CN103151580A - 加载分形结构的双频带亚毫米波频率选择表面 - Google Patents
加载分形结构的双频带亚毫米波频率选择表面 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种加载分形结构的亚毫米波频率选择表面，具有双频带通特性，其第一中心工作频率为424GHz，3dB工作频带为387-452GHz；第二中心工作频率为556GHz，3dB工作频带为538-593GHz；该器件由多重周期谐振单元组成的阵列实现，每个周期谐振单元在中央位置开有“Y”形三臂缝隙，且围绕“Y”形缝隙每隔120°加载一个三臂分形缝隙的图案；该频率选择表面包括第一硅材料层、第一金属层、第二硅材料层、第二金属层以及第三硅材料层，五层结构级联，相邻层之间紧密贴合。
Description
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别涉及一种加载分形结构的双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通常应当满足以下技术要求：
1、多频段工作特性：具有多频段的频率响应特性，实现第一级滤波，特别是消除低频信号的干扰，以利于后续的分频网络的运行；
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滤波特性。
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424GHz和556GHz的双频带通亚毫米波空间滤波器。
发明内容
本发明的目的在于设计出中心工作频率为424GHz和556GHz的双频带通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，本发明提供了一种加载分形结构的双频带亚毫米波频率选择表面，具有两种中心工作频率，其第一中心工作频率为424GHz，3dB工作频带为387-452GHz；第二中心工作频率为556GHz，3dB工作频带为538-593GHz；该频率选择表面包括第一硅材料层、第一金属层、第二硅材料层、第二金属层以及第三硅材料层，相邻层之间级联并紧密贴合；其中，
所述第一硅材料层、第二硅材料层以及第三硅材料层都呈平板型，三者的物理特性完全一致；其中的第一硅材料层与第三硅材料层的几何参数完全一致，而第二硅材料层有所不同；所述第一硅材料层与第三硅材料层的厚度在455-465um之间，所述第二硅材料层的厚度在488-495um之间；
所述第一金属层与第二金属层各自成平板型，两者的物理特性与几何参数完全一致，每一金属层的厚度在2-5um之间；每一层金属层均划分为多个周期谐振单元，各个周期谐振单元间交叉等间距分布，任一周期谐振单元与其相邻周期谐振单元呈60°位置关系；两层金属层具有相同的周期谐振单元结构以及周期谐振单元排布方式；
每一周期谐振单元呈正三角形，其边长在226-230um之间；每个周期谐振单元在中心开有“Y”形三臂缝隙，且围绕“Y”形缝隙每隔120°加载一个三臂的分形缝隙；位于中心的“Y”形缝隙的三个臂为矩形，几何参数完全相同，各部分长、宽、边距完全相等，位置相对于中间区域严格对称，中心“Y”形缝隙臂长为第一中心工作频率对应波长的15%-17%之间，宽度为第一中心工作频率对应波长的6%-8%；三个所述三臂的分形缝隙的几何参数完全相同，呈120°关系绕中心“Y”形缝隙分布，每个分形缝隙的三个臂也为矩形结构，臂长为第二中心工作频率对应波长的9%-11%之间，宽度为第二中心工作频率对应波长的3%-5%。
上述技术方案中，所述第一硅材料层、第二硅材料层以及第三硅材料层的相对介电常数介于11-12之间，损耗角正切在0.00001～0.0001之间。
上述技术方案中，所述第一硅材料层、第二硅材料层以及第三硅材料层均采用纯硅制成。
上述技术方案中，所述第一金属层、第二金属层采用镀金材料实现。
上述技术方案中，所述第一硅材料层与第三硅材料层的厚度值为460um。
上述技术方案中，所述第二硅材料层的厚度值为491um。
上述技术方案中，所述金属层的厚度为3um。
上述技术方案中，所述周期谐振单元的边长为228um。
本发明的优点在于：
1、正三角形谐振单元结构上完全对称，加载分形设计，提供在亚毫米波段的双频带通工作特性；
2、工作频带宽，3dB带宽达50GHz以上；
3、工作频段的功率传输曲线陡峭，对带外频率的抑制较强，频率选择性优良；
4、插入损耗小，滤波特性好；
5、结构简单，便于加工；
6、所选用硅材料的物理特性稳定，在加工成型后，实际应用中滤波特性漂移小。
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中的周期谐振单元的俯视图；
图3为本发明的频率选择表面中的周期谐振单元间排列方式的俯视图；
图4为本发明的频率选择表面的频率响应曲线；
图5为本发明的频率选择表面的S参数特性曲线。
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具有两种中心工作频率，其中的第一中心工作频率为424GHz（O2吸收峰），3dB工作频带为387-452GHz；第二中心工作频率为556GHz（H2O吸收峰），3dB工作频带为538-593GHz。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（为了方便说明，在右图中将五层结构分开，实际应用中五层结构紧密贴合级联在一起，没有间隔），如该图所示，本发明的频率选择表面按照从上到下的顺序，包括：第一硅材料层、第一金属层、第二硅材料层、第二金属层以及第三硅材料层，相邻层之间级联并紧密贴合。
所述三层硅材料层都呈平板型，三者的物理特性完全一致。第一硅材料层与第三硅材料层的几何参数完全一致，但与第二硅材料层有所不同。所述第一硅材料层与第三硅材料层的厚度T3的取值在455-465um之间，第二硅材料层的厚度T2应介于488-495um之间。作为一种优选实现方式，在本实施例中，第一硅材料层与第三硅材料层的厚度T3的值为460um，第二硅材料层的厚度T2的值为491um。
