专利名称：一种具有双频带特性的十字螺旋fss结构及其构建方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于雷达系统和通信系统的十字螺旋频率选择表面结构(以下简称十字螺旋FSS结构)，尤其涉及一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法，该十字螺旋FSS结构可以减小天线雷达散射截面，设计多馈源多频复用的抛物面天线。 它属于微波频段天线工程技术领域。
背景技术：
现代战争，很大程度取决于电子侦察技术，于是反侦察技术迫在眉睫。降低武器系统雷达反射截面(RCS)作为反侦察的重要手段受到重视。而天线的RCS对飞机或导弹的整体RCS贡献很大，如何设计一种天线罩，能有效的降低天线的RCS，这是隐身技术的研究方向之一。由于卫星距离地球遥远，电磁波空间传输损耗大，因此卫星通信中常使用具有高增益的抛物面天线。如何使同一部抛物面天线实现多馈源，多频段同时工作，有效提高卫星上的空间利用率，这也是天线工程中急需解决的难题之一。因此如何减小天线雷达散射截面和设计多馈源多频复用的抛物面天线是天线工程中遇到的两个主要问题。将频率选择表面结构(FSS结构)用来设计天线罩降低天线系统的雷达散射截面， 可以实现雷达隐身的目的。当平面波入射时，工作频段内的信号以最低的插入损耗透过天线罩进入本地天线，保证了本地天线的正常工作，而带外的电磁信号将被完全反射到远离来波的方向，阻止了其进入天线罩以至于在天线上产生感应电流而向外产生较大的散射， 实现了雷达隐身的功能，同时也因为屏蔽掉了工作波段以外的有害电磁波而提高了抗干扰的能力。将频率选择表面用作抛物面天线的副反射面，提高天线的利用效率。FSS用于抛物面天线的副反射面，可将副反射面做成双曲面，双曲面的虚焦点与抛物面焦点重合，将不同频率的馈源分置于双曲面的虚实焦点，实现双频复用。这样有效的提高了抛物面的利用效率，从而降低天线系统的重量，体积和费用。FSS结构的主要性能是频率选择特性，对于激励源的入射方向及极化的敏感程度以及带宽的稳定性。传统的单层平面FSS结构选择特性一般，对于平面波不同角度入射性能不稳定。为了提高选择特性，多层平面级联是最常采用的方法，但这样又导致制造成本高昂，而且结构比较复杂无法进行快速有效的设计。因此本发明设计了一种新型的中心连接复合频率选择表面新单元即十字螺旋FSS结构，它实现了多频带特性和相对入射波的角度稳定性。
发明内容
1、发明目的本发明的目的是提供一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法，它实现了多频带特性。该十字螺旋FSS结构与传统的单层平面FSS结构相比，克服了其平面波不同角度入射性能不稳定性的缺点并且能够实现双频的宽通带特性，它既可以用作反射也可以用作传输，在天线通信系统和雷达系统中具有广泛的应用前景。本发明中十字螺旋
4FSS结构的角度稳定性，也为双频带FSS的设计提供了有用的参考。2、技术方案(1)见
图1，本发明一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构，它由上、下两层介质层和中间的十字螺旋FSS结构层构成，它们之间的位置连接关系见图2 其中1和2为介质层，在上、下两面层，中间层3是十字螺旋FSS结构层。其中，该1和2介质层为两个厚度均为0.5毫米介电常数为3.0的介质材料。十字螺旋FSS结构层为金属表面。十字螺旋FSS 结构金属层为周期结构，将组成十字螺旋FSS结构层的结构单元向X、Y方向周期延拓后得到一个6X6的完整十字螺旋FSS结构层，如图3所示。十字螺旋FSS结构层的结构单元由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个尺寸相对缩小一半的小尺寸十字螺旋结构组成，而大、 小十字螺旋结构由十字形臂和十字形末端的S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移后得到，如图4所示。将十字螺旋FSS结构层结构单元的大、小尺寸的十字螺旋结构终端设计为S形，可以使结构耦合紧密，十字螺旋FSS结构层中使用两种同构但尺寸大小相异的十字螺旋结构使产生的通带具有双频带特性，如图5所示。(2)本发明一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构的构建方法，该方法具体步骤如下步骤一使用仿真软件CST建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层的结构单元， 该十字螺旋FSS结构层的结构单元由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个与其同形状结构的小尺寸十字螺旋结构组成(见图4)。该大、小十字螺旋结构由十字形臂和十字形末端的 S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移后得到；步骤二 将步骤一得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元，使用仿真软件CST的建模工具建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层(见图幻。具体操作方法是将步骤一得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元向X、Y方向周期延拓后得到一个6X6的完整十字螺旋 FSS结构层(见图6)。