CN104319486A - 一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板 - Google Patents

一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板，属于通信技术领域，用于解决现有反射板阻带较窄的问题。其包括m×n个频率选择表面单元(1)和介质基板(2)，所述频率选择表面单元(1)印制在介质基板(2)上，且沿其所在的X、Y轴周期排布。频率选择表面单元(1)由中间设有四角星缝隙(5)的锯齿状梭形十字贴片(3)和四个外半径等比缩减的圆环贴片(4)组成，该四个圆环贴片(4)分别位于锯齿状梭形十字贴片(3)相邻两臂的正中间，且按顺时针或逆时针依次周向排布。本发明展宽了反射板阻带带宽，实现了阻带两端传输系数的陡降，在保证超宽带天线辐射特性的同时，不影响其它频段电磁波的传输，可用于超宽带定向辐射天线。

Description

一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板，特别涉及一种用于定向辐射超宽带天线的超宽阻带频率选择表面反射板，可用于卫星通信、移动通信、超宽带反射面天线等领域中。 
背景技术
作为超宽带无线电系统中不可或缺的组件，超宽带天线在超宽带技术中起着举足轻重的作用。超宽带天线的有形式，如平面单极子天线、螺旋天线、指数渐变槽线天线等，在实际的工程中往往需要定向辐射才能保证发射和接收质量，因此通常采用附加反射板的方式使超宽带天线定向辐射或进一步加强定向天线的方向性。目前，常见的反射板一般采用金属板，它具有在全频带都具有高反射率的特点。在电磁频谱日益拥挤以及电磁环境日益复杂的今天，金属反射板不光会反射自身天线的电磁波，还有可能会对附近其他天线的电磁波产生影响，因此，金属反射板在全频段高反射率的优点恰恰也是其难以克服的缺点。 
频率选择表面是一种二维周期性结构，本身并不吸收能量，却能起到滤波的作用。作为一种空间滤波器，频率选择表面能够有效地控制入射电磁波的发射和传输。频率选择表面从传输性能上可以分为两类：一类是对其通带内的电磁波呈现全透射特性的带通型频率选择表面，另一类是对其阻带内的电磁波呈现出全反射特性的带阻型频率选择表面。带阻型频率选择表面可反射特定频段的电磁波，特定频段外的电磁波可以完全透过，所以带阻型频率选择表面是一种理想的天线反射板。传统的带阻型频率选择表面大多为窄带工作，即只能在很窄的频带实现全反射。 
为了改善传统的带阻型频率选择表面阻带窄的缺陷，国内外相继研发出了性能优良的不同类型频率选择表面，如中国专利申请：“一种超宽带的频率选择表面结构的天线反射器”，(公布日2012.07.25，公开号CN 102610925 A)，该专利公开的天线反射器的每个频率选择表面单元，是由四个相同的子频率选择表面单元构成，其优点在于实现了单元的小型化，并展宽了阻带带宽，但是该反 射器存在阻带带宽无法达到3倍频程的缺点，同时在阻带之外该反射器的反射系数依然较高，透波特性不足。 
另外，中国专利申请“基于分型结构的宽频带亚毫米波频率选择表面”(公布日2013.06.12，公布号CN 103151579 A)，该分型结构频率选择表面的优点是具有宽带的频率响应，3dB工作频带为273-405GHz。但该频率选择表面只能应用于亚毫米波波段，无法使用在微波波段的超宽带天线上；此外，该频率选择表面的相对带宽为1.48倍频，低于工作带宽为3倍频以上的超宽带天线的要求。 
上述公开的宽频带频率选择表面虽然展宽了阻带带宽，但幅度有限，仅能实现3倍频以下的工作带宽，无法满足超宽带天线的要求。 
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板，以解决现有频率选择表面阻带较窄的问题，可用于定向辐射超宽带天线。 
