CN103219568B - 宽带频率选择器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带频率选择器，主要解决现有技术单元尺寸较大，在电磁波大角度入射时性能较差的问题。其包括金属层（1）和介质层（2），金属层位于介质层上，由N个按三角形栅格周期排列的六边形单元（11）组成，N≥3；每个单元包括正六边形金属贴片（111）与外围的正六边形金属线框（112），该金属贴片与金属线框之间设有正六边形缝隙（113），每个正六边形缝隙的各边居中位置垂直刻蚀有一个大小相等的H型缝隙（114）；每个H型缝隙包括两条大小相同的垂直缝和夹在该两条垂直缝之间的一条水平缝。本发明能在电磁波以0～70度入射时保持中心频点的稳定性和较好的频率选择特性，并具有工作频带宽，损耗低，结构简单，易于实现的优点，可用于雷达天线罩及抛物面天线。

Description

宽带频率选择器

技术领域

本发明属于频率选择器件技术领域，特别涉及一种频率选择表面结构，该结构具有宽带特性以及在0～70度的电磁波大角度入射时的性能稳定性，可用于雷达天线罩及抛物面天线。

技术背景

频率选择器是指一类具有频率选择特性的器件，能够有效滤除特定频率的波或该频率以外的波，从而得到一个特定频率的信号或消除一个特定频率的信号。目前，应用最为广泛的频率选择器主要有滤波器、频率选择表面等。

其中，频率选择表面FSS是指一类由特定形状的导体贴片或孔径单元所构成的二维周期阵列结构，该结构能够与特定频率的电磁波相互作用从而表现出全反射或全透射特性，具有良好的频率选择和极化选择特性，能够有效控制电磁波的传输与反射。因此，频率选择表面可以看作是一种对频率、入射角、极化方式等均有作用的空间滤波器。

在工程中，频率选择表面因其所具有的空间滤波特性已被广泛应用于电磁隐身、通信、电磁兼容等诸多领域。目前，在诸如雷达天线罩、飞行器隐身等FSS常见应用领域都已提出了需要相应结构在电磁波大角度入射时能正常工作的要求，然而传统的频率选择表面结构不仅单元尺寸较大，而且在平面波以不同角度入射时的性能不够稳定，容易产生较大的谐振频率偏移，尤其在大角度入射时其性能恶化明显，可造成频率选择表面在特定频段的频率选择特性失效，从而影响整体结构的性能，这极大地影响了频率选择表面的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种高角度稳定性宽带频率选择器，以在电磁波大角度入射时保持中心频点的稳定性和较好的频率选择特性。

为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案：

技术方案一

一种宽带频率选择器，包括金属层和介质层，金属层位于介质层上，其特征在于：金属层由若干个呈周期性排布的六边形单元组成，每个六边形单元包括正六边形金属贴片与外围的正六边形金属线框，该金属贴片与金属线框之间设有正六边形缝隙，每个正六边形缝隙的居中垂直刻蚀有H型缝隙，这些H型缝隙大小相等并呈中心对称分布结构。

作为优选，所述的介质基板采用相对介电常数为2.65～4.4的有机高分子聚合物基板,基板厚度为1mm。

作为优选，所述的金属层上的每个六边形单元均按三角形栅格周期排列，相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.12～0.18倍。

作为优选，所述的H型缝隙包括两条大小相同的垂直缝和夹在该两条垂直缝之间的一条水平缝，垂直缝的长度l₁与水平缝的长度l₂比例为：l₁:l₂=2:1。

作为优选，所述的H型缝隙中的垂直缝宽度l₄和水平缝宽度l₅均与正六边形缝隙的宽度l₃相等，0.1mm≤l₃≤0.5mm。

作为优选，所述的正六边形金属线框的宽度l₆为:l₃≤l₆≤0.5mm。

技术方案二

一种宽带频率选择器，包括金属层和介质层，金属层位于介质层上，其特征在于：金属层由若干个呈周期性排列的六边形单元组成，每个六边形单元包括一个正六边形缝隙、一个正六边形金属环和六个大小相等的H型金属枝节；每个H型金属枝节位于正六边形金属环一边的中部，且与该边垂直连接；正六边形缝隙位于正六边形金属环的外围。

