CN102610925A - 一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器 - Google Patents

一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器 Download PDF

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杨国辉
李宛露
张桐
吴群
傅佳辉
孟繁义
张狂
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Abstract

一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，涉及一种天线反射器，它的为了解决现有的频率选择表面的带宽较窄的问题。它的每个金属贴片上均加工有N个FFS单元，每个FFS单元中均包括四个相同的子FFS单元，每个子FFS单元均包括一号金属臂、三个二号金属臂和三个三号金属臂，一个二号金属臂一端垂直固定在一号金属臂的一端；其余两个二号金属臂的一端分别垂直固定在一号金属臂上；相邻两个二号金属臂之间的间隔相等；三个三号金属臂的另一端分别垂直固定在三个二号金属臂的另一端，相邻两个三号金属臂之间的间隔相等；四个子FFS单元固定为一体，且四个一号金属臂呈“十”字形设置。本发明适用于微波频段天线工程技术领域。

Description

一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器
技术领域
本发明涉及一种天线反射器。
背景技术
近十几年来，频率选择表面(FSS)已经成为了热点研究问题之一，在现代工程应用中十分广泛，FSS对电磁波的反射和透射具有良好的选择性，对通带内的电磁波呈现全通特性，对阻带内的电磁波呈现全反射特性，使其在现代军事工程得到广泛的应用。在设计FSS时，除了考虑其频率特性的中心频率外，对入射波的角度稳定性、小型化尺寸、带宽等因素都是研究的范围。目前研究学者对频率选择表面的各个特性都进行了一定的研究，然而较窄的带宽是大多数传统频率选择表面面临的主要问题。而近年来，人们对超宽带技术具有很大的研究兴趣，特别是应用在超宽带通信系统中的超宽带天线的研究，相应的，应用在天线副反射截面的FSS也应该具有超宽带特性，才能满足系统的需要。因此如何提高FSS的带宽也逐渐称为人们研究的目标。
发明内容
本发明是为了解决现有的频率选择表面的带宽较窄的问题，从而提供一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器。
一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，它包括介质层和两个金属贴片，所述一个金属贴片的下表面固定在介质层的上表面上；另一个金属贴片的上表面固定在介质层的下表面上；每个金属贴片上均加工有N个FFS单元，所述N个FFS单元在同一平面内组成频率选择表面结构，每个FFS单元的面积相同；N为正整数；
每个FFS单元中均包括四个相同的子FFS单元，所述每个子FFS单元均包括一号金属臂、三个二号金属臂和三个三号金属臂，所述一个二号金属臂的一端固定在一号金属臂的首端，该二号金属臂与一号金属臂相互垂直；其余两个二号金属臂的一端分别垂直固定在一号金属臂上；三个二号金属臂均位于一号金属臂的同一侧且相互平行等间距设置；
三个三号金属臂首端分别固定在三个二号金属臂的另一端，所述三个三号金属臂相互平行等间距设置；所述三号金属臂与一号金属臂相互平行；
四个子FFS单元固定为一体，且四个一号金属臂的末端连接在一起呈“十”字形设置。
本发明具有超宽的频带范围；并且本发明具有极高的角度稳定性，本发明在微波频段天线工程技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的一个FFS单元的结构示意图；图3是不同的三号金属臂的长度下，本发明结构的传输特性示意图；图4是不同的角度电磁波入射时，本发明结构的传输特性示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，它包括介质层1和两个金属贴片2，所述一个金属贴片2的下表面固定在介质层1的上表面上；另一个金属贴片2的上表面固定在介质层1的下表面上；每个金属贴片2上均加工有N个FFS单元，所述N个FFS单元在同一平面内组成频率选择表面结构，每个FFS单元的面积相同；N为正整数；
每个FFS单元中均包括四个相同的子FFS单元，所述每个子FFS单元均包括一号金属臂21、三个二号金属臂22和三个三号金属臂23，所述一个二号金属臂22的一端固定在一号金属臂21的首端，该二号金属臂22与一号金属臂21相互垂直；其余两个二号金属臂22的一端分别垂直固定在一号金属臂21上；三个二号金属臂22均位于一号金属臂21的同一侧且相互平行等间距设置；
三个三号金属臂23的首端分别固定在三个二号金属臂22的另一端，所述三个三号金属臂23相互平行等间距设置；所述三号金属臂23与一号金属臂21相互平行；
四个子FFS单元固定为一体，且四个一号金属臂21的末端连接在一起呈“十”字形设置。
本发明中，将N个FFS单元在平面内沿水平和垂直方向进行周期排列，即可形成本发明的FSS结构。本发明中，三号金属臂的长度、以及间隔距离的不同，直接决定了FSS等效电路中的等效电感和等效电容的值，从而影响其小型化特性。而在介质层的上下两层均放置金属FSS层，可以决定其超宽带特性的带宽。
本发明具有以下特点：1、超宽的频带范围；2、极高的角度稳定性；3、具有一定的小型化特性；4、通过改变最外面金属带条的宽度可以调整小型化尺寸和带宽。本发明结构简单，加工方便，在微波频段天线工程技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，介质层1的厚度h为1.6mm。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，每个金属贴片2是边长D为8.4mm的正方形。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，每个二号金属臂22的宽度w为0.4mm。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，每个子FFS单元中，相邻两个三号金属臂23之间的间隔y为0.4mm。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，金属贴片2的厚度t为0.1mm。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，三个三号金属臂23的长度均为1mm。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体方式一所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器的区别在于，三个三号金属臂23的长度L1、L2和L3分别3mm、2.2mm和1.4mm。
利用CST(CST MICROWAVE STUDIO)仿真软件对本发明的结构进行仿真，其基本的机构参数是介质的介电常数为5，正切损耗tanδ＝0.025，介质的厚度为1.6mm。一个FSS单元中，单元的长度和宽度均为D＝8.4mm，金属FSS边界与介质边界之间的缝隙g＝0.2mm，金属带条宽度w＝0.4mm，金属带条之间的缝隙y＝0.4mm，金属层面的厚度为t＝0.1mm。
仿真结果如图3所示，可以看出这种结构具有很宽的超宽带效果。如当L1＝3mm，L2＝2.2mm，和L3＝1.4mm时，中心频率是4.37GHz，阻带范围是从3.47GHz-5.27GHz，相对带宽为41.19％，其小型化尺寸为0.12λ×0.12λ，其中λ代表谐振频率处的波长。
而当L1＝L2＝L3＝1mm时，中心谐振频率为5.6GHz，阻带范围是从4.22GHz到6.98GHz，其相对带宽达到了49.29％，小型化尺寸为0.16λ×0.16λ。
可知，随着伸出三号金属臂长度的减小，小型化尺寸在减小，带宽逐渐增加。因此，通过改变三个三号金属臂23的长度可以调整FSS的中心频率、带宽、小型化尺寸等谐振特性，根据在实际应用中的不同情况，设定三个三号金属臂23的结构参数，甚至是三条二号金属臂的尺寸，使其满足特定的要求。然而，伸出的三号金属臂23长度不应为0，也不能伸出太长与十字结构相邻的主十字臂相接，否则这个结构的等效电路就会改变，从而削弱该结构的小型化和带宽特性。
由于在实际应用中电磁波是从各个方向入射，本发明的结构在不同角度入射下的频率特性如图4所示，其中L1＝L2＝L3＝1mm，可知，随着入射角度的不同，阻带的频率范围移动非常有限。与波垂直入射时相比，45°入射时，谐振频率仅仅偏移了0.89％，阻带范围从4.22GHz-6.98GHz变为4.17GHz-7.10GHz，阻带带宽仅仅改变了3％。因此，本发明提出的FSS结构在不同角度入射下，仍具有稳定的中心频率和超宽带宽，具有极高的角度稳定性。