为实现以上目的，本发明包括m×n个频率选择表面单元1和介质基板2，所述频率选择表面单元1印制在介质基板2的上表面，且沿其所在的X轴和Y轴方向周期排布，其特征在于：所述频率选择表面单元1由锯齿状梭形十字贴片3和四个不同半径的圆环贴片4组成，所述锯齿状梭形十字贴片3中间设置有四角星缝隙5，所述四个不同半径的圆环贴片4分别位于锯齿状梭形十字贴片四个臂的正中间。 
所述介质基板2为厚度是h的FR4材料。 
所述锯齿状梭形十字贴片3的四个臂长度相等，这四个臂分别伸向45°、135°、225°和315°方向。该锯齿状梭形十字贴片3的锯齿宽度w＝(1/10～1/16)l，锯齿高度h1＝k w，其中0.65≤k≤0.75，l为锯齿状梭形十字贴片3相邻两臂顶点之间的距离。 
所述四角星缝隙5与锯齿状梭形十字贴片3的中心重合，该四角星缝隙5的四个角与锯齿状梭形十字贴片3的四个臂的伸展方向相同。 
所述四个不同半径圆环贴片4由第一圆环贴片41、第二圆环贴片42、第三圆环贴片43和第四圆环贴片44组成，该四个圆环贴片的宽度均为d，d的取值范围为0.1mm≤d≤0.5mm。该四个圆环贴片41、42、43和44的外半径分别为r1、 r2、r3和r4，其中r1＝2～2.6mm，其余外半径满足r2＝r1t、r3＝r1t2、r4＝r1t3，系数t满足0.6≤t≤0.9；该四个圆环贴片按顺时针或逆时针、并依其外半径由大到小依次周向排布，且其中心位于以齿状梭形十字贴片中心为圆心的虚拟圆上。 
所述频率选择表面单元1在X轴和Y轴方向上的数量满足m≥20，n≥20，且相邻单元中心之间的距离为L，其中L＞l。 
本发明与现有技术相比，具有如下优点： 
1.本发明通过对传统方形贴片进行准分形处理，得到带有锯齿状结构的梭形十字贴片，采用这一设计在不致使频率选择表面单元几何尺寸过大的情况下，有效地增加频率选择表面单元的电尺寸，从而展宽了频率选择表面阻带带宽，满足了更多用户的需要。 
2.本发明通过在锯齿状梭形十字贴片上设置四角星缝隙，在不影响频率选择表面超宽阻带特性的同时，使其阻带两端产生陡降，从而使该频率选择表面阻带和通带之间产生突变，使阻带接近陡降处有更好的反射效果，而通带接近陡降处有良好的透射效果，避免频率在阻带和通带渐变频段电磁波的干扰，从而避免加载本发明的超宽带天线对周围其他天线工作频带的电磁波产生影响。 
3.本发明通过设置四个圆环贴片，提供了新的谐振频点，使频率选择表面在工作频带之外具有更好的透波效果，即在工作频带之外传输电磁波的能力更强，从而进一步避免加载本发明的超宽带天线对周围其他天线正常工作的干扰。 
附图说明
图1为本发明的结构示意图； 
图2为本发明的频率选择表面单元结构示意图； 
图3为本发明的锯齿状梭形十字贴片结构示意图； 
图4为本发明的四角星缝隙结构示意图； 
图5为本发明圆环贴片结构示意图； 
图6为本发明在不同极化平面波照射下反射系数和透射系数的结果图； 
图7为本发明在不同角度平面波照射下反射系数和透射系数的结果图； 
图8加载本发明反射板天线与加载金属反射板天线阻抗带宽对比图； 
图9加载本发明反射板天线与加载金属反射板天线轴比带宽对比图； 
图10加载本发明反射板天线与加载金属反射板天线增益方向图对比图。 
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案以及与现有技术相比所体现的优点更加清晰明了，以下结合附图和具体实施例作进一步的详细描述。应当理解，以下的描述仅是对本发明的解释，不构成对本发明的限制。 
参照图1，为了满足可用于定向辐射超宽带天线反射板的要求，本发明在超宽阻带频率选择表面的基础上设计了一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板。该反射板由印制在介质基板2上的m×n个频率选择表面单元1构成，该m×n个频率选择表面单元分别沿其所在的X、Y轴方向周期排布，其中m≥20、n≥20；相邻频率选择表面单元的周期即中心间距为L，介质基板2为厚度是h的FR4材料。本发明的反射板通过改变频率选择表面单元的结构和尺寸，克服现有频率选择表面无法实现3倍频以上工作带宽的缺点，实现超宽带天线对于其工作频段电磁波的反射，同时又不影响其它频段电磁波的传播。 
