一种混合吸收漫散射的雷达天线罩

摘要

本发明揭示一种混合吸收漫散射的雷达天线罩，包括上层的电阻吸收层以及底层的频率选择表面与超表面集成层，其中电阻吸收层由介质基底和设置在介质基底上、下表面的若干个呈矩形周期排布的金属单元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个沿对角方向的折叠型金属条，位于介质基底下表面的金属单元包含一个沿与上表面的金属单元方向正交的沿对角方向的折叠型金属条；频率选择表面与超表面集成层由介质基底和在介质基底上、中、下三层的成矩形周期排布的金属单元组成。本发明在实现雷达天线罩的带外低RCS特性的同时，保证透射通带具有宽带宽与低插损的性能，这种结构能在不影响天线工作带内的传输效率的同时减小带外RCS。

权利要求

1.一种混合吸收漫散射的雷达天线罩，其特征在于，包括上层的电阻吸收层以及底层的频率选择表面与超表面集成层，其中电阻吸收层由介质基底和设置在介质基底上、下表面的若干个呈矩形周期排布的金属单元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个沿对角方向的折叠型金属条，该金属条中心处焊接有贴片电阻；位于介质基底下表面的金属单元包含一个沿与上表面的金属单元方向正交的沿对角方向的折叠型金属条，该折叠型金属条中心处焊接有贴片电阻；频率选择表面与超表面集成层由介质基底和在介质基底上、中、下三层的成矩形周期排布的金属单元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个六边形状的金属贴片，所述六边形是由在正方形两个对角顶点分别切除等腰直角三角形获得；所述位于介质基底中层的金属单元包括一个在与介质基底单元大小相同的金属片上切除正方条形槽结构；所述位于介质基底下层的金属单元由一个正方形金属片组成。

2.如权利要求1所述的雷达天线罩，其特征在于，所述的介质基底采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013的Rogers RO3003材料。

3.如权利要求1所述的雷达天线罩，其特征在于，对于透射频带为X波段的频率选择表面，由相距距离为10mm的吸收层和频率选择表面与极化旋转超表面集成层组成,位于吸收层的介质基底厚度为0.5mm，周期为22.5mm，金属条宽度为0.5mm，金属条的总长度为

65.0mm，每根金属条包含18个折叠齿，每个折叠齿的长度与宽度均为1.0mm。

4.如权利要求1所述的雷达天线罩，其特征在于，所述的频率选择表面与超表面集成层的上、中、下三层中间包夹的两层介质基底厚度均为2.4mm，周期为7.5mm，介质基底上层金属片的正方形边长为5.0mm，所切除的等腰直角三角形的斜边长度为4.8mm，介质基底中层正方形金属槽边长为4.95mm，宽度为0.2mm，介质基底下层正方形金属片的边长为5.0mm。

5.如权利要求1所述的雷达天线罩，其特征在于，所述的折叠型金属条的总长度为

65.0mm。

说明书

一种混合吸收漫散射的雷达天线罩

技术领域

[0001] 本发明属于雷达与无线通信的技术领域，具体涉及一种具有混合吸收漫散射特性的低雷达散射截面积的雷达天线罩。

背景技术

[0002] 在过去的数十年中，频率选择表面作为对空间电磁波传输的一种滤波器，广泛应用于雷达与通信系统等应用，然而传统的频率选择表面在传输通带外对入射电磁波的强烈
反射极大的增加了系统的雷达截面积(Radar Cross Section，RCS)，为了提高通信系统的
安全以及隐身性能，需要设计一种在传输通带外具有低反射性的频率选择表面作为雷达的
天线罩，以此减小天线辐射带外的雷达截面积，对于军事、航天等领域具有重大意义，具有
宽带特性的低雷达散射截面积天线罩的设计仍然存在很大的挑战性。

