CN102074777B - 一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，包括微带矩形双环缝谐振器单元和介质基片，微带矩形双环缝谐振器设置在介质基片的一侧、两侧或夹在介质层中间，微带矩形双环缝谐振器上有环缝，环缝的方向不同。工作时各个方向的电磁波入射到该频率选择性表面结构。本发明具有尺寸小、谐振频率可调、能很好地实现电磁波的全向响应等优点。

Description

一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构
技术领域
本发明涉及频率选择性表面的技术领域，尤其涉及一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构。
背景技术
频率选择性表面（Frequency selective surfaces，简称FSS）是一种由位于介质层上或者夹在介质层中间的周期性的导电贴片单元或者孔径单元构成的单层或多层的准平面结构，它对电磁波具有一定的频率选择特性，其本质特征是能够对不同频率、不同入射角和不同激化状态的电磁波呈现滤波特性。而超材料(Metamaterial)是近年来材料科学和物理学领域的研究热点之一，超材料具有负群速度、负折射率、理想成像、逆多普勒频移、反常切连科夫辐射等奇异的物理性质，已经被广泛应用于微波电路、天线设计等领域。将超材料的特殊物理性质应用于频率选择性表面，可使频率选择性表面具有尺寸小、波形良好、通带内波形更平坦、可处理不同方向极化波以及在更宽入射角范围内具有良好的频率响应等特点，在雷达天线罩、飞行器隐身罩以及自动驾驶汽车、机器人导航系统、射频识别标签、电磁干扰防护等领域具有广泛的应用前景。
频率选择性表面结构由单层或多层的周期性金属单元结构组成。单元结构是决定频率选择表面特性的关键。不同单元结构组成的频率选择表面具有不同的特性。微带矩形双环缝谐振器(Double Split-Ring Resonator，简称DSRR)是目前常用的一种超材料结构。单个或两个微带矩形双环缝谐振器可组成频率选择表面的单元结构，现有技术一般采用内外环缝相对或相背，但这种结构对入射电磁波的极化方向有严格的要求，无法使频率选择表面对各个方向的电磁波具有相同的响应。
根据射频或微波电路理论，采用微带矩形双环缝谐振器复合对称排列的结构可满足频率选择表面的电磁波全向响应。微带双环缝谐振器可等效为分布参数电路，即电容和电感的串并联电路。通过改变外环边长、环缝宽度、内外环间距、金属环线宽以及双环缝谐振器之间的中心间距和环缝的方向，就可改变环缝电容、耦合电感和耦合电容，从而改变频率选择表面的谐振频率，实现频率选择和电磁波全向响应的目标。
发明内容
本发明提供一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，包括微带矩形双环缝谐振器、介质基片；其中，所述每个微带矩形双环缝谐振器包括内环和外环，所述内环和外环上分别设置有内环缝与外环缝，所述内环缝与所述外环缝相背设置；其中，环缝朝向不同的四个微带矩形双环缝谐振器构成一个微带阵列单元，呈周期性微带阵列地设置在所述介质基片上，实现电磁波全向响应。
其中，微带矩形双环缝谐振器为平面电子元件，为正方形，包括内环和外环，内环和外环的其中一条边的中间有环缝。
其中，所述内环缝与所述外环缝的缝宽相等，缝宽为0.4 mm～2.0mm。其中，内环和外环的线宽相等，为0.25mm～1.2mm；所述外环边长为2.5mm～12mm；所述内环边长为1.5mm～7.2mm；所述内环与外环的间距为0.2mm～1.2mm。其中，所述相邻两个微带矩形双环缝谐振器的中心间距为4mm～22mm。
其中，所述内环和外环的线宽、外环边长、缝宽、间距、线宽以及中心间距与所述微带矩形双环缝谐振器的谐振频率成反比。即本发明中，当内环和外环的线宽、外环边长、缝宽、间距、线宽以及中心间距增大或减小n倍，微带矩形双环缝谐振器的谐振频率减小或增大n倍。
其中，所述微带矩形双环缝谐振器的谐振频率为3GHz~16GHz。工作时各个方向的电磁波入射到该频率选择性表面。
其中，所述微带矩形双环缝谐振器的金属导带沉积于介质基片的上表面或下表面。
其中，所述介质基片的材料是蓝宝石、红宝石、高阻硅、多孔硅、高频陶瓷或塑料；介质基片的材料是耐腐蚀的高介电常数、低损耗介质。所述微带矩形双环缝谐振器的材料是金或铜，是高导电率的金属材料。
其中，所述微带矩形双环缝谐振器设置在介质基片的一侧、两侧、或夹在介质基片的中间。
本发明中，四个环缝朝向不同的微带矩形双环缝谐振器构成一个微带阵列单元，微带矩形双环缝谐振器呈周期性微带阵列地设置在介质基片上，位于介质基片的一侧、两侧或夹在介质层中间。
本发明提供的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构是一个实现电磁波全向响应的频率选择性表面结构。当双环缝谐振器环缝方向垂直于入射波电场方向（弗洛奎偶次模）时，由于双环缝谐振器关于电场方向不对称，因此在电场作用下，双环缝谐振器的上、下两端产生电势差，从而形成一个电流回路。相邻结构单元同侧的两个双环缝谐振器相同位置金属线的电流方向相同，这在同一结构单元的双环缝谐振器之间形成了一个较强的感应磁场，这个感应磁场是响应入射电磁波的磁场而产生的；当双环缝谐振器环缝方向平行于入射波电场方向(弗洛奎奇次模) 时，由于双环缝谐振器关于电场方向对称，因此在金属表面不产生感应电流，而对于入射磁场，金属结构会因为不对称性而激发电场，从而形成谐振。每一个单元结构中的双环缝谐振器之间的电容和电感在响应入射电磁波的磁场时可等效为一个L-C谐振回路。将四个形状相同的双环缝谐振器设置在一个介质基片上，而每个双环缝谐振器的外环缝朝向不同的方向，这样就形成了一种复合对称结构，可使FSS对于各种方向的极化电磁波有着相同的响应。