所述三层硅材料层均采用纯硅制成，其相对介电常数约为11，损耗角正切在0.00001～0.0001之间，其物理参数稳定，可保证空间滤波器的工作特性得以最大限度的发挥。
所述两层金属层在整体上都呈平板型，在其上各自镂有一定形状的缝隙。两者的物理特性与几何参数完全一致。所述金属层的厚度T1的取值在2-5um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材料实现。
为了说明方便，所述两层金属层中的任意一层均划分为多个周期谐振单元，两层金属层具有相同的周期谐振单元结构以及周期谐振单元排布方式。每一周期谐振单元具有相同的几何参数。下面首先对单个周期谐振单元的结构加以描述。
图2为所述周期谐振单元的俯视图，从图中可以看出，所述周期谐振单元呈正三角形，其边长L1的取值在226-230um之间。作为一种优选实现方式，在本实施例中，所述周期谐振单元的边长L1=228um。每个周期谐振单元在中心开有“Y”形三臂缝隙，且围绕“Y”形缝隙每隔120°加载一个三臂的分形缝隙；中心“Y”形缝隙的三个臂为矩形，几何参数完全相同，各部分长、宽、边距完全相等，位置相对于中间区域严格对称，中心“Y”形缝隙臂长L3为第一中心工作频率对应波长的15%-17%之间，宽度W1为第一中心工作频率对应波长的6%-8%；三个所述三臂的分形缝隙的几何参数也完全相同，呈120°关系绕中心“Y”形缝隙分布，每个分形缝隙的三个臂也为矩形结构，臂长L4为第二中心工作频率对应波长的9%-11%之间，宽度W2为第二中心工作频率对应波长的3%-5%。所述金属层采用镀金或铝材料实现。
以上是对本发明的频率选择表面中金属层上的周期谐振单元的描述。下面对所述周期谐振单元的排布方式加以说明。
参考图3，周期谐振单元在排布时，每个单元间交叉等间距分布，任一周期谐振单元与其相邻周期谐振单元呈60°位置关系；即：某一周期谐振单元上顶点与其他五个单元的顶点重合，顶点重合的任意六个谐振单元围绕一周，从而形成一个完整的正六边形。需要说明的是，两层金属层也具有相同的周期谐振单元排布方式。
本发明的空间滤波器具有良好的工作特性，图4为本发明的频率选择表面的频率响应曲线，图5为该频率选择表面的S参数特性曲线，从图中可以看出，这种加载分形的频率选择表面在亚毫米波段具有稳定的双频带通频率响应特性。
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 (8)
1.一种加载分形结构的亚毫米波频率选择表面，其特征在于，具有双频带通特性，其第一中心工作频率为424GHz，3dB工作频带为387-452GHz；第二中心工作频率为556GHz，3dB工作频带为538-593GHz；该频率选择表面包括第一硅材料层、第一金属层、第二硅材料层、第二金属层以及第三硅材料层，相邻层之间级联并紧密贴合；其中，
所述第一硅材料层、第二硅材料层以及第三硅材料层都呈平板型，三者的物理特性完全一致；其中的第一硅材料层与第三硅材料层的几何参数完全一致，而第二硅材料层有所不同；所述第一硅材料层与第三硅材料层的厚度在455-465um之间，所述第二硅材料层的厚度在488-495um之间；
所述第一金属层与第二金属层各自成平板型，两者的物理特性与几何参数完全一致，每一金属层的厚度在2-5um之间；每一层金属层均划分为多个周期谐振单元，各个周期谐振单元间交叉等间距分布，任一周期谐振单元与其相邻周期谐振单元呈60°位置关系；两层金属层具有相同的周期谐振单元结构以及周期谐振单元排布方式；
每一周期谐振单元呈正三角形，其边长在226-230um之间；每个周期谐振单元在中心开有“Y”形三臂缝隙，且围绕“Y”形缝隙每隔120°加载一个三臂的分形缝隙；位于中心的“Y”形缝隙的三个臂为矩形，几何参数完全相同，各部分长、宽、边距完全相等，位置相对于中间区域严格对称，中心“Y”形缝隙臂长为第一中心工作频率对应波长的15%-17%之间，宽度为第一中心工作频率对应波长的6%-8%；三个所述三臂的分形缝隙的几何参数完全相同，呈120°关系绕中心“Y”形缝隙分布，每个分形缝隙的三个臂也为矩形结构，臂长为第二中心工作频率对应波长的9%-11%之间，宽度为第二中心工作频率对应波长的3%-5%。
2.根据权利要求1所述的加载分形结构的双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、第二硅材料层以及第三硅材料层的相对介电常数介于11-12之间，损耗角正切在0.00001～0.0001之间。
3.根据权利要求1所述的加载分形结构的双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、第二硅材料层以及第三硅材料层均采用纯硅制成。
4.根据权利要求1所述的加载分形结构的双频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述第一金属层、第二金属层采用镀金材料实现。
5.根据权利要求1所述的加载分形结构的双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三硅材料层的厚度值为460um。
6.根据权利要求1所述的加载分形结构的双频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述第二硅材料层的厚度值为491um。
7.根据权利要求1所述的加载分形结构的双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。
8.根据权利要求1所述的加载分形结构的双频带亚毫米波频率选择表面，其特征在于，所述周期谐振单元的边长为228um。
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