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
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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