CN103050749B - 一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器，包括有多行，每一行包括多个周期单元；各行中的周期单元以相同的方式放置，行与行之间的周期单元交叉等间距排布，任一周期单元与其所在行的相邻行的紧邻的两个周期单元呈60°排布；周期单元呈正方形，包括金属层与硅材料层，金属层分布于两层硅材料层的之间，三者紧密贴合；金属层的厚度在3-5um之间，硅材料层的厚度均在370-374um之间；金属层整体成平板型，其中央位置开有“十”字形的圆角缝隙，圆角半径为取值为3-4um,十字缝隙的四个臂完全相同，各部分长、宽、边距等完全相等，位置相对于中间区域严格对称。

Description

一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别涉及一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器。
背景技术
空间滤波器，又称频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSS)是一种具有频率选择特性的二维周期结构。作为一种新型的选频器件，由于其在毫米波段及亚毫米波段具有比传统滤波器更多的优点，因而在军事和民用领域有十分广泛的应用，FSS已经成为近些年的一个研究热点。
随着微波遥感技术的进步，毫米波亚毫米波星载探测系统已成为一个主流趋势，其工作频率正向太赫兹方向发展，通过使用空间滤波器，可以实现多频段复用，因而空间滤波器成为准光学分频网络中的核心部件之一。
用于准光学分频网络中的空间滤波器应当满足以下技术要求：
1、入射角固定：根据分频网络结构的要求，入射波的入射角限制为45°，这就要求在设计时考虑这一因素，以实现最佳选频特性。
2、低损耗：空间滤波器的损耗来源较多，有热损耗、插入损耗、栅瓣损耗等，因此在设计中要综合考虑周期图案单元的尺寸、形状及介质层的特性，以达到设计指标要求的带宽、工作频率、透射系数和反射系数。
3、极化稳定性：空间滤波器在不同极化波的激励下，应具有稳定的工作特性。
空间滤波器的工作频率与尺寸有关，工作频率越高，尺寸越小。此外，空间滤波器的工作频率还与其形状有关。特定工作频率下的空间滤波器具有特定的形状。
发明内容
本发明的目的在于设计出工作频率为424GHz的亚毫米波空间滤波器，从而为准光学微波遥感探测设备的前段网络提供可靠的分频器件。
为了实现上述目的，本发明提供了一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器，对于TE和TM极化波，其中心频率为保持在424GHz，45°TE波激励下的3dB工作频带为412-435GHz，45°TM波激励下的3dB工作频带为411-430GHz，该滤波器包括有多行，每一行包括多个周期单元；各行中的周期单元以相同的方式放置，行与行之间的周期单元交叉等间距排布，任一周期单元与其所在行的相邻行的紧邻的两个周期单元呈60°排布；
所述周期单元成正方形，每个单元的边长在295-305um之间；所述周期单元包括一层金属层与两层硅材料层，所述两层硅材料层的物理特性和几何参数完全一致，所述金属层覆盖于所述两层的硅材料层的之间，三者紧密贴合；所述金属层的厚度在3-5um之间，所述硅材料层的厚度均在370-374um之间；
所述金属层整体成平板型，其中央位置开有“十”字形的缝隙，所述缝隙包括中间区域与上下左右的四个区域；其中，中间区域为小正方形，其边长与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个臂，为矩形，外侧呈圆角，圆角半径为3-4um,臂长为中心频率对应波长的12%-13%之间，宽度为中心频率对应波长的5%-6%，且这四个区域大小相等，形状相同，位置相对于中间区域严格对称；所述金属层采用镀金材料实现；
所述的硅材料层采用熔融石英或SiO2晶体制成，其相对介电常数在3.7-4之间，损耗角正切在0.0001-0.0002之间。
上述技术方案中，所述上下左右的四个区域为圆角矩形。
上述技术方案中，所述周期单元的边长为300um。
上述技术方案中，所述金属层的厚度为4um。
上述技术方案中，所述硅材料层的厚度均为372um。
本发明的优点在于：
1、单元结构完全对称，在工作频段对于TE和TM极化波的频率响应稳定；
2、工作频带宽，3dB带宽达20GHz以上；
3、工作频段的功率传输曲线陡峭，对带外频率的隔离度高，选择性好；
4、插入损耗小，滤波特性好；
5、结构简单，便于加工；
6、所选用材料的物理特性稳定，在加工成型后，实际应用中特性漂移小。
附图说明
图1为本发明的空间滤波器的周期单元排列的俯视图；
图2为本发明的空间滤波器整体分层结构的示意图；
图3为本发明的空间滤波器对于TE极化波和TM极化波的频率响应曲线；
图4为本发明的空间滤波器对于TE极化波和TM极化波的相位特性曲线；
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的频率选择表面包括多个周期单元，每一周期单元具有相同的结构。下面首先对周期单元的结构加以描述。