参照图2，本发明的频率选择表面单元2包括锯齿状梭形十字贴片3和圆环贴片4，其中锯齿状梭形十字贴片3上设置有四角星缝隙5，且二者的中心重合，该四角星缝隙5的四个角与锯齿状梭形十字贴片3的四个臂的伸展方向相同；所述圆环贴片4数量设置为四个，且四个圆环贴片分别位于锯齿状梭形十字贴片3相邻两臂的正中间，并按圆环贴片外半径由大到小顺时针或逆时针依次排布，四个圆环贴片的中心位于以锯齿状梭形十字贴片3中心为圆心的圆上，应保证最大圆环贴片不与锯齿状梭形十字贴片3相接处。将该频率选择表面单元沿其所在的X、Y轴方向周期排布，构成频率选择表面。 
参照图3，本发明通过对传统的方形贴片进行准分形处理，得到锯齿状梭形十字贴片3，该锯齿状梭形十字贴片3的四个臂长度相等，分别伸向45°、135°、225°、315°方向，相邻两臂顶点间距为l，其中l<L；锯齿宽度为w＝(1/10～1/16)l，锯齿高度h1＝k w，其中0.65≤k≤0.75。与传统方形贴片相比，锯齿状梭形十字贴片3可以在不改变单元几何尺寸的情况下，有效地增加频率选择表面单元的电尺寸，即在与方形贴片具有相同电尺寸的情况下，锯齿状梭形十字贴片可以实现频率选择表面的小型化，从而可以实现频率选择表面的超宽阻带特性，满足了更多用户的需要。 
参照图4，为了实现频率选择表面阻带和通带之间的突变，在锯齿状梭形 十字贴片3上设置四角星缝隙5，该四角星缝隙5相邻两角顶点间距为l1，且满足6mm≤l1≤11.6mm；中心宽度为w1，w1满足0.8mm≤w1≤2mm。四角星缝隙5与锯齿状梭形十字3的相对位置可参考图2。在锯齿状梭形十字3的中间设置四角星缝隙5，该设计不会影响频率选择表面的超宽阻带特性，同时可以使工作频带两端产生陡降，从而使阻带和通带之间的渐变频率区间变窄，使原来处于渐变频率区间的电磁波可以有效透过，实现本发明对超宽带天线工作频带内电磁波的反射及对超宽带天线工作频带外电磁波的透射。 
参照图5，为了使频率选择表面在工作频带外具有更好的透射效果，设计了四个宽度在一定范围内变化且外半径等比缩减的圆形贴片4，该四个圆环贴片的宽度均为d，d的取值范围为0.1mm≤d≤0.5mm，四个圆环贴片的外半径分别为r1、r2、r3、r4，其中r1＝2～2.6mm，且满足r2＝r1t、r3＝r1t2、r4＝r1t3，其中0.6≤t≤0.9。圆形贴片4与锯齿状梭形十字3的相对位置可参考附图2。设置圆形贴片可提供新的谐振频点，使频率选择表面对工作频带之外的电磁波具有更强的传输能力，从而避免定向辐射天线对周围其他天线的电磁波产生影响。 
参照图6，是本发明在不同极化平面波照射下反射系数和透射系数的结果图，其中6(a)为反射板在平面波以TE和TM两种模式照射下的反射系数曲线；6(b)为本发明反射板在平面波以TE和TM两种模式照射下的传输系数曲线，从图中可以看出，本发明的反射板在TE和TM两种模式下的-3dB阻带带宽为1.6GHz-6.2GHz，满足超宽带天线反射板3倍频阻带带宽的要求。 
参照图7，是本发明在不同角度平面波照射下反射系数和透射系数的结果图，7(a)为平面波分别以0°，15°，30°和40°照射时，本发明反射板的反射系数曲线；7(b)为平面波分别以0°，15°，30°和40°照射时，本发明反射板的传输系数曲线。从图中可以看出，当平面波角度改变时，本发明反射板的工作频率基本稳定在1.7GHz-6.1GHz的频带内，相对带宽为3.58倍频。由此可以看出本发明可以在宽角域内保持稳定的工作频带和频率选择特性。 
参照图8，加载本发明后天线的阻抗带宽为2-6.5GHz，与加载金属反射板天线的阻抗带宽类似，并且满足超宽带天线的要求。 
参照图9，加载本发明后天线的轴比在2-7GHz频带内均小于3dB，即在此频带内天线具有良好的轴比特性，加载金属反射板天线的轴比带宽2-6.8GHz， 天线加载本发明后的轴比带宽有所增加。 
参照图10，加载本发明反射板天线的方向图曲线与加载金属反射板天线的方向图曲线基本拟合，并且具有良好的定向辐射能力。 
以下给出本发明的反射板的不同实施例： 