本发明优点是尺寸小、谐振频率可调、频带宽、衰减小、能很好地实现电磁波的全向响应。微带矩形双环缝谐振器复合对称排列结构实现频率选择表面结构的小型化；其谐振频率可根据单元结构的物理尺寸、周期等进行调节，而且工作频带宽；四个形状相同但环缝朝向不同的微带矩形双环缝谐振器实现电磁波全向响应。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图；
图2是本发明微带矩形双环缝谐振器沉积在介质基片上表面时，沿图1中X-X线的剖视图；
图3是本发明微带矩形双环缝谐振器沉积在介质基片上、下表面时，沿图1中X-X线的剖视图；
图4是本发明微带矩形双环缝谐振器沉积在两介质基片中间时，沿图1中X-X线的剖视图。
图5是本发明微带矩形双环缝谐振器呈周期性微带阵列地设置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明，但实施例不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。
实施例1 
参考图1和图2，本实施例提供一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，包括四个微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4和介质基片10。每个微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4分别包括内环20和外环30，每个内环20和每个外环30上分别设置有内环环缝21、外环环缝31，内环环缝21与外环环缝31相背设置。微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4上的内环环缝21朝向不同的方向进行设置，同样，外环环缝31也朝向不同的方向进行设置。
如图5所示，环缝朝向不同的四个微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4构成一个微带阵列单元，呈周期性微带阵列地设置在介质基片10的上表面，以实现电磁波全向响应。工作时，各个方向的电磁波入射到该频率选择性表面。
本实施例中微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4沉积在介质基片10上表面。本实施例中介质基片10的材料是高频混合陶瓷，其介电常数和厚度分别为4.6和1.4mm。微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4的材料是铜。本发明中介质基片10的材料还可以是蓝宝石、红宝石、高阻硅、多孔硅、其他高频陶瓷或塑料。微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4的材料还可以是金、其他高导电率的金属材料。
本实施例中微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4为平面电子元件，内环环缝21与外环环缝31的缝宽g相同，为1.84mm；外环30边长a为10.48mm，内环20边长b为6.08mm；内环20和外环30的间距d为1.2mm，内环20和外环30的线宽w为1mm，相邻的两个微带矩形双环缝谐振器之间的中心间距l为20mm。
本发明中内环环缝21、外环环缝31的缝宽g可以是0.4 mm～2.0mm；内环20和外环30的线宽w可以是0.25mm～1.2mm；外环30边长a可以是2.5mm～12mm；内环20边长b可以是1.5mm～7.2mm；内环20与外环30的间距d可以是0.2mm～1.2mm；相邻的两个微带矩形双环缝谐振器的中心间距l可以是4mm～22mm。当内环和外环的线宽w、外环边长a、缝宽g、间距d以及中心间距l增大或减小n倍，微带矩形双环缝谐振器的谐振频率减小或增大n倍，即线宽w、外环边长a、缝宽g、间距d以及中心间距l微带矩形双环缝谐振器的谐振频率成反比。
本实施例的谐振频率为9.65GHz，带宽为400MHz，回波损耗为-16dB，插入损耗为0.3dB。微带矩形双环缝谐振器的谐振频率可以在3GHz~16GHz。
与现有技术相比，本实施例基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构具有尺寸更小、能很好地实现电磁波的全向响应等优点。
实施例2 
参考图3，本实施例是在介质基片10的上、下表面都沉积微带矩形双环缝谐振器的频率选择表面结构，从图3可以看到，介质基片10的上表面沉积有微带矩形双环缝谐振器1、4，介质基片10的下表面沉积有微带矩形双环缝谐振器5、8。参考图5所示，本实施例中微带矩形双环缝谐振器呈周期性微带阵列地设置在介质基片10上。其他微带矩形双环缝谐振器未显示在图3上。
本实施例中介质基片10的材料是高频混合陶瓷，其介电常数和厚度分别为4.6和1.4mm。微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4的材料是铜。本发明中介质基片10的材料还可以是蓝宝石、红宝石、高阻硅、多孔硅、高频陶瓷或塑料。微带矩形双环缝谐振1、2、3、4的材料是高导电率的金属材料，可以是金或铜。