Claims (8)

1.一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，它包括介质层(1)和两个金属贴片(2)，所述一个金属贴片(2)的下表面固定在介质层(1)的上表面上；另一个金属贴片(2)的上表面固定在介质层(1)的下表面上；其特征是：每个金属贴片(2)上均加工有N个FFS单元，所述N个FFS单元在同一平面内组成频率选择表面结构，每个FFS单元的面积相同；N为正整数；
每个FFS单元中均包括四个相同的子FFS单元，所述每个子FFS单元均包括一号金属臂(21)、三个二号金属臂(22)和三个三号金属臂(23)，所述一个二号金属臂(22)的一端固定在一号金属臂(21)的首端，该二号金属臂(22)与一号金属臂(21)相互垂直；其余两个二号金属臂(22)的一端分别垂直固定在一号金属臂(21)上；三个二号金属臂(22)均位于一号金属臂(21)的同一侧且相互平行等间距设置；
三个三号金属臂(23)的首端分别固定在三个二号金属臂(22)的另一端，所述三个三号金属臂(23)相互平行等间距设置；所述三号金属臂(23)与一号金属臂(21)相互平行；
四个子FFS单元固定为一体，且四个一号金属臂(21)的末端连接在一起呈“十”字形设置。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于介质层(1)的厚度h为1.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于每个金属贴片(2)是边长D为8.4mm的正方形。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于每个二号金属臂(22)的宽度w为0.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于每个子FFS单元中，相邻两个三号金属臂(23)之间的间隔y为0.4mm。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于金属贴片(2)的厚度t为0.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于三个三号金属臂(23)的长度均为1mm。
8.根据权利要求1所述的一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器，其特征在于三个三号金属臂(23)的长度L1、L2和L3分别3mm、2.2mm和1.4mm。
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