消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构技术方案

本发明专利技术公开了消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，属于航空技术领域。本发明专利技术的全金属电磁吸收结构，包括从下至上层叠设置的金属背板，中间空气层以及上层谐振层；上层谐振层由周期排列的谐振单元组成，谐振单元由四个扇形镂空的方形金属辐射贴片构成；方形金属辐射贴片的外环由集总电容元件连接，内部十字结构由集总电阻元件连接；谐振单元四角分别设置有一号销钉接口，谐振单元中心设置有二号销钉接口，其中单元四角的销钉通过金属柱与金属背板连接。本发明专利技术的全金属电磁吸收结构解决了航向信标系统在复杂多障碍物环境下面临的多角度、多方向干扰信号入射情况，有效消除多径效应对航向信标系统的影响。有效消除多径效应对航向信标系统的影响。有效消除多径效应对航向信标系统的影响。

【技术实现步骤摘要】
消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构


[0001]本专利技术属于航空
，具体涉及消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构。

技术介绍

[0002]随着我国民航事业的发展，我国一方面新建了越来越多的机场，另一方面越来越多的机场进行了升级改造。无论是新建机场还是改造后的机场都面临着建筑的密集化、机场周围的电磁环境日益复杂化等问题。仪表着陆系统(instrument landing system，ILS)是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统，通过航向信标系统对外辐射特定波形，引导飞机安全着陆。但是，跑道附近的建筑物、高大的树木、塔台、凹凸不平的地面等会对导航信号产生多径反射。多径反射会造成天线辐射场型的畸变，从而影响导航信息的准确性。事实上，随着机场功能和服务的不断升级、完善，需要机场提供更多的建筑空间。在近跑道附近新修建筑群的需求不断增长。但是，在近跑道附近修建筑群会给飞行安全带来极大的挑战。其原因在于，建筑物靠近跑道，与航向信标系统距离近，容易导致在航行信标信号与建筑物之间构成大角度反射，加剧多径效应的复杂性。因此，抑制或消除由机场跑道周围地形地物产生的多径效应，尤其大角度入射情况下对航向信标系统电磁环境的影响，对于保障飞行安全和最大限度开发机场空间资源有着重要的意义。
[0003]使用微波吸收体是一种常用来的消除或抑制电磁影响的方法。与传统吸收体相比较，基于亚波长结构的人工电磁吸收结构的厚度薄、频带宽、吸收高、柔韧性，具有明显优势。现有技术中，通过对人工电磁吸收结构单元的形状、尺寸、组合方式进行设计，人工电磁吸收结构能调控其等效介电常数和磁导率，可以在很小或很宽的频带内产生接近统一的吸收效率。值得注意的是，超材料作为一种亚波长结构，其尺寸与工作波长存在一定的相关性。而对于航向信标信号而言，工作频率为108MHz
‑
112MHz，其对应波长约为2.7m。因此，如何降低材料的厚度，设计出超薄单元结构，是超材料微波吸收体在这一频段上工程应用首要解决的问题。此外，考虑到机场跑道周围地形地物的复杂性，用于机场的吸收体需要在不同入射角度下依然保持良好的吸收特性。同时，应用到建筑体表面上时吸收体将工作于室外环境，需面对各种严寒酷暑的自然条件。因此，用于机场跑道周围地形引起的多径效应的超材料吸收体还需具有良好的环境适应性。
[0004]采用高折射率介质如钛酸钡、金红石、磁性材料复合物等做基体时，有利于降低超材料吸收体的小型化。但是，由于非磁性高介电材料在作为超材料基体时会导致吸波体的吸收峰严重窄化，难以满足现实需求。同时，相比于FR4、PTFE等传统的介质材料，磁性介质基片的引入不仅会显著提高制造成本。此外，由于在微波段多数介质材料的相对磁导率也都处于较低的水平，通过该方案所实现的周期小型化效果也极为有限。而采用介质基板与分布式电子元器件组合的方式具有加工成本低，动态可调和结构超薄的特点。但是，由于低成本的介质基板受环境影响较大，难以满足机场的实际应用需求。

