng)入射波頻率達(dá)到某一頻率時(shí)，入射波能量全部轉(zhuǎn)換為金屬表面電子的動(dòng)能，且表面電子引起的電場(chǎng)與向右入射電場(chǎng)方向相反，相互抵消，該頻率即為諧振頻率。根據(jù)上述分析，只要能通過(guò)一些方式改變結(jié)構(gòu)的散射場(chǎng)便可以引起結(jié)構(gòu)特性的改變，例如改變單元的形狀、單元尺寸大小、單元之間的間距、介質(zhì)襯底材料以及電磁波的入射角度等。在通常情況下，首先需要根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)單元的形狀進(jìn)行選擇，然后針對(duì)不同的工作頻段設(shè)計(jì)單元尺寸的大小。

3、傳統(tǒng)的天線罩往往只考慮單頻段的透波性能，而現(xiàn)在的新型雷達(dá)中，往往安裝有多個(gè)頻段的通信天線，因此其配套的天線罩應(yīng)在這兩個(gè)頻段內(nèi)保證良好的通帶特性。單一圖案的fss在工程使用中已不能很好地滿(mǎn)足各類(lèi)使用工況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于fss采取不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多種在不同頻段滿(mǎn)足透波/吸波要求，在多頻透波的設(shè)計(jì)上有一定的成果，實(shí)現(xiàn)了多種形式的雙頻透波；如申請(qǐng)?zhí)枮閏n201911393172，發(fā)明名稱(chēng)為一種復(fù)合窗口吸收體的吸波/透波裝置的專(zhuān)利，通過(guò)對(duì)各組件的結(jié)構(gòu)及它們的設(shè)置方式等進(jìn)行改進(jìn)，以構(gòu)建雙吸波層的方式，有效解決現(xiàn)有窗口吸波體難以同時(shí)兼顧帶外雙側(cè)雙頻帶寬帶吸波和帶內(nèi)寬帶透波問(wèn)題。但是目前現(xiàn)有技術(shù)大多采用2.5d或3d結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且在整體方案設(shè)計(jì)中多數(shù)引入電阻電容等器件，以及圖案復(fù)雜導(dǎo)致結(jié)構(gòu)精度提升，加劇了整體的制作工序的難度，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能保持存在較高的難度；此外大部分設(shè)計(jì)的窗口吸收體滿(mǎn)足良好透波和吸波的頻帶帶寬相對(duì)較窄，故如何實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)低損耗透波窗口吸收體仍然需要進(jìn)一步的探究。2d窗口吸收體相對(duì)3d窗口吸收體具有更為簡(jiǎn)單的平面構(gòu)型，尺寸厚度相對(duì)更小，工藝制備更簡(jiǎn)單，更易與實(shí)際的天線罩曲面結(jié)構(gòu)共形，使其具有更實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種c和x頻段的雙頻透波結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明雙頻透波結(jié)構(gòu)具有雙通帶特性，整體透波頻寬大，且?guī)?nèi)損耗較低，能夠有效解決現(xiàn)有雙頻透波結(jié)構(gòu)難以同時(shí)兼顧寬頻吸波和帶內(nèi)寬帶高透波率問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一方面，提供一種c和x頻段的雙頻透波結(jié)構(gòu)，所述雙頻透波結(jié)構(gòu)由水平面重復(fù)的基本單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成；

4、所述基本單元結(jié)構(gòu)由依次壓合的第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第一層基底結(jié)構(gòu)、第二層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第二層基底結(jié)構(gòu)、第三層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第三層基底結(jié)構(gòu)及第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)組成；

5、所述第一層基底結(jié)構(gòu)、第二層基底結(jié)構(gòu)和第三層基底結(jié)構(gòu)均為大小、厚度和材質(zhì)相同的正方形結(jié)構(gòu)；

6、所述第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第二層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第三層金屬圖案結(jié)構(gòu)及第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)的材質(zhì)和厚度相同；

7、所述第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)與第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)均由四個(gè)同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成；

8、所述第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)中的四個(gè)同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)均勻分布在第一層基底結(jié)構(gòu)上；

9、所述第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)中的四個(gè)同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)均勻分布在第三層基底結(jié)構(gòu)下；

10、所述第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)中四個(gè)同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心與第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)中四個(gè)同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心在垂直方向?qū)?yīng)重合；

11、每一同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)；所述外環(huán)的半徑大于內(nèi)環(huán)的半徑，外環(huán)與內(nèi)環(huán)間存在縫隙；所述外環(huán)和內(nèi)環(huán)均設(shè)有開(kāi)口且開(kāi)口方向相反，開(kāi)口縫隙大小相同；每一同心開(kāi)口雙環(huán)結(jié)構(gòu)的外環(huán)開(kāi)口方向一致，內(nèi)環(huán)開(kāi)口方向一致；

