[发明专利]一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法，能够在各个斜入射角度实现结构等效阻抗与空气阻抗匹配，从而实现了从0°到80°斜入射角度范围内均保持稳定的传输响应。本发明提出的频率选择表面包括介质板、位于介质板上表面的谐振结构、位于介质板下表面的馈电结构和连通介质板上下表面的金属通孔。本发明根据空气阻抗确定结构的等效阻抗满足的条件，求出μ_t和ε_t需满足的条件；设计位于介质板上表面的谐振结构的参数；将正方形金属贴片分成两个等大的长方形金属贴片，并在其中间嵌入变容二极管，在介质底部添加馈电线路，通过金属通孔连接至上层的变容二极管两侧，并沿着与上层平行金属线垂直的方向分布。

技术领域

本发明属于频率选择表面设计的技术领域，具体涉及一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法。

背景技术

频率选择表面(FSSs)已经研究了几十年，并广泛应用于各种各样的应用，如亚反射器、极化器、带通天线罩等。机载天线罩作为FSS的重要应用之一，是将其置于机载雷达系统前端，以保护微波器件免受外界环境的破坏。在这种情况下，FSS天线罩被设计为对天线工作频带内需要的信号进行无耗传输，而对工作频带外的电磁波进行反射。同时，为了保证系统的辐射性能，FSS雷达罩在电磁波以超宽斜入射角入射时的稳定透波性能就显得尤为重要。

飞机通常以超音速飞行，因此为了减小飞机在高速飞行状态下带来的音爆效应，它的头锥通常设计为一个尖形。在实际应用中，发射和接收的电磁波通常会穿过位于飞机机头处FSS雷达罩到达外部环境或内部的阵列天线。由于尖锥形的机头形状，电磁波在穿过FSS雷达罩时，入射角度通常从0°连续变化到75°甚至可以高达85°。因此，为了保持在飞行器的天线对超宽角度范围的发射和接收电磁波均保持优异的辐射性能，需要对FSS天线罩的角稳定性进行进一步研究。

近年来，人们对提高FSS在大角度斜入射时保持稳定传输性能的方法做了大量研究，目前主要分为两种解决方案：

1、对FSS进行小型化设计，这种方法可以在保证结构在电长度保持不变的前提下显著的减小结构的物理尺寸，这使得结构的频率响应中的光栅波瓣在更高的频率中出现，从而减小了栅瓣对传输频段的影响，显著提高了FSS的角稳定性。目前最常用的小型化方法主要是通过采用对谐振结构进行折叠交叉的方法来减小FSS单元尺寸，使得结构的角度稳定性可以提高到60°。

2、设计具有三维结构的FSS是实现角稳定性能的另一种解决方案，其本质是三维结构牺牲了结构整体的厚度来创造更大的空间来实现FSS单元的小型化设计。目前一些研究者们在研究中，采用多目标懒惰蚁群优化技术，提出了一种三维带阻型FSS，其可在0°～72°入射角下保持稳定的滤波性能。这种3-D结构是高性能FSS设计的好候选者，尽管它的角稳定性能是在牺牲整体结构的厚度来实现的。

上述方法所涉及的实现FSS在大角度入射时的稳定性本质上均是利用小型化设计避免大角度入射时的频率栅瓣在工作频带内出现，从而影响结构的角度响应性能。栅瓣的出现对应的最低频率可以表示为

可以看出，随着斜入射角度增加，栅瓣出现的频率越来越低，当斜入射角度达到接近90°时，栅瓣出现的最低频率达到了垂直入射时最低栅瓣频率的一半。可以看出，利用小型化设计对结构角度稳定性的提高是有限的，在超大角度斜入射时系统的传输性能仍然会受到极大的影响。

因此，目前亟需一种能够在大入射角度下，维持传输频率稳定性的方法，以此提高系统的传输性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法，能够在0°～80°范围内实现传输频率稳定及低传输损耗设计，并且通过在频率选择表面的设计中添加变容二极管，使得频率选择表面的工作频带可以根据需求实时调整。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：