实施例1：本发明的反射板由印制在介质基板2上的20×20个频率选择表面单元2构成，该20×20个频率选择表面单元分别沿其所在的X、Y轴方向周期排布，其工作频率为1.7GHz-6.1GHz，其中相邻反射板单元的中心间距L＝20mm。 
频率选择表面单元1包括锯齿状梭形十字贴片3和圆环贴片4，所述锯齿状梭形十字贴片3上设置有四角星缝隙5，且二者的中心重合，四角星缝隙5的四个角与锯齿状梭形十字贴片3的四个臂的伸展方向相同；所述圆环贴片4数量设置为四个，四个圆环贴片分别位于锯齿状梭形十字贴片3相邻两臂的正中间，并按圆环贴片外半径由大到小顺时针或逆时针依次排布，且四个圆环贴片的中心位于以齿状梭形十字贴片中心为圆心的圆上，应保证最大圆环贴片不与锯齿状梭形十字贴片3相接处。。 
介质基板2采用厚度h＝3mm的FR4正方形板材，该FR4材料即为εr＝4.4的介电材料。 
为了实现频率选择表面的超宽阻带特性，在保证贴片尺寸不会太大的前提下，有效地增加频率选择表面单元的电尺寸，对传统的方形贴片进行准分形处理，得到本实例的锯齿状梭形十字贴片3；该锯齿状梭形十字贴片3的四个臂长度相等，分别伸向45°、135°、225°、315°方向，相邻两臂顶点间距为l＝19mm；锯齿宽度为w＝1.5mm，锯齿高度h1＝1mm。 
参照图4，为了实现频率选择表面阻带和通带之间的突变，在本实例的锯齿状梭形十字贴片3上设置四角星缝隙5，该四角星缝隙5相邻两角顶点间距l1＝10mm，中心宽度为w1＝1mm；本实例的四角星缝隙5不会破坏频率选择表面的超宽阻带特性，同时可以使工作频带两端产生陡降，从而在保证加载本发明的超宽带天线正常工作的同时，不影响周围其他天线的正常工作。 
为了使频率选择表面在工作频带外具有更好的透射效果，设计了四个宽度d＝0.2mm，且外半径等比缩减的圆形贴片，其结构和分布可参考附图4；最大的 圆环贴片的外半径r1＝2.5mm，圆环贴片外半径的比例系数t＝0.8，则其余三个圆环贴片的外半径分别为r2＝2mm，r3＝1.6mm，r4＝1.28mm。四个圆形贴片的加入，提供了新的谐振频点，使频率选择表面对工作频带之外的电磁波具有更强的传输能力，从而在保证加载本发明的定向辐射天线正常工作的同时，不会对周围其他天线的正常工作产生影响。 
实施例2:本实施例的设计原理、技术和方案与实施例1相同，本实施例的反射板由印制在介质基板2上的20×20个频率选择表面单元2构成，该20×20个频率选择表面单元分别沿其所在的X、Y轴方向周期排布，相邻反射板单元的中心间距l＝20mm；介质基板2采用厚度h＝3mm的FR4正方形板材，该FR4材料即为εr＝4.4的介电材料；锯齿状梭形十字3相邻两臂顶点间距为l＝19mm。 
与实施例1相比，调整了以下相关参数，锯齿宽度为w＝1.8mm，锯齿高度h1＝1.17mm。最大的圆环的外半径r1＝2mm，t＝0.6，则其余三个圆环的外半径分别为r2＝1.2mm，r3＝0.72mm，r4＝0.43mm，圆环的宽度d＝0.1mm。四角星缝隙5相邻两角顶点间距l1＝11.6mm，中心宽度为w1＝2mm。通过以上调整，本发明反射板的工作频率相应变为1.9GHz-5.7GHz，满足3倍频的带宽需要。 
实施例3:本实施例的设计原理、技术和方案与实施例1相同，本实施例的反射板由印制在介质基板2上的20×20个频率选择表面单元2构成，该20×20个频率选择表面单元分别沿其所在的X、Y轴方向周期排布，相邻反射板单元的中心间距l＝20mm；介质基板2采用厚度h＝3mm的FR4正方形板材，该FR4材料即为εr＝4.4的介电材料；锯齿状梭形十字3相邻两臂顶点间距为l＝19mm。 
与实施例1相比，调整了以下相关参数，锯齿宽度为w＝1.12mm，锯齿高度h1＝0.84mm。最大的圆环的外半径r1＝2.6mm，t＝0.9，则其余三个圆环的外半径分别为r2＝2.34mm，r3＝2.10mm，r4＝1.90mm，圆环的宽度d＝0.5mm。四角星缝隙5相邻两角顶点间距l1＝6mm，中心宽度为w1＝0.8mm。通过以上调整，本发明反射板的工作频率相应变为2GHz-6GHz，满足3倍频的带宽需要。 