12、所述第二層金屬圖案結(jié)構(gòu)和第三層金屬圖案結(jié)構(gòu)均為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一層基底結(jié)構(gòu)、第二層基底結(jié)構(gòu)和第三層基底結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為fr4環(huán)氧玻璃布層壓板。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第二層金屬圖案結(jié)構(gòu)、第三層金屬圖案結(jié)構(gòu)及第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為金屬銅。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述雙頻透波結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控；

16、所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括基底結(jié)構(gòu)大小、基底結(jié)構(gòu)厚度、金屬圖案結(jié)構(gòu)厚度、外環(huán)外半徑、外環(huán)內(nèi)半徑、內(nèi)環(huán)外半徑、內(nèi)環(huán)內(nèi)半徑、圓環(huán)結(jié)構(gòu)外半徑、圓環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑及開(kāi)口縫隙大小。

17、另一方面，提供一種c和x頻段的雙頻透波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

18、s1、依據(jù)多頻fss的設(shè)計(jì)原理，以復(fù)合單元法與多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙頻透波結(jié)構(gòu)，選擇環(huán)形結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)透波的帶通主單元諧振結(jié)構(gòu)，選擇復(fù)合單元反缺口雙環(huán)作為雙頻段諧振結(jié)構(gòu)，得到能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定c和x頻段的雙頻透波結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)；

19、s2、在三維電磁場(chǎng)仿真軟件中按雙頻透波結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外進(jìn)行電磁模型建模，并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置得到雙頻透波結(jié)構(gòu)的仿真模型；

20、s3、根據(jù)目標(biāo)所使用的具體頻段和環(huán)境對(duì)雙頻透波結(jié)構(gòu)的仿真模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；

21、s4、根據(jù)雙頻透波結(jié)構(gòu)的仿真模型結(jié)構(gòu)及最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行加工制造，得到雙頻透波結(jié)構(gòu)。

22、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述帶通主單元諧振結(jié)構(gòu)包括第二層金屬圖案結(jié)構(gòu)和第三層金屬圖案結(jié)構(gòu)；所述雙頻段諧振結(jié)構(gòu)包括第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)和第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)。

23、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s2中，所述按雙頻透波結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外進(jìn)行電磁模型仿真，具體為：

24、首先創(chuàng)建第二層基底結(jié)構(gòu)；

25、然后依次向兩側(cè)創(chuàng)建第二層金屬圖案結(jié)構(gòu)和第三層金屬圖案結(jié)構(gòu)；

26、再依次向兩側(cè)創(chuàng)建第一層基底結(jié)構(gòu)和第三層基底結(jié)構(gòu)；

27、最后創(chuàng)建第一層金屬圖案結(jié)構(gòu)和第四層金屬圖案結(jié)構(gòu)；

28、層與層之間的距離為0；

29、所述參數(shù)包括基底結(jié)構(gòu)大小、基底結(jié)構(gòu)厚度、金屬圖案結(jié)構(gòu)厚度、外環(huán)外半徑、外環(huán)內(nèi)半徑、內(nèi)環(huán)外半徑、內(nèi)環(huán)內(nèi)半徑、圓環(huán)結(jié)構(gòu)外半徑、圓環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑及開(kāi)口縫隙大小。

30、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述三維電磁場(chǎng)仿真軟件包括cst軟件、ansys軟件及feko軟件。

31、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

32、1.本發(fā)明采用二維平面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，無(wú)引入電子元器件，基本單元整體結(jié)構(gòu)無(wú)3d立體分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工制造難度低，成本低。

33、2.本發(fā)明具有雙通帶特性，整體透波頻寬大，且?guī)?nèi)損耗較低，能夠有效解決現(xiàn)有雙頻透波結(jié)構(gòu)難以同時(shí)兼顧寬頻吸波和帶內(nèi)寬帶高透波率問(wèn)題。

34、3.本發(fā)明的雙頻透波結(jié)構(gòu)可以根據(jù)使用使用環(huán)境進(jìn)行外形結(jié)構(gòu)適應(yīng)設(shè)計(jì)，選擇不同結(jié)構(gòu)參數(shù)可以使本發(fā)明適用于不同頻段的使用場(chǎng)景，為需要雙頻段透波且對(duì)透波率要求較高的天線、雷達(dá)等系統(tǒng)提供了研究基礎(chǔ)。