CN100395916C - 基于基片集成波导技术的频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

基于基片集成波导技术的频率选择表面可以作为频段多工器应用于卫星、雷达等通信系统的多频天线，作为雷达天线罩用于隐身技术，制造毫米波/红外复合遥感技术中复用天线的复用副面，以及光学和准光系统的偏振器和波束分离装置。该结构是在具有双面金属面的介质基片(1)上，在双面金属面(2)上刻有许多对应的双层周期性缝隙槽的单元(3)，组成双层周期性缝隙槽的阵列(4)，在基片上围绕每个双层周期性缝隙槽的单元(3)以周期性的间隔设有一系列金属化通孔(5)，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。与普通的贴片型或者缝隙型频率选择表面相比具有更好的通带，更高的选择性能以及更好的对于入射波的角度和极性的稳定性。

Description

基于基片集成波导技术的频率选择表面
技术领域
本发明的基于基片集成波导技术的新型频率选择表面可以作为频段多工器应用于卫星、雷达等通信系统的多频天线，作为雷达天线罩用于隐身技术，制造毫米波/红外复合遥感技术中复用天线的复用副面，以及光学和准光系统的偏振器和波束分离装置。本发明属于微波技术领域。
背景技术
频率选择表面(FSS)在工程应用中十分广泛。FSS对电磁波的透射和反射具有良好的选择性，对于其通带内的电磁波呈现全通特性，而对其阻带内的电磁波则呈全反射特性，即具有空间滤波器功能。FSS在微波、毫米波、红外直至光波的各个频谱段得到了广泛的应用。在微波领域中，FSS可用于通讯卫星系统的频段多工器，利用多馈源配置来扩大通讯容量。另一个主要用途是制作天线罩，用于航空航天中雷达天线的屏蔽与隐身。在红外和可见光谱段，FSS成功地应用于太阳能装置而大大提高了效率。在远红外分子激光器中人们使用FSS反射镜提高泵源的效率。此外FSS还可用来制作偏振器和波束分离装置。FSS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。传统的由周期性贴片或缝隙阵列形成的FSS性能较差。很多学者对于FSS性能改善做了很多研究。如介质加载FSS，多层级连FSS，各种各样不同结构的周期性单元的FSS等等。尽管这些方法对于局部的某些特性有所改善，但受这种开放结构低Q值谐振的局限，总体性能还是不尽如人意。特别时对于不同入射角度和不同极化状态的入射波，性能不稳定，限制了它在实际中的应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于基片集成波导技术的频率选择表面，这种频率选择表面在工作频段插入损耗小，易于加工，结构简单，成本低。该频率选择表面与现有其他类型频率选择表面相比性能有明显的改善和提高。
技术方案：基于基片集成波导的新型频率选择表面是引入腔体的高品质因素谐振来提高FSS的频率选择特性，增强它对于激励源的入射角度和极化的不敏感性以及各种环境下的带宽稳定性，利用矩形金属腔体波导具有高Q值、低损耗的特点。在结构上，基片为具有双面金属面的介质基片，在双面金属面上刻有许多对应的双层周期性缝隙槽的单元，组成双层周期性缝隙槽的阵列，在介质基片上围绕每个双层周期性缝隙槽的单元以周期性的间隔设有一系列金属化通孔，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。用于耦合电磁波而在上下金属表面蚀刻的缝隙为关于长宽两个方向完全对称的“井”形缝隙。在X、Ku频段中心频率为12GHz时缝隙长度为8毫米，宽度为1毫米。使用介质基片为介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为1毫米。上下表面金属层的厚度在远小于基片厚度的情况下对于性能影响不大。金属化通孔的直径为1毫米，金属化通孔阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为1.5毫米，金属化通孔直径与孔心距的比值大于0.5。
这种频率选择表面结合了传统周期性结构和普通腔体结构的传输特性和场分布。工作时周期性的缝隙将一定范围内的平面波耦合到腔体里面，再通过这种腔体的二次滤波作用将一更窄频率范围的波通过另一边缝隙耦合出去，从而完成对空间平面波的选择性传输。
