频率选择表面窗口吸收体高选择性与带宽拓展技术研究

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随着雷达探测技术的发展和电磁环境的复杂化,使得天线罩隐身成为急需最难解决的隐身问题。频率选择表面微波隐身结构由于其对电磁波频率的选择特性而应用于隐身领域,可达到薄厚度、轻质量、宽频带、强吸收结构的实际效果,以提高武器系统的作战和生存能力。传统的雷达隐身天线罩采用带通型频率选择表面共形至曲面天线罩结构上,在带内实现透波功能,在带外将探测信号反射至非威胁方向,从而实现低可探测性能。但对于双站雷达或组网雷达反隐身探测技术的出现,上述结构已不能适应复杂的电磁环境。一种具有带内传输,带外吸波性能的窗口吸收体(Rasorber)结构可应用于隐身天线罩设计中,用于缩减天线系统的雷达散射截面。因此,本研究旨在分析设计频率选择表面隐身天线罩,通过等效电路模型的构建,研究了窗口吸收体的吸波及透波机理,讨论了窗口吸收体结构的快速设计方法,针对高选择性、小型化和宽带吸收透射问题优化设计了多款频率选择表面窗口吸收体结构。首先,研究了窗口吸收体的改进型低剖面带通滤波器的高选择性设计方法。通过改进CLC型带通滤波器结构,采用LC串联结构代替电容C结构,引入高频串联谐振,在透波频点右侧形成传输零点,达到减小过渡带宽的效果。由此设计了一款通带位于7.9-9.0 GHz的高选择性窗口吸收体结构,其中带内插入损耗小于1 d B,-10 d B吸收带宽覆盖低频3.3-7.1 GHz和高频9.4-12.0 GHz,在低频和高频的相对过渡带宽分别为9.24%和3.89%。其次,针对频率选择表面窗口吸收体的小型化问题进行了深入地研究分析,提出了采用双面图案排布的损耗层结构,借助上下层金属平板形成层间平板,进而实现大数值等效电容,达到了与损耗层图案等效电感在更低频率串联谐振的效果。与此同时,采用螺旋阻塞门设计来拓宽透波窗口的频带。进一步设计了一款通带位于7.4-9.9 GHz的小型化窗口吸收体结构,其中带内插入损耗小于1 d B,-10 d B吸波带宽覆盖低频1.3-4.3 GHz。该结构相对于最大工作波长尺寸(对应于最低工作频率)大小为0.026,可在任意角度斜入射下避免栅瓣出现在所关注频段。此外,该结构可在TE和TM极化下30度斜入射内保持性能稳定。最后,针对频率选择表面窗口吸收体的透波和吸波带宽问题进行了研究分析,提出了采用四功能层设计思路替换传统的双功能层设计。四功能层包含两个损耗层和两个无损耗层,顶层损耗层在高频的吸收特性和中间损耗层在低频的吸收特性可使整体结构吸收性能独立调节,四层结构在中间频段的传输性能可使整体结构产生较好的透波效果,从而达到宽带吸收及透射一体的复合窗口吸收体结构。相应地设计了一款通带位于7.8-11.0 GHz的宽带窗口吸收体结构,其中带内插入损耗低于1 d B,实现了低频覆盖1.8-6.6 GHz和高频覆盖13.3-18.2 GHz的-10 dB吸波带宽。
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