其中，所述微带矩形双环缝谐振器的金属导带沉积于介质基片的上表面或下表面。
本发明中的“金属导带”，是指构成微带矩形双环缝谐振器的在介质基片上沉积的金属薄膜，如图1中所示的黑色部分。
其中，微带矩形双环缝谐振器为平面电子元件，为正方形，包括内环和外环，内环和外环的一条边中间有环缝，环缝的缝宽g为1.84mm；外环边长a为10.48mm，内环边长b为6.08mm；内和外环的间距d为1.2mm，内环和外环的线宽w为1mm，相邻双环缝谐振器之间的中心间距l为20mm。本发明中环缝的缝宽g可以是0.4 mm～2.0mm；内环和外环的线宽w可以是0.25mm～1.2mm；外环边长a可以是2.5mm～12mm；内环边长b可以是1.5mm～7.2mm ；内环与外环的间距d可以是0.2mm～1.2mm；相邻两个微带矩形双环缝谐振器的中心间距l可以是4mm～22mm。
本实施例的谐振频率为9.65GHz，带宽为300MHz，回波损耗为-34dB，插入损耗为0.1dB。
实施例3 
参考图4，本实施例是在介质层的中间沉积有微带矩形双环缝谐振器的频率选择表面结构，在介质基片层10和介质基片层11中间沉积有微带矩形双环缝谐振器1、4，微带矩形双环缝谐振器呈周期性微带阵列地设置在介质层10和11的中间。其余微带矩形双环缝谐振器未在图4上显示。
本实施例中介质基片10的材料是高频混合陶瓷，其介电常数和厚度分别为4.6和0.7mm。微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4的材料是铜。本发明中介质基片10的材料可以是蓝宝石、红宝石、高阻硅、多孔硅、高频陶瓷或塑料。微带矩形双环缝谐振器1、2、3、4的材料是高导电率的金属材料，可以是金或铜。
其中，微带矩形双环缝谐振器为平面电子元件，为正方形，包括内环和外环，内环和外环的一条边中间有环缝，环缝的缝宽g为1.84mm；外环边长a为10.48mm，内环边长b为6.08mm；内和外环的间距d为1.2mm，内环和外环的线宽w为1mm，相邻双环缝谐振器之间的中心间距l为20mm。
本实施例的谐振频率为7.97GHz，带宽为200MHz，回波损耗为-36dB，插入损耗为0.1dB。

Claims (9)

1.一种基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，包括微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）、介质基片（10）；其中，所述每个微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）包括内环（20）和外环（30），所述内环（20）和外环（30）上分别设置有内环缝（21）与外环缝（31），所述内环缝（21）与所述外环缝（31）相背设置；其中，环缝朝向不同的四个微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）构成一个微带阵列单元，呈周期性微带阵列地设置在所述介质基片（10）上，实现电磁波全向响应。
2.如权利要求1所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）为正方形，所述内环缝（21）与所述外环缝（31）的缝宽相等，缝宽为0.4 mm～2.0mm。
3.如权利要求2所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述内环（20）和外环（30）的线宽相等，为0.25mm～1.2mm；所述外环边长为2.5mm～12mm；所述内环边长为1.5mm～7.2mm；所述内环（20）与外环（30）的间距为0.2mm～1.2mm。
4.如权利要求1所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述两个相邻的微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）的中心间距为4mm～22mm。
5.如权利要求3、4所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述内环（20）和外环（30）的线宽、外环边长、缝宽、间距、线宽以及中心间距与所述微带矩形双环缝谐振器的谐振频率成反比。
6.如权利要求1所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）的谐振频率为3GHz~16GHz。
7.如权利要求1所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）的金属导带位于介质基片（10）的上表面或下表面。
8.如权利要求1所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述介质基片（10）的材料是蓝宝石、红宝石、高阻硅、多孔硅、高频陶瓷或塑料；所述微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）的材料是金或铜。
9.如权利要求1所述的基于微带矩形双环缝谐振器的频率选择性表面结构，其特征在于，所述微带矩形双环缝谐振器（1、2、3、4）设置在介质基片（10）的一侧、两侧或夹在介质基片（10）的中间。
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