超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩及设计方法

本发明属于隐身技术与天线罩，具体为一种超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩及其设计方法。

背景技术：

1、在现有雷达、传统通讯领域中，电磁收发设备对屏蔽干扰信号、在目标频段内通讯的需求日益增加。现有文献中，已有大量学者开展了基于频率选择表面结构实现单一或多频段电磁屏蔽的研究，均通过单元周期性性排布构成导电网络来实现电磁屏蔽等功能。

2、现有技术1“一种宽频宽角频率选择表面天线罩”(申请号：cn201911119979.3)提出了多层电介质层结构，并采用频率选择表面构成雪夫阻抗变换器，形成较稳定的谐振响应，实现了宽角度电磁波扫描和高效透波功能。

3、现有技术2“一种金属蜂窝腔体夹层结构的频率选择表面”(申请号：cn202410244941.3)对具有通带低损耗特性的金属网栅频率选择表面(fss)进行了说明，与通常采用树脂介质板作衬底的fss相比，所设计的由涂覆金属薄膜和金属及其复合材料组成的蜂窝腔体fss，其内部为空气介质，在减轻整体重量的同时，能够实现通带低损耗、承重优异的性能。此外，上下两层蒙皮结构的缝隙单元刻蚀在靠近蜂窝单元边界的位置，有效增强了斜入射的稳定性。

4、现有技术3“一种基于宽阻带低频多层频率选择表面的天线罩”(申请号：cn201911368830.9)采用上叉指和下叉指结构，所设计的三层导电层通过相互耦合谐振，多个谐振形成宽带谐振，有效增强耦合电容的同时，降低了结构的谐振频率，延展了工作阻带带宽。

5、由于，已公开的天线罩根据种类的不同，各自有其局限性，现有技术存在电磁屏蔽性能交叉和接收效率较低，无法同时兼具抗撞击、质轻、易曲面共形的性能的问题。因此，迫切需要多功能共形天线罩设计的新方法。

技术实现思路

1、本发明公开了一种超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法包括以下步骤：

2、步骤1，根据天线罩的工作环境以及结构需具备防护等需求设计天线罩；

3、所述天线罩包括介质层和金属层，所述介质层为半球面结构，所述金属层设置在所述介质层内侧，所述金属层包括多个天线罩单元；

4、步骤2，利用频率选择原理，设计集成超低频阻带和高频通带功能的天线罩单元；

5、步骤3，将金属层的网栅结构在曲面表面进行非常规投影，得到蜂窝网栅排布图案，并通过x向和y向全部金属条带构建金属层的天线罩单元；

6、步骤4，分别计算金属层x向和y向全部金属条带参数。

7、更进一步地，在步骤1中，所述天线罩为半球面结构，包括介质层和金属层；

8、所述介质层包括三层介质，从上到下依次是第一层、第二层和第三层介质基板，第一层介质基板和第三层介质基板是石英材料，第二层介质基板是纸蜂窝材料；

9、所述第二层介质基板设置在所述第一层介质基板和第三层介质基板之间；

10、所述金属层由天线罩单元结构阵列排布组成，设置在所述第三层介质基板内壁。

11、更进一步地，在步骤2中，所述天线罩单元结构为方环形网栅，所述方环形网栅为正方形单元，单元中心开设有正方形孔；所述方环形网栅的电磁屏蔽效能se为：

12、

13、se＝-10log10(t)

14、se为电磁屏蔽效能，λ为工作波长，g为网栅周期，a为网栅线宽，t为透波率；λ＝c/f,c＝3×108，f为低频或高频波的工作频率。

15、更进一步地，在步骤2中，网栅周期g应小于1/3个波长，并基于周期的尺寸限制，理论计算网栅单元在不同结构参数范围内在低频f1和高频f2下对应的电磁屏蔽效能se和透波率t，选取同时满足se＝30和t＝0.8的网栅周期范围和网栅线宽a。