[0003] 过去十几年里，有人提出了利用了损耗阵列与传统的二维频率选择表面相距四分之一波长的组合方式实现吸收‑透射‑吸收特性，其透射特性是由传统的频率选择表面构
造，而带外吸收特性是利用在通带外视为金属反射面的频率选择表面和损耗阵列共同作用
产生，例如中国专利申请号2015105472041提出了一种高寄生通带抑制四分之一模基片集
成波导频率选择表面，这种方法在实现带外低RCS特性的同时也面临着通带带宽窄以及插
损高的不足，并且损耗层的电阻产生的无法预测的寄生参数也会影响天线的吸收性能。

[0004] 另外，有人提出了利用极化旋转超表面和人工磁导体表面来实现RCS性能，这种结构虽然能在较宽的带宽实现低RCS性能，但是目前已知的结构仍然缺少频率选择特性，即这
类结构还无法同时实现透射与漫散射性能相结合，例如中国专利申请号2018102817833揭
示了一种抑制寄生通带的全极化柔性频率选择表面结构及天线罩。

[0005] 中国专利申请号2019108306658公开了一种具有吸收‑反射‑吸收特性的频率选择表面，该专利利用设置在介质基底上表面的若干个呈矩形周期排布的金属单元，包含四个
相同的带缺口的矩形金属条，进一步将矩形金属条旋转不同的角度实现频率选择表面。该
专利的技术方案仍然没有实现吸收‑透射‑漫散射特性的雷达天线罩。

[0006] 因此，需要设计一种新的结构作为雷达天线罩，在实现雷达天线罩的带外低RCS特性的同时，保证透射通带具有宽带宽与低插损的性能，这种结构能在不影响天线工作带内
的传输效率的同时减小带外RCS。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种具有吸收‑透射‑漫散射特性的频率选择表面，作为雷达天线罩在降低天线RCS的同时保证天线的辐射性能。

[0008] 实现本发明的技术方案如下：

[0009] 一种混合吸收漫散射的雷达天线罩，包括上层的电阻吸收层以及底层的频率选择表面与超表面集成层，其中电阻吸收层由介质基底和设置在介质基底上、下表面的若干个
呈矩形周期排布的金属单元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个沿对角方
向的折叠型金属条，该金属条中心处焊接有贴片电阻，位于介质基底下表面的金属单元包
含一个沿与上表面的金属单元方向正交的沿对角方向的折叠型金属条，所述折叠型金属条
中心处焊接有贴片电阻；频率选择表面与超表面集成层由介质基底和在介质基底上、中、下
三层的成矩形周期排布的金属单元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个六
边形状的金属贴片，所述六边形是由在正方形两个对角顶点分别切除等腰直角三角形获
得；所述位于介质基底中层的金属单元包括一个在与介质基底单元大小相同的金属片上切
除正方条形槽结构；所述位于介质基底下层的金属单元由一个正方形金属片组成。

[0010] 进一步的，所述的金属是铜。

[0011] 进一步的，所述的介质基底采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013的Rogers RO3003材料。

[0012] 进一步的，所述的折叠型金属条中心处焊接有贴片电阻。

[0013] 进一步的，所述的位于介质基底上表面的金属单元包含六边形状的金属贴片，所述六边形是由在正方形两个对角顶点分别切除等腰直角三角形获得。

[0014] 进一步的，对于透射频带为X波段的频率选择表面，由相距距离为10mm的吸收层和频率选择表面与极化旋转超表面集成层组成,位于吸收层的介质基底厚度为0.5mm，周期为
22.5mm，金属条宽度为0.5mm，金属条的总长度为65.0mm，每根金属条包含18个折叠齿，每个
折叠齿的长度与宽度均为1.0mm。

[0015] 进一步的，所述的频率选择表面与超表面集成层的上、中、下三层中间包夹的两层介质基底厚度均为2.4mm，周期为7.5mm，介质基底上层金属片的正方形边长为5.0mm，所切
除的等腰直角三角形的斜边长度为4.8mm，介质基底中层正方形金属槽边长为4.95mm，宽度
为0.2mm，介质基底下层正方形金属片的边长为5.0mm。