通过对实施例1进行仿真得到本发明在不同极化和不同角度平面波照射下反射系数和透射系数的结果图，参照图6和图7，可以看到本发明的反射板在TE和TM两种模式下的-3dB阻带带宽为1.6GHz-6.2GHz，满足超宽带天线反射板3倍频阻带带宽的要求；另外，当入射波角度改变时，本发明频率选择表面 的工作频率基本稳定在1.7GHz-6.1GHz的频带内，即本发明可以在宽角域内保持稳定的工作频带和频率选择特性。比较加载本发明反射板和加载金属反射板天线的辐射性能，参照图8、图9和图10，可以看出，加载本发明后，螺旋天线的阻抗带宽为2-6.5GHz，与加载金属反射板天线的阻抗带宽类似；轴比带宽为2-7GHz，较加载金属反射板天线的阻抗带宽有所增加；方向图曲线与加载金属反射板天线的方向图曲线基本拟合，并且具有良好的定向辐射能力。 

Claims (9)

1.一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板，包括m×n个频率选择表面单元(1)和介质基板(2)，所述频率选择表面单元(1)印制在介质基板(2)的上表面，且沿其所在的X轴和Y轴方向周期排布，其特征在于：所述频率选择表面单元(1)由锯齿状梭形十字贴片(3)和四个不同半径的圆环贴片(4)组成，所述锯齿状梭形十字贴片(3)中间设置有四角星缝隙(5)，所述四个不同半径的圆环贴片(4)分别位于锯齿状梭形十字贴片四个臂的正中间。
2.根据权利要求1所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述介质基板(2)采用FR4材料。
3.根据权利要求1所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述锯齿状梭形十字贴片(3)的四个臂长度相等，这四个臂分别伸向45°、135°、225°和315°方向。
4.根据权利要求3所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述锯齿状梭形十字贴片(3)的锯齿宽度w＝(1/10～1/16)l，锯齿高度h1＝kw，且0.65≤k≤0.75，l为锯齿状梭形十字贴片(3)相邻两臂顶点之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述四角星缝隙(5)相邻两角顶点间距为l1，且满足6mm≤l1≤11.6mm；中心宽度为w1，w1满足0.8mm≤w1≤2mm。
6.根据权利要求1所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述四角星缝隙(5)与锯齿状梭形十字贴片(3)的中心重合，该四角星缝隙(5)的四个角与锯齿状梭形十字贴片(3)的四个臂的伸展方向相同。
7.根据权利要求1所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述四个不同半径圆环贴片(4)由第一圆环贴片(41)、第二圆环贴片(42)、第三圆环贴片(43)和第四圆环贴片(44)组成，该四个圆环贴片的宽度均为d，d的取值范围为0.1mm≤d≤0.5mm。
8.根据权利要求7所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述四个圆环贴片(41)、(42)、(43)和(44)的外半径分别为r1、r2、r3和r4，其中r1＝2～2.6mm，其余外半径满足r2＝r1t、r3＝r1t2、r4＝r1t3，系数t满足0.6≤t≤0.9；该四个圆环贴片按顺时针或逆时针、并依其外半径由大到小依次周向排布，且其中心位于以齿状梭形十字贴片中心为圆心的虚拟圆上。
9.根据权利要求1所述的基于超宽阻带频率选择表面的反射板，其特征在于：所述频率选择表面单元(1)在X轴和Y轴方向上的数量满足m≥20，n≥20，且相邻单元中心之间的距离为L，其中L>l。
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