作为优选，所述的宽带频率选择器，其特征在于：金属层上的每个六边形单元按三角形栅格周期排列，相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.10～0.17倍。

作为优选，所述的H型金属枝节包括两条大小相同的垂直金属条和夹在该两条垂直金属条之间的一条水平金属条，垂直金属条的长度l₁与水平金属条的长度l₂比例为：l₁:l₂=2:1；H型金属枝节中的垂直金属条宽度l₄和水平金属条宽度l₅均与正六边形金属环的宽度l₃相等，0.1mm≤l₃≤0.5mm。

作为优选，所述的正六边形缝隙的宽度l₆为：l₃≤l₆≤0.5mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明所采用的频率选择器单元为正六边形结构，而且引入的H型缝隙或H型金属枝节呈中心对称分布，可有效降低材料对平面波不同极化和不同角度入射时的敏感度，从而能够在电磁波大角度入射时保持中心频点的稳定性和较好的频率选择特性。

（2）本发明通过在频率选择器的结构单元中引入六个大小相等的H型缝隙或H型金属枝节产生了较长的感应电流路径，有效减小了整个结构的电尺寸，相邻单元中心之间的距离仅为电磁波谐振波长的0.10～0.18倍。

（3）本发明的结构参数较少，实现简单，易于设计优化，并可通过适当调整周期单元中金属线框的宽度和H型缝隙或H型金属枝节的各项参数，从而在保持单元结构周期大小不变的情况下适当改变频率选择器的工作频带。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明技术方案一中的六边形单元结构示意图；

图3是用本发明仿真得到的散射参数结果图；

图4是本发明在橫电波TE极化下以不同角度入射时的传输系数仿真结果图；

图5是本发明在橫磁波TM极化下以不同角度入射时的传输系数仿真结果图；

图6是本发明技术方案二中的六边形单元结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本发明包括金属层1和介质层2，金属层位于介质层上表面，采用单层覆铜板构成。金属层上刻蚀有N个六边形单元11，这些六边形单元按三角形栅格周期排布，且相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.155倍。介质层采用相对介电常数为2.65的有机高分子聚合物基板，厚度为1mm，N≥3。

参照图2，每个六边形单元11包括正六边形贴片111与正六边形金属线框112，金属贴片111与金属线框112之间设有正六边形缝隙113，该正六边形缝隙宽度l3取值为0.2mm。正六边形金属线框的周长为46λ/100，线框宽度l₆为0.2mm。在正六边形缝隙113上设有六个H型缝隙114，这些H型缝隙大小相等，且分别垂直位于正六边形缝隙113各边的中间位置，呈中心对称分布结构。

每个H型缝隙由两条大小相同的垂直缝和夹在该两条垂直缝之间的一条水平缝构成，该水平缝位于两条垂直缝的中间位置，垂直缝的长度l₁为4λ/100，水平缝的长度l₂为2λ/100，λ为中心频率对应波长。

H型缝隙中的垂直缝宽度l₄和水平缝宽度l₅均与正六边形缝隙113宽度l₃相等。

实施例2

参照图1，本发明采用单层覆铜板构成，包括金属层1和介质层2，金属层位于介质层上表面。介质层采用相对介电常数为4.4的有机高分子聚合物基板，厚度为1mm。金属层上刻蚀有N个六边形单元11，这些六边形单元按三角形栅格周期排列，且相邻单元中心间距为中心频率对应波长的0.12倍，N≥3。