图1为本发明的空间滤波器的周期单元排列的俯视图，图2为本发明的空间滤波器整体分层结构的示意图(为了方便区分，在图中将三层结构分开，实际应用中三层结构紧密贴合，没有间隔)。从图1和图2可以看出，所述的周期单元成正方形，其边长H的取值在295-305um之间。所述周期单元包括一层金属层与两层硅材料层，两层硅材料层的物理特性和几何参数完全一致，所述金属层覆盖于所述两层的硅材料层的之间，三者紧密贴合。所述金属层的厚度T2的取值在3-5um之间。所述硅材料层的厚度T1和T3取值在370-374um之间。作为一种优选实现方式，在本实施例中，所述周期单元的边长为300um，所述金属层的厚度为4um，可采用镀金材料实现。所述硅材料层的厚度为372um。
所述的金属层采用“十”字形的缝隙构型，即金属层整体成平板状，在其中央开有“十”字形的缝隙，该缝隙包括五个区域，即中间区域与上下左右的四个区域；其中，中间区域为小正方形，其边长与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个臂，为矩形，外侧呈圆角，圆角半径为R取3-4um,臂长L的取值为中心频率对应波长的12%-13%之间，宽度W2为中心频率对应波长的5%-6%，且这四个区域大小相等，形状相同，位置相对于中间区域严格对称。作为一种优选实现方式，在本实施例中，圆角半径为R取值为中心频率对应波长的2.0%，臂长L的取值为为中心频率对应波长的12.4%，圆角一侧的边长W1取值为中心频率对应波长的2.3%，所述中间区域小正方形的边长W2取值为中心频率对应波长的5.6%。
所述的硅材料层采用熔融石英或SiO2晶体制成，其相对介电常数在3.7-4之间，损耗角正切在0.0001-0.0002之间，以保证空间滤波器的工作特性得到最大限度的优化。
以上是对本发明的空间滤波器的周期单元的描述。下面对所述周期单元的排布方式加以说明。
参考图1，本发明的空间滤波器包括有多行，每一行中的周期单元都以相同的方式放置，行与行之间的周期单元交错排布，如某一周期单元左、右两侧的边缘与相邻行的周期单元的中心线对齐。这就使得一周期单元与其所在行的相邻行的紧邻的两个周期单元成60°排布，即：某一周期单元上边缘的中心点、其下边缘两侧的顶点、下一行中与该周期单元相邻的两个周期单元的上边缘的中心点(共两个点)、下一行中与该周期单元相邻的左边的周期单元左侧的顶点、下一行中与该周期单元相邻的右边的周期单元右侧的顶点相连，形成一个等边三角形。
本发明的空间滤波器具有良好的工作特性，图3为该空间滤波器对应TE极化波和TM极化波激励下的功率传输特性曲线，图4为该空间滤波器对应TE极化波和TM极化波激励下的相位特性曲线，从图中可以看出，其对于两种极化波，具有稳定的频率响应特性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器，其特征在于，对于TE和TM极化波，其中心频率为保持在424GHz，45°TE波激励下的3dB工作频带为412-435GHz，45°TM波激励下的3dB工作频带为411-430GHz，该滤波器包括有多行，每一行包括多个周期单元；各行中的周期单元以相同的方式放置，行与行之间的周期单元交叉等间距排布，任一周期单元与其所在行的相邻行的紧邻的两个周期单元呈60°排布；
所述周期单元成正方形，每个单元的边长在295-305um之间；所述周期单元包括一层金属层与两层硅材料层，所述两层硅材料层的物理特性和几何参数完全一致，所述金属层覆盖于所述两层硅材料层之间，三者紧密贴合；所述金属层的厚度在3-5um之间，所述硅材料层的厚度均在370-374um之间；
所述金属层整体成平板型，其中央位置开有“十”字形的缝隙，所述缝隙包括中间区域与上下左右的四个区域；其中，中间区域为小正方形，其边长与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个臂，为矩形，外侧呈圆角，圆角半径为3-4um,臂长为中心频率对应波长的12％-13％之间，宽度为中心频率对应波长的5％-6％，且这四个区域大小相等，形状相同，位置相对于中间区域严格对称；所述金属层采用镀金材料实现；
所述的硅材料层采用熔融石英或SiO2晶体制成，其相对介电常数在3.7-4之间，损耗角正切在0.0001-0.0002之间。
2.根据权利要求1所述的极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器，其特征在于，所述周期单元的边长为300um。
3.根据权利要求1所述的极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器，其特征在于，所述金属层的厚度为4um。
4.根据权利要求1所述的极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器，其特征在于，所述硅材料层的厚度均为372um。
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