[0016] 进一步的，所述的折叠型金属条的总长度为65.0mm。

[0017] 进一步的，所述的雷达天线罩在7GHz‑13GHz频段具有透射性能，在2GHz‑6.5GHz和13.5GHz‑18GHz两个频段均具有较低的RCS。

[0018] 进一步的，所述的吸收层和集成层的距离为10mm。

[0019] 采用本发明的具有吸收‑透射‑漫散射特性的频率选择表面的雷达天线罩，具有如下优点：

[0020] 1、本发明与现有技术相比，其显著优点为：所述结构利用电阻吸收与超表面漫反射结合的方法，在不影响中心频率透射性能的前提下，实现了宽带低RCS与宽带透射特性结
合的吸收‑透射‑漫散射特性的雷达天线罩，且其各个频带的带宽都很好的满足应用条件。

[0021] 2、本发明的厚度最小可以达到0.114倍波长，利用频率选择表面与超表面相结合的方式在不影响透射与漫散射频带的情况下极大地减小了结构的厚度，具有良好的市场推
广和行业应用前景。

附图说明

[0022] 图1a：本发明低频吸收频带工作原理图。

[0023] 图1b：本发明中频透射频带工作原理图。

[0024] 图1c：本发明高频漫散射频带的工作原理示意图。

[0025] 图2a：本发明的吸收层结构透视图。

[0026] 图2b：本发明的上层结构透视图。

[0027] 图2c：本发明的底层结构透视图。

[0028] 图3a：本发明的频率选择表面与极化旋转超表面集成层透视图。

[0029] 图3b：本发明频率选择表面与极化旋转超表面集成层的上层金属层示意图。

[0030] 图3c：本发明频率选择表面与极化旋转超表面集成层的中间金属层示意图。

[0031] 图3d：本发明频率选择表面与极化旋转超表面集成层的底层金属层示意图。

[0032] 图4a：本发明的镜像单元的0单元结构示意图。

[0033] 图4b：本发明的镜像单元的1单元结构示意图。

[0034] 图4c：本发明的镜像单元的单元分布图。

[0035] 图5a：本发明最佳实施例的传输频率响应图。

[0036] 图5b：本发明最佳实施例的RCS特性结果图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0038] 请参考图1a为本发明低频吸收频带工作原理图，图1b本发明中频透射频带工作原理图，图1c本发明高频漫散射频带的工作原理示意图，其工作原理为：在低频段，位于底层
的集成层将入射波完全反射回来，从而可以视为金属反射面与上层的吸收层进行组合，将
入射波的能量在低频段谐振时被吸收层的电阻通过热效应耗散；在中频的透射频段，吸收
层和集成层对入射波的传输影响可以忽略不计，从而实现电磁波的透射性能；在高频段，电
磁波可以无耗损通过吸收层，在电磁波入射到集成层时，集成层上表面的各向异性金属单
元设计使得电磁波的极化方向旋转90°并且完全反射，进一步利用集成层的相邻镜像单元
互为反相的特性以及相位相消原理，使得电磁波向其他方向漫散射，从而减小入射方向的
反射波的能量。