参照图2，每个六边形单元11包括正六边形贴片111与正六边形金属线框112，正六边形金属线框的周长为36λ/100，线框宽度l₆为0.1mm，金属贴片111与金属线框112之间设有正六边形缝隙113，该正六边形缝隙宽度l₃取值为0.1mm。在正六边形缝隙113上设有六个大小相等的H型缝隙114，这些H型缝隙分别垂直位于正六边形缝隙113各边的中间位置，呈中心对称分布结构。每个H型缝隙由两条垂直缝和夹在该两垂直缝之间的一条水平缝构成，该两垂直缝大小相等，长度l₁为3λ/100，水平缝的长度l₂为3λ/200，H型缝隙中的垂直缝宽度l₄和水平缝宽度l₅均与正六边形缝隙113宽度l₃相等。λ为中心频率对应波长。

实施例3

本实例的结构与实施例1相同。其不同结构参数如下：

介质层采用相对介电常数为3.27的有机高分子聚合物基板，金属层上刻蚀的六边形单元11有N为93个，这些六边形单元按三角形栅格周期排布的，且相邻的六边形单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.18倍。

每个六边形单元的正六边形金属线框的周长为54λ/100，正六边形缝隙宽度l₃为0.5mm，线框宽度l₆为0.5mm。

实施例4

参照图1，本发明包括金属层1和介质层2，金属层位于介质层上表面，采用单层覆铜板构成。金属层上刻蚀有N个六边形单元12，这些六边形单元按三角形栅格周期排布，且相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.148倍。介质层采用相对介电常数为2.65的有机高分子聚合物基板，厚度为1mm，N≥3。

参照图6，每个六边形单元包括一个正六边形缝隙121、一个正六边形金属环122和六个大小相同的H型金属枝节123，每个H型金属枝节位于正六边形金属环122一边的中部，且与该边垂直连接，呈中心对称分布。正六边形缝隙的宽度l₆为0.2mm，正六边形金属环的宽度l₃为0.2mm，周长为0.44λ。

每个H型金属枝节由两条大小相同的垂直金属条和夹在该两条垂直金属条之间的一条水平金属条构成，该水平金属条位于两条垂直金属条的中间位置，垂直金属条的长度l₁为0.038λ，水平金属条的长度l₂为0.019λ，λ为中心频率对应波长。

H型金属枝节中的垂直金属条宽度l₄和水平金属条宽度l₅均与正六边形金属环113宽度l₃相等。

实施例5

参照图1，本发明采用单层覆铜板构成，包括金属层1和介质层2，金属层位于介质层上表面。金属层上刻蚀有N个按三角形栅格周期排布的六边形单元12，这些六边形单元相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.10倍。介质层采用相对介电常数为4.4的有机高分子聚合物基板，厚度为1mm，N≥3。

参照图6，每个六边形单元包括一个正六边形缝隙121、一个正六边形金属环122和六个大小相同的H型金属枝节123，每个H型金属枝节位于正六边形金属环122一边的中部，且与该边垂直连接，呈中心对称分布。正六边形缝隙的宽度l₆为0.1mm，正六边形金属环的宽度为0.1mm，周长为0.3λ，每个H型金属枝节由两条垂直金属条和夹在该两垂直金属条之间的一条水平金属条构成，该两垂直金属条大小相等，长度l₁为0.026λ，水平缝的长度l₂为0.013λ，H型金属枝节中的垂直金属条宽度l₄和水平金属条宽度l₅均与正六边形金属环123宽度l₃相等。λ为中心频率对应波长。

实施例6

本实例的结构与实施例4相同。其不同结构参数如下：

介质层采用相对介电常数为3.27的有机高分子聚合物基板，金属层上刻蚀的六边形单元11有N为100个，这些六边形单元按三角形栅格周期排布的，且相邻的六边形单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.17倍。

每个六边形单元的正六边形金属环的宽度l₃为0.5mm，正六边形金属环的周长为0.50λ，正六边形缝隙宽度l₆为0.5mm。

本发明的优点可通过对实施例1的仿真结果进一步说明：

对本发明实施例1中频率选择器的六边形单元进行建模仿真，得到该六边形单元的散射参数与频率之间的关系曲线如图3所示。

从图3中可看出，本发明满足传输系数S21大于-1dB要求的相对带宽为28.7%，由此可以看出本发明在较宽的工作频段内具有良好的传输特性。

对本发明实施例1中的六边形单元在不同极化波情况下的角度稳定性进行仿真,入射角分别设为0°、30°、45°、60°和70°，选取平面波为TE极化波时，得到该六边形单元的传输系数与频率之间的关系曲线如图4所示。选取平面波为TM极化波时，得到该六边形单元的传输系数与频率之间的关系曲线如图5所示。