工作原理为：平面波入射到表面后周期性的缝隙将工作频段的平面波耦合到腔体里面，再通过由金属化通孔形成的腔体高选择性滤波将工作频段的波通过另一边缝隙耦合出去，从而完成对空间平面波的高选择性传输。基于基片集成波导的频率选择表面既保留了周期性缝隙的频率选择特性，又引入了类似于腔体滤波器的频率选择特性。通过两种不同谐振模式的互耦形成了频率响应曲线上的陡降特性，从而实现了对空间平面波的高性能滤波。
有益效果：基于基片集成波导技术的新型频率选择表面具有以下优点：
a.这种频率选择表面与以往研究设计出来的频率选择表面相比性能明显改善。在工作频段的插入损耗小。选择性高。而且它的高选择性和带宽稳定性不随入射波的入射角度以及极化状态的变化而变化。
b.这种新型频率选择表面结构简单，全部结构在一块覆有金属的介质基片上就可以实现。在设计过程中只需要调节缝隙的形状和尺寸，以及金属通孔的周期性尺寸就可以得到所需要的性能。结构参数少，大大节省设计并优化的时间。
c.这种新型频率选择表面制造简单方便，用普通的PCB工艺就可以实现，造价低廉。
附图说明
图1是本发明一个局部单元的结构示意图。
图2是本发明一个局部单元的侧视图。图中有：介质基片1，双面金属面2，双层周期性缝隙槽的单元3，金属化通孔4。
图3是应用于X、Ku波段的频率选择表面的整体结构示意图。
图4是基于基片集成波导技术的新型频率选择表面在垂直入射时仿真和测试结果的比较。其中(a)为电场垂直于y-z平面。其中(b)为电场垂直于x-z平面。
图5是本发明在TE极化平面波斜入射时的测试结果。
图6是本发明在TM极化平面波斜入射时的测试结果。
具体实施方式
本发明的制造过程为：首先在介质基片的双面金属面上刻槽实现一个普通的介质填充的双层周期性缝隙阵列的频率选择表面，然后在基片上围绕每个周期性缝隙单元以周期性的间隔打一系列金属化通孔形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。由于所需要腔体时在介质基片上打一系列的金属通孔阵列来实现，因此注意选择合适的孔径和孔间距，避免腔体间产生能量泄露。这种频率选择表面结合了传统周期性结构和普通腔体结构的传输特性和场分布。由于基片厚度远小于腔体的宽边，它对于腔体的谐振影响很小，主要影响缝隙的谐振特性。选择合适的基片厚度，使得两种不同谐振模式的谐振频率靠近，从而形成低插损的优异通带性能。整个频率选择表面完全由普通的PCB工艺实现。腔体结构由金属化通孔阵列所实现，制作简单，成本低廉。
我们在X、Ku波段所实现了以上介绍的基于基片集成波导技术的频率选择表面(实物照片见图3)。介质基片的相对介电常数εr和结构几何参数(见图1、2)如下：
Dx、Dy为一个单元的长度和宽度，L1、L2为缝隙的长度，W1、W2为缝隙的宽度，dl、dw为两个平行缝隙的距离，d为通孔直径，dp为通孔的孔心距，h为基片厚度。
图4到图6为其测试结果以及和仿真结果的对比。(由于测试中采用的喇叭天线工作频段为X波段，所以测试频率范围局限为8-15GHz。)
基于基片集成波导的频率选择表面既保留了周期性缝隙的频率选择特性，又引入了类似于腔体滤波器的频率选择特性。我们所设计的频率选择表面充分利用了这一特性，并通过两种不同谐振模式的互耦形成了频率响应曲线上的陡降特性，从而实现了对空间平面波的高性能滤波。

Claims (3)

1.一种基于基片集成波导技术的频率选择表面，其特征在于基片为上表面和下表面具有金属面的介质基片(1)，并在上、下表面的金属面上刻有许多对应的双层周期性缝隙槽的单元(3)，组成双层周期性缝隙槽的阵列，在介质基片(1)上围绕每个双层周期性缝隙槽的单元(3)以周期性的间隔设有一系列金属化通孔(4)，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导技术的频率选择表面，其特征在于用于耦合电磁波而在上下金属表面蚀刻的缝隙为关于长宽两个方向完全对称的“井”形缝隙。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导技术的频率选择表面，其特征在于金属化通孔(4)的直径为1毫米，金属化通孔(4)阵列间两个相邻金属化通孔(4)的孔心距为1.5毫米，金属化通孔(4)直径与孔心距的比值大于0.5。
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