[0039] 请参考图2a为吸收层结构透视图，图2b为上层结构透视图及图2c为底层结构透视图，其中p＝22.5mm，t＝0.5mm，l1＝1.5mm，l2＝1mm，l3＝0.5mm，l4＝4mm，w＝0.5mm。本发明
的频率选择表面包括上层的电阻吸收层10以及底层的频率选择表面与超表面集成层20，其
中电阻吸收层由介质基底和设置在介质基底上、下表面的若干个呈矩形周期排布的金属单
元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个沿对角方向的折叠型金属条，该金
属条中心处焊接有贴片电阻30；位于介质基底下表面的金属单元包含一个沿与上表面的金
属单元方向正交的沿对角方向的折叠型金属条40，所述折叠型金属条40中心处焊接有贴片
电阻30；本发明的频率选择表面与超表面集成层由介质基底和在介质基底上、中、下三层的
成矩形周期排布的金属单元组成，其中位于介质基底上表面的金属单元包含一个六边形状
的金属贴片50，所述六边形是由在正方形两个对角顶点分别切除等腰直角三角形获得；所
述位于介质基底中层的金属单元包括一个在与介质基底单元大小相同的金属片上切除正
方条形槽结构60；所述位于介质基底下层的金属单元由一个正方形金属片70组成，上述的
金属尤其是铜，介质基底采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013的Rogers RO3003材料。

[0040] 本发明的具备吸收‑透射‑漫散射特性的雷达天线罩的吸收工作频带主要由金属条的谐振频率决定，其谐振频率通过以下公式计算得到：

[0041]

[0042] 其中c为真空中的光速，εeff为有效介电常数，可以看出，在其他参数不变的情况下，金属条长度l增加会导致工作频带向低频移动，与此同时，为了消除吸收层在高频透射
和漫散射频段产生的栅瓣，金属条的形状被设计为折叠型结构以减小单元的周期实现小型
化设计，从而消除栅瓣。需要注意的是，在初始设计中，先用等周期的金属板作为反射面来
实现最佳吸收性能，在后期设计中，利用频率选择表面在低频段的全反射性能，可用频率选
择表面来替代等周期的金属板。

[0043] 透射频带内存在三个传输极点：最左边的传输极点位置主要由介质基底中间层正方条形金属槽的周长决定；中间和右边的两个极点是由介质基底上、下层的正方形金属片
的边长决定，通过改变两个金属片的距离(即介质基底的厚度)可以调整它们之间的耦合强
度，从而改变两个极点的位置。

[0044] 漫散射带是在频率选择结构的基础上实现的，通过将位于介质基底上层的正方形金属片两个对角顶点位置分别切除等腰直角三角形形状的结构，从而实现了将超表面与频
率选择表面集成在同一结构中而不附加额外的结构，所产生的具有各向异性结构特性的结
构在高频段产生了一个极化旋转反射带而不影响中间频段的透射性能，进一步地，利用互
为镜像的极化旋转单元(0/1单元)的反相特性以及相位相消原理，通过合理的设置0/1单元
的分布位置，实现了将反射波能量向其他方向散射，从而降低了在入射方向反射波RCS值。

[0045] 请参考图3a本发明的频率选择表面与极化旋转超表面集成层透视图，图3b本发明频率选择表面与极化旋转超表面集成层的上层金属层示意；图3c本发明频率选择表面与极
化旋转超表面集成层的中间金属层示意图，图3d本发明频率选择表面与极化旋转超表面集
成层的底层金属层示意图，Pb＝7.5mm，t2＝2.4mm，lp＝5.0mm，ls＝4.95mm,，w1＝0.5mm，w2
＝2.27mm，ΔS＝4.8mm，其中ΔS为斜边长度。

[0046] 对于透射频带为X波段的频率选择表面，由相距距离为10mm的吸收层和频率选择表面与极化旋转超表面集成层组成,位于吸收层的介质基底厚度为0.5mm，周期为22.5mm，
金属条宽度为0.5mm，金属条的总长度为65.0mm，每根金属条包含18个折叠齿，每个折叠齿
的长度与宽度均为1.0mm。频率选择表面与超表面集成层的三个金属层中间包夹的两层介
质基底厚度均为2.4mm，周期为7.5mm，介质基底上层金属片的正方形边长为5.0mm，所切除
的等腰直角三角形的斜边长度为4.8mm，介质基底中层正方形金属槽边长为4.95mm，宽度为
0.2mm。介质基底下层正方形金属片的边长为5.0mm。