步骤三利用仿真软件CST建立十字螺旋FSS结构的介质层，将十字螺旋FSS结构层嵌入到介质的基片中。首先用软件作图工具画出一个长方体模型作为介质层，介质层下表面和十字螺旋FSS结构层的上表面重合，介质层材料选择介电常数ε^ = 3.0的介质。再作一个同样尺寸的长方体模型作为介质层，使介质层的上表面与十字螺旋FSS结构层的下表面重合。介质层材料同样选择介电常数％ = 3. 0的介质(见图2)。步骤四在仿真软件CST软件中截取十字螺旋FSS结构的一个单元进行入射波透射率分析，根据实际的工程应用中对平坦通带带宽范围的要求，调整十字螺旋FSS结构单元的参量改变阻带的谐振频率，将调整好的十字螺旋FSS结构替代原来的该结构。假设一平面波入射在如图2所示的十字螺旋FSS结构上(模型中间是理想金属层，位于XZ平面内，金属层上周期分布着贴片单元结构，X方向和Z方向的单元间距分别表示为Dx和Dz ；两侧是介质层。)，该入射波的传播方向可以表示为S = xsx+ysy+zsz0波通过十字螺旋FSS结构透射侧的电磁场分布为
权利要求
1.一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构，其特征在于它由上、下两层介质层和中间的十字螺旋FSS结构层构成，上、下两层介质层为厚度均为0. 5毫米、介电常数为3. 0的介质材料，中间的十字螺旋FSS结构层为金属表面；十字螺旋FSS结构层的结构单元由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个尺寸相对缩小一半的小尺寸十字螺旋结构组成，而大、小十字螺旋结构由十字形臂和十字形末端的S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移后得到；该十字螺旋FSS结构金属层为周期结构，将组成十字螺旋FSS结构层的结构单元向X、Y方向周期延拓后得到一个6X6的完整十字螺旋FSS结构层；十字螺旋FSS结构层结构单元的大、小尺寸的十字螺旋结构的终端设计为S形，可以使结构耦合紧密，十字螺旋FSS结构层中使用两种同构但尺寸大小相异的十字螺旋结构使产生的通带具有双频带特性。
2.一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构的构建方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一使用仿真软件CST建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层的结构单元，该十字螺旋FSS结构层的结构单元由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个与其同形状结构的小尺寸十字螺旋结构组成；该大、小十字螺旋结构由十字形臂和十字形末端的S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移后得到；步骤二 将步骤一得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元，使用仿真软件CST的建模工具建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层；具体操作方法是将步骤一得到的十字螺旋FSS 结构层的结构单元向X、Y方向周期延拓后得到一个6X6的完整十字螺旋FSS结构层；步骤三利用仿真软件CST建立十字螺旋FSS结构的介质层，将十字螺旋FSS结构层嵌入到介质的基片中；首先用软件作图工具画出一个长方体模型作为介质层，介质层下表面和十字螺旋FSS结构层的上表面重合，介质层材料选择介电常数、=3. 0的介质；再作一个同样尺寸的长方体模型作为介质层，使介质层的上表面与十字螺旋FSS结构层的下表面重合，介质层材料同样选择介电常数％ = 3. 0的介质；步骤四在仿真软件CST软件中截取十字螺旋FSS结构的一个单元进行入射波透射率分析，根据实际的工程应用中对平坦通带带宽范围的要求，调整十字螺旋FSS结构单元的参量改变阻带的谐振频率，将调整好的十字螺旋FSS结构替代原来的该结构；设一平面波入射在十字螺旋FSS结构上，该结构中间是理想金属层，位于XZ平面内，金属层上周期分布着贴片单元结构，χ方向和ζ方向的单元间距分别表示为Dx和Dz ；两侧是介质层，该入射波的传播方向可以表示为
全文摘要
一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法，该结构由上、下介质层和中间的十字螺旋FSS结构层构成；该构建方法有六大步骤一、用CST软件建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层的结构单元；二、将该结构单元向X、Y方向周期延拓得到一个6×6的完整十字螺旋FSS结构层；三、用CST软件建立十字螺旋FSS结构的介质层并将十字螺旋FSS结构层嵌入到介质的基片中；四、在CST软件中截取一个十字螺旋FSS结构单元进行入射波透射率分析，调整该结构单元的参量改变阻带的谐振频率，并将调整好的该结构单元替代原有的结构；五、根据已建好的十字螺旋FSS结构，设置其边界等参数，测试该结构的带宽稳定性和频率选择性；六根据步骤四确定的最优尺寸，采用双面覆铜板加工制作十字螺旋FSS结构。
文档编号H01Q15/00GK102176543SQ20101060181
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者姜英杰, 王涛, 车明明, 阎照文, 韩雅静 申请人:北京航空航天大学