从图4和图5中可以看出，在不同入射角度的情况下，本发明的六边形单元的谐振频率基本稳定在1.5GHz。本发明的频率选择器由N个六边形单元构成，只要选取N≥3，其结构特性就基本等同于六边形单元性能，由此可以看出本发明对于不同极化的入射波都能够保持中心频点的稳定性和较好的频率选择特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，不构成对本发明的任何限制。需要说明的是，附图中示意的频率选择器为平板状结构，也可根据需求来设计频率选择器的形状以满足实际应用，如设计成菱形、正六边形等，也可采用多个平板结构拼接成所需形状，本发明对此不作限制。应当指出，通过合理调节本发明的结构尺寸和参数，可灵活调节频率选择器的工作频段。所以，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宽带频率选择器，包括金属层(1)和介质层(2)，金属层位于介质层上，其特征在于：金属层由若干个呈周期性排布的六边形单元(11)组成，每个六边形单元包括正六边形金属贴片(111)与外围的正六边形金属线框(112)，该金属贴片(111)与金属线框(112)之间设有正六边形缝隙(113)，每个正六边形缝隙(113)的各边居中位置垂直刻蚀有H型缝隙(114)，这些H型缝隙大小相等并呈中心对称分布结构；

所述的H型缝隙(114)包括两条大小相同的垂直缝和夹在该两条垂直缝之间的一条水平缝，垂直缝的长度l₁与水平缝的长度l₂比例为：l₁:l₂＝2:1。

2.根据权利要求1所述的宽带频率选择器，其特征在于：介质层(2)采用相对介电常数为2.65～4.4的有机高分子聚合物基板，基板厚度为1mm。

3.根据权利要求1所述的宽带频率选择器，其特征在于：金属层上的每个六边形单元均按三角形栅格周期排列，相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.12～0.18倍。

4.根据权利要求1所述的宽带频率选择器，其特征在于：H型缝隙中的垂直缝宽度l₄和水平缝宽度l₅均与正六边形缝隙(113)的宽度l₃相等，0.1mm≤l₃≤0.5mm。

5.根据权利要求1所述的宽带频率选择器，其特征在于：正六边形金属线框(112)的宽度l₆为:l₃≤l₆≤0.5mm。

6.一种宽带频率选择器，包括金属层(1)和介质层(2)，金属层位于介质层上，其特征在于：金属层由若干个呈周期性排列的六边形单元(12)组成，每个六边形单元包括一个正六边形缝隙(121)、一个正六边形金属环(122)和六个大小相等的H型金属枝节(123)，H型金属枝节(123)包括两条大小相同的垂直金属条和夹在该两条垂直金属条之间的一条水平金属条，垂直金属条的长度l₁与水平金属条的长度l₂比例为：l₁:l₂＝2:1；每个H型金属枝节位于正六边形金属环(122)一边的中部，且与该边垂直连接，正六边形缝隙(121)位于正六边形金属环(122)的外围。

7.根据权利要求6所述的宽带频率选择器，其特征在于：金属层上的每个六边形单元按三角形栅格周期排列，相邻单元中心之间的距离为中心频率对应波长的0.10～0.17倍。

8.根据权利要求6所述的宽带频率选择器，其特征在于：H型金属枝节中的垂直金属条宽度l₄和水平金属条宽度l₅均与正六边形金属环(122)的宽度l₃相等，0.1mm≤l₃≤0.5mm。

9.根据权利要求6所述的宽带频率选择器，其特征在于：正六边形缝隙(121)的宽度l₆为：l₃≤l₆≤0.5mm。