[0047] 图4a为本发明的镜像单元的0单元结构示意图，图4b本发明的镜像单元的1单元结构示意图，；图4c为本发明的镜像单元的单元分布图。

[0048] 图5a为本发明最佳实施例的传输频率响应图，图5b为本发明最佳实施例的RCS特性结果图。

[0049] 本发明提供了一个适用于工作在7GHz‑13GHz频段具有透射性能，而在2GHz‑6.5GHz和13.5GHz‑18GHz两个频段均具有低RCS特效的雷达天线罩的最佳实施例，其设计过
程具体包括以下步骤：

[0050] 步骤一，首先确定该吸收层的工作频带，其工作频带是由折叠型金属条的长度决定，在其他参数恒定不变的情况下，随着金属条长度的增加，整体工作频带向低频移动。在
本发明的最佳实施例中，为了降低吸收层结构在高频段产生的栅瓣对高频段的影响，采用
将金属条进行折叠的方式减小单元的周期，从而消除栅瓣对透射与漫散射频段的影响，将
所设计的包含18个折叠齿的金属条的总长度l设定为65.0mm，使得低频吸收频带工作在
2GHz‑6GHz频段范围内，吸收层的结构如图2a所示，在初始设计中先用等周期的金属板作为
反射面来实现最佳吸收性能。

[0051] 步骤二，接着设计集成层具有透射性能的频率选择表面结构，该结构是由三层金属层中间通过两层介质基底分隔，由于所设计的透射频段带宽较宽，因此需要构造三个传
输极点来实现宽带设计，位于中间层的正方条形金属槽的周长4*ls为位于通带内左边的传
输极点的频率所对应的波长；位于上、下两层相同尺寸的正方形金属片决定了通带内中间
和右边两个传输极点的中心频率，而利用介质基底的厚度将两个金属片分离导致的耦合效
应，会使中心频率分化为中间和右边两个传输极点，两个极点的位置通过调整介质基底厚
度进而改变耦合强度来调整，其中心频率对应的半波长由正方形金属片的边长决定。

[0052] 步骤三，接下来在步骤二设计的频率选择表面基础上进行高频转极化反射频带的设计，将位于介质基底上方的金属条的两个对角顶点位置上各切除一个等腰直角三角形形
状的金属片，来实现结构的各向互异性设计，如图3a至图3d所示，所切除的等腰直角三角形
的斜边长度ΔS决定转极化反射频段的中心频率的位置以及转极化反射电磁波的幅度，并
且对初始设计的透射频段影响可以忽略，将所述的集成层放置于吸收层下方来替代步骤一
中的等周期金属板，并调整吸收层和集成层的距离h来实现吸收频段的最佳性能，考虑到两
层之间的距离也会造成吸收频带与透射和转极化反射频段的相互影响，故将距离h设置为
10mm，从而兼具吸收频段的最佳吸收性能与降低各个频段的相互影响。

[0053] 步骤四，最后利用相位相消原理以及转极化结构固有的互为镜像单元结构(0/1单元)的幅度一致相位相反的特性，对单元结构进行合理的排布设置，从而实现了底层的中间
透射频段与高频漫散射频段的集成设计，该结构镜像单元及其总结构的0/1单元最佳分布
图如图4a至图4c所示。

[0054] 采用本发明实施例提供的具有吸收‑透射‑漫散射特性的雷达天线罩，其天线性能如下：

[0055] 在2.2‑6GHz频段，入射波能量被电阻热效应消耗掉，吸收率高于90％，沿入射方向的RCS缩减超过10dB。

[0056] 在6.92‑13.02GHz频段，入射波可以无耗传输，3dB传输相对带宽达到了61.2％。进一步的，由于电磁波在此频段可以无耗传输而几乎无反射波存在，因此该频段的RCS缩减大
于10dB。

[0057] 在13.62‑18GHz，入射波的能量被所述的雷达天线罩漫散射掉，沿入射方向的RCS缩减超过10dB。

[0058] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
保护范围之内。