CN103151579A - 基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其工作的中心频率为340GHz，3dB工作频带为273-405GHz，具有超宽带的频率响应；该频率选择表面包括第一硅材料层、金属层和第二硅材料层，这三层之间级联并紧密贴合；其中，第一硅材料层与第二硅材料层各自成平板型，两者具有相同的物理特性和几何参数，它们的厚度在370-375um之间；金属层在整体上呈平板型，其厚度在2-4um之间，包括有多个周期单元，每个周期单元的中心位置开有“十”字形的缝隙，且在缝隙内部镶嵌有“十”字分形金属平板。所述多个周期单元呈规则的阵列排布。
Description
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别涉及一种基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面。
背景技术
频率选择表面（Frequency Selective Surfaces，FSS）通常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，对其工作频带内的电磁波具有很好的透过或者抑制作用，具有空间滤波的功能。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。
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，通过使用频率选择表面，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、宽频带特性：具有较好的频率响应特性，实现第一级滤波，特别是消除低频信号的干扰，为后续的分频网络做准备；
2、损耗低：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形状、尺寸参数及介质特性，以达到设计指标要求的透波特性。
3、入射角条件：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的影响，以实现最佳的选频特性。
4、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。
频率选择表面的工作频率与受几何参数的影响最大，工作频率越高，几何尺寸越小。此外，频率选择表面工作频率还与其单元形状有关。
现有技术中尚不存在针对中心频率为340GHz的宽频带亚毫米波的频率选择表面。
发明内容
本发明的目的在于设计出中心频率为340GHz的宽频带亚毫米波频率选择表面，从而为准光学微波遥感探测设备的前段网络搭建可靠的无源分频网络。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其工作的中心频率为340GHz，3dB工作频带为273-405GHz，具有超宽带的频率响应；该频率选择表面包括第一硅材料层、金属层和第二硅材料层，这三层之间级联并紧密贴合；其中，
所述第一硅材料层与第二硅材料层各自成平板型，两者具有相同的物理特性和几何参数，它们的厚度在370-375um之间；
所述金属层整体上呈平板型，其厚度在2-4um之间，包括有多个周期单元，所述多个周期单元呈规则的阵列排布；
每一周期单元成正方形，其边长L1的取值在215-225um之间；在每个周期单元中心位置开有“十”字形的缝隙，且在“十”字形缝隙内部嵌套有“十”字分形金属平板；其中，
所述“十”字分形金属平板包括中间区域与上下左右的四个区域，所述中间区域为正方形，其边长W4与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个矩形的臂，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“十”分形金属平板的臂的长度W2为中心频率对应波长的5%-7%之间，所述“十”分形金属平板的臂的宽度W4为中心频率对应波长的2%-3%；
所述“十”字形缝隙包括中间区域与上下左右的四个区域，所述中间区域为正方形，其边长W3与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个矩形的臂，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“十”字形缝隙的臂的长度W1为中心频率对应波长的12%-13%之间，所述“十”字形缝隙的臂的宽度W3为中心频率对应波长的5%-6%。
上述技术方案中，所述第一硅材料层与第二硅材料层的相对介电常数在3.7-4之间，损耗角正切在0.0001-0.0002之间。
上述技术方案中，所述第一硅材料层与第二硅材料层采用熔融石英或SiO2晶体制成。
上述技术方案中，所述金属层可采用镀金或铝材料实现。
上述技术方案中，所述周期单元的边长为220um。
上述技术方案中，所述第一硅材料层与第二硅材料层的厚度为372um。
上述技术方案中，所述金属层的厚度为3um。
本发明的优点在于：
1、单元结构完全对称，采用分形结构设计，在亚毫米波段具有超宽带频率响应；
2、工作频段的功率传输曲线陡峭，对工作带外频率的抑制高，频率选择性好；
3、插入损耗小，滤波特性好；
4、结构简单，便于实际加工，受几何参数的误差影响小；
5、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为本发明的频率选择表面整体分层结构的侧视示意图；
图2为本发明的频率选择表面的金属层中的周期单元的俯视图；
图3为本发明的频率选择表面的金属层中的各个周期单元之间的分布示意图；
图4为本发明的频率选择表面对于电磁波的功率传输特性曲线的示意图；
图5为本发明的频率选择表面的S参数特性曲线的示意图。