技术实现思路

[0005]针对机场特殊的工作场景，本专利技术提出了一种用于消除多径效应对航向信标系统影响的低剖面全金属电磁吸收结构，采用集成集总元件的全金属谐振单元，得到一款性能优良的用于消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]本专利技术提供的用于消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，包括从下至上层叠设置的金属背板，中间空气层以及上层谐振层；
[0008]其中所述上层谐振层由周期排列的谐振单元组成，所述谐振单元由四个扇形镂空的方形金属辐射贴片构成；所述四个扇形镂空之间形成十字结构；所述方形金属辐射贴片的外环由集总电容元件连接，内部十字结构由集总电阻元件连接；谐振单元四角分别设置有一号销钉接口，谐振单元中心设置有二号销钉接口，其中单元四角的销钉通过金属柱与金属背板连接。
[0009]其中方形金属辐射贴片被四块等大的90
°
扇形镂空，且每个扇形的90
°
直角指向吸波结构单元中心；所述90
°
扇形间隔与所需吸收频率相关。
[0010]方形金属辐射贴片由高导电率铜板加工而成。
[0011]进一步地，所述集总电容元件位于方形金属辐射贴片外侧单元边长中心，辐射片外环形成谐振电流通路。
[0012]进一步地，所述集总电阻元件位于方形金属辐射贴片对角线长1/3处，将方形金属辐射贴片的内部十字结构与外环相连接，其中集总电阻元件位置与谐振频率以及吸收效率有关。
[0013]进一步地，所述中间空气层内设置由四个圆形金属柱，四个圆形金属柱位于谐振单元四角，顶端连接上层谐振层，底端连接金属背板。金属柱半径与吸收频率以及吸收效率相关，选择吸收效率最优的金属柱半径进行设计。
[0014]进一步地，所述周期谐振单元边长取值远远小于谐振单元工作频段相关波长，约为0.014λ0(λ0为工作频段对应波长)，满足超材料周期单元尺寸条件。
[0015]进一步地，所述周期谐振单元厚度为13.14mm(约为0.0048λ0)，在航向信标系统所在的甚高频段实现了吸收单元的低剖面特点，有助于实际工程应用。
[0016]本专利技术在吸波结构底层设置金属背板作为防止输入电磁波透射的全反射镜面，利用金属柱支撑吸波结构，通过介质等效电路模型寻找吸波结构等效阻抗与周围环境特性阻抗Z0的完美匹配以及与入射角度之间的调控关系。
[0017]当电磁波斜入射至吸波结构上时，极化方式可分垂直极化(TE极化)和平行极化(TM极化)。TE和TM极化下电场和磁场矢量方向与隐身结构的关系，其中θ表示入射角，k0表示平面波的传播方向，E和H分别表示入射波的电场和磁场矢量。TE和TM极化下电场和磁场矢量方向与吸波结构关系如图1所示。将介质看作均匀传输线后，其ABCD矩阵如下：
[0018][0019]其中
[0020][0021][0022]其中f为频率，j为虚单位，d
n
为材料厚度，c为光栅，ε
n
由于是空气层所以约等于1。当θ不断增加时趋近90
°
，TE极化的Z
n
逐渐增大从而导致TE极化逐渐失配，吸收效率逐渐减小，而TM极化的Z
n
随着入射角度的不断增加逐渐趋近于Z0，实现与周围环境特性阻抗的完美匹配，从而达到完美吸收的功能。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]1.本专利技术提出的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，其可以通过调整电磁波入射角度θ，调整不同线极化波电磁波在112MHz处的吸收效率。对于TE极化随着入射角度的增加，吸收率降低。对于TM极化而言，入射角度不断增加的过程中，吸收效率逐渐增加。对于TM入射而言，在入射角度大于70
°
时，吸收效率高于90％。良好的大角度入射吸收效率解决了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，其特征在于，包括从下至上层叠设置的金属背板(1)，中间空气层(2)和上层谐振层(3)；所述上层谐振层(3)由周期排列的谐振单元组成，所述谐振单元由设置有四个扇形镂空(5)的方形金属辐射贴片(4)构成；所述四个扇形镂空(5)之间形成十字结构；所述方形金属辐射贴片(4)的外环由集总电容元件(9)连接，内部十字结构由集总电阻元件(10)连接；谐振单元四角分别设置有一号销钉接口(7)，谐振单元中心设置有二号销钉接口(8)，其中单元四角的销钉通过金属柱与金属背板(1)连接。2.根据权利要求1所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，其特征在于，所述方形金属辐射贴片(4)被四块等大的90
°
扇形镂空，且每个扇形的90
°
直角指向谐振单元中心。3.根据权利要求1或2所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，其特征在于，方形金属辐射贴片(4)由高导电率铜板加工而成。4.根据权利要求1或2所述的消除多径效应对航向信标系统影响的全金属电磁吸收结构，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶家全，林欢，梁飞，李沅锴，袁斌，杨萍，李润文，张津源，
申请(专利权)人：中国民用航空总局第二研究所，
类型：发明
国别省市：