16、更进一步地，在步骤3中，由宽度为2a的金属条带构建天线罩金属层。

17、更进一步地，在步骤4中，还包括以下步骤：

18、步骤41，确定y＝0处金属条带的半径；

19、步骤42，基于y＝0处金属条带的半径计算其他y方向金属条带的半径；

20、步骤43，计算x方向金属条带排布参数。

21、更进一步地，在步骤41中，所述y＝0处金属条带的半径为：

22、r2＝r1-h1-h2-h3

23、其中，h1为第一层介质基板厚度，h2为第二层介质基板厚度，h3为第三层介质基板厚度，r1为第一层介质基板的外径；

24、在网栅周期g范围中选取能够满足y＝0处金属条带的半径由被n个天线罩单元等分的网栅周期g。

25、更进一步地，在步骤42中，设定y＝0处天线罩单元投影间距gyo与理论计算的网栅周期g相同，使用初始半径r2的金属条带从球心向+y方向移动投影间距g，移动后经度条带半径计算为：

26、

27、i表示由中心向两极偏移周期的个数，gyo表示y＝0处天线罩的网栅周期，r2i为y＝0处金属条带第i次移动对应金属条带的半径；

28、将沿+y轴移动的所有金属条带沿xoz面镜像对称，得到天线罩另外半球的金属条带排布位置和对应的半径。

29、更进一步地，在步骤43中，设定x方向上天线罩在y＝0处单元弧间距为gx，金属条带需依次旋转θ来实现x方向的排布，θ＝(gx/r2)，即以θ为旋转角依次旋转复制(π/θ)次；x方向上天线罩单元弧间距gx与网栅周期g相同。

30、本发明达到的有益效果是：

31、与基于频率选择表面的高导电金属结构产生高效透波的方法相比，本发明提供的石英-纸蜂窝-石英复合介质基板，具备良好的机械承重性能以及耐高温等特性，其中使用的纸蜂窝质轻、环保，使得天线罩能够共形至曲面结构。此外，采用“经纬等分”思想的设计方案，能够保证斜入射天线罩性能的稳定性。

32、与利用多层交叉指结构产生强耦合电容和宽带阻带的方法相比，本发明提供的网栅结构设计方案在降低结构复杂度的同时，能够实现宽频带内的电磁屏蔽功能，因此本发明的方法具有宽带及易加工特性。此外，本发明的结构能够实现低阻高通的滤波效果，可以满足不同频段的通信需求。

技术特征：

1.一种超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤1中，所述天线罩为半球面结构，包括介质层和金属层；

3.根据权利要求1所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤2中，所述天线罩单元结构为方环形网栅，所述方环形网栅为正方形单元，单元中心开设有正方形孔；所述方环形网栅的电磁屏蔽效能se为：

4.根据权利要求3所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤2中，网栅周期g应小于1/3个波长，并基于周期的尺寸限制，理论计算网栅单元在不同结构参数范围内在低频f1和高频f2下对应的电磁屏蔽效能se和透波率t，选取同时满足se＝30和t＝0.8的网栅周期范围和网栅线宽a。

5.根据权利要求2所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤3中，由宽度为2a的金属条带构建天线罩金属层。

6.根据权利要求1所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤4中，还包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤41中，所述y＝0处金属条带的半径为：

8.根据权利要求7所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤42中，设定y＝0处天线罩单元投影间距gyo与理论计算的网栅周期g相同，使用初始半径r2的金属条带从球心向+y方向移动投影间距g，移动后经度条带半径计算为：

9.根据权利要求8所述超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩的设计方法，其特征在于，在步骤43中，设定x方向上天线罩在y＝0处单元弧间距为gx，金属条带需依次旋转θ来实现x方向的排布，θ＝(gx/r2)，即以θ为旋转角依次旋转复制(π/θ)次；x方向上天线罩单元弧间距gx与网栅周期g相同。

技术总结本发明公开一种超低频阻带蜂窝网栅共形天线罩及设计方法，包括以下步骤：步骤1，根据天线罩的工作环境以及结构需具备防护等需求设计天线罩；步骤2，利用频率选择原理，设计集成超低频阻带和高频通带功能的天线罩单元；步骤3，将金属层的网栅结构在曲面表面进行非常规投影，得到蜂窝网栅排布图案，并通过x向和y向全部金属条带构建金属层的天线罩单元；步骤4，分别计算金属层x向和y向全部金属条带参数。本发明具有宽带、高效与易加工等优势，可应用于超低频电磁隐身，宽角域空间波束探测等领域。技术研发人员：许河秀,张雨琼,王慧受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9