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主要针对中心频率为340GHz的宽频带亚毫米波。图1为所述频率选择表面整体分层结构的侧视示意图（为了方便区分，在右图将三层结构分开，实际应用中三层结构紧密贴合，没有间隔）。参考图1，该频率选择表面包括三层，按照从上到下的顺序，分别为第一硅材料层、金属层和第二硅材料层，这三层之间级联并紧密贴合。
第一硅材料层与第二硅材料层的物理特性和几何参数完全一致，各自成平板型，它们的厚度T1、T3大小相等，取值范围在370-375um之间。作为一种优选实现方式，本实施例中第一硅材料层与第二硅材料层的厚度为372um。
所述第一硅材料层与第二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。
所述金属层在整体上呈平板型，但在其上镂有一定形状的缝隙。所述金属层的厚度T2的取值在2-4um之间，作为一种优选实现方式，在本实施例中其厚度为3um。所述金属层可采用镀金或铝材料实现。
为了说明方便，所述金属层可分为多个周期单元，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2为所述周期单元的俯视图，从图中可以看出，所述周期单元成正方形，其边长L1的取值在215-225um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220um。在每个周期单元中心位置开有“十”字形的缝隙，且在“十”字形缝隙内部嵌套有“十”字分形金属平板。所述“十”字分形金属平板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W4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，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；“十”分形平板臂长W2为中心频率对应波长的5%-7%之间，宽度W4为中心频率对应波长的2%-3%。“十”字缝隙也具有与“十”字分形金属平板相类似的结构特征，其臂长W1为中心频率对应波长的12%-13%之间，宽度W3为中心频率对应波长的5%-6%。
以上是对单个周期单元的描述，下面对周期单元的排布方式加以说明。
参考图1和图3，本发明的频率选择表面中的金属层包括有多行，每一行中的周期单元都以相同的方式放置，相邻行中的周期单元也以相同的方式放置，所有周期单元呈规则的阵列排布。
本发明的频率选择表面具有良好的工作特性，图4为本发明的频率选择表面对于电磁波的功率传输特性曲线，图5为本发明的频率选择表面的双端口S参数特性曲线，从图中可以看出，其在亚毫米波段具有超宽带的频率响应特性。
本发明的频率选择表面可以作为多工器应用于雷达、卫星等通信系统，也可以应用于亚毫米波准光系统的前端的波束分离网络中，具有广泛的用途。
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 (7)
1.一种基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，其工作的中心频率为340GHz，3dB工作频带为273-405GHz，具有超宽带的频率响应；该频率选择表面包括第一硅材料层、金属层和第二硅材料层，这三层之间级联并紧密贴合；其中，
所述第一硅材料层与第二硅材料层各自成平板型，两者具有相同的物理特性和几何参数，它们的厚度在370-375um之间；
所述金属层整体上呈平板型，其厚度在2-4um之间，包括有多个周期单元，所述多个周期单元呈规则的阵列排布；
每一周期单元成正方形，其边长L1的取值在215-225um之间；在每个周期单元中心位置开有“十”字形的缝隙，且在“十”字形缝隙内部嵌套有“十”字分形金属平板；其中，
所述“十”字分形金属平板包括中间区域与上下左右的四个区域，所述中间区域为正方形，其边长W4与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个矩形的臂，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“十”分形金属平板的臂的长度W2为中心频率对应波长的5%-7%之间，所述“十”分形金属平板的臂的宽度W4为中心频率对应波长的2%-3%；
所述“十”字形缝隙包括中间区域与上下左右的四个区域，所述中间区域为正方形，其边长W3与其他四个区域的宽度相等；上下左右四个区域是四个矩形的臂，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“十”字形缝隙的臂的长度W1为中心频率对应波长的12%-13%之间，所述“十”字形缝隙的臂的宽度W3为中心频率对应波长的5%-6%。
2.根据权利要求1所述的基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述第一硅材料层与第二硅材料层的相对介电常数在3.7-4之间，损耗角正切在0.0001-0.0002之间。
3.根据权利要求2所述的基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述第一硅材料层与第二硅材料层采用熔融石英或SiO2晶体制成。
4.根据权利要求1所述的基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述金属层可采用镀金或铝材料实现。
5.根据权利要求1所述的基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述周期单元的边长为220um。
6.根据权利要求1所述的基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述第一硅材料层与第二硅材料层的厚度为372um。
7.根据权利要求1所述的基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述金属层的厚度为3um。
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