CN104409804B - 一种具有开关特性的频率选择表面和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有开关特性的频率选择表面和设计方法，该方法为：步骤1：根据频率选择表面工作频段需求，选择低损耗及合适介电常数的介质材料设计介质谐振器的形状、尺寸；然后，通过电磁场全波仿真软件观察介质谐振器阵列构成的FSS的电磁波传播特性；步骤2：根据仿真所得S参数反演出该频率选择表面的等效电磁参数，判断磁偶极子、电偶极子、四偶极矩的频谱位置；然后微调介质柱尺寸来调节偶极子谐振位置，使其带阻频段符合设计要求；步骤3：将该频率选择表面的所有介质柱从中间分裂成两层，仿真、计算其工作频段的带通特性，确定两层介质柱阵列的间距；步骤4：根据步骤3所得结果，加工、制作两层相同介质柱阵列，并用机械装置对接相连。

Description

一种具有开关特性的频率选择表面和设计方法

技术领域

本发明涉及一种具有开关特性的全介质微波、毫米波频率选择表面，属于光电技术领域。

背景技术

频率选择表面(即：Frequency Selective Surface—FSS)通常是一种具有频率选择特性的二维周期结构，相当于一个空间滤波器，广泛应用于飞行器雷达罩以缩减雷达散射截面(RCS),在微波通信及电磁防护等领域也有重要作用。

传统的频率选择表面一般由周期排列的金属贴片单元或导电金属屏上周期排列的开孔单元构成，这种表面结构利用金属结构的谐振来实现特定频段的全反射(带阻型FSS)或全透射(带通型FSS)特性。其缺点是：工作频带窄(如要获得宽频带，则需要布置多种谐振特性的单元结构，设计相当复杂)，在高功率电磁波照射下金属部分易产生电弧，而且金属部分容易腐蚀。例如，申请号为201310088138，名称为“基于分形结构的宽频带亚毫米波频率选择表面”的专利文件，公开了一种基于分形结构的宽频带亚毫米波FSS，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，金属层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。申请号为201310340225，名称为“混合单元频率选择表面”的专利文件，公开了一种混合单元频率选择表面，该表面由导电金属屏上周期排列的开孔单元构成，每个开孔单元的相邻两条或者四条周期边界上设有条形孔，每个条形孔的长边等于条形孔开孔位置的周期边界的长度。申请号为201310341419，名称为“一种极化性能稳定的厚屏频率选择表面滤波器”，公开了一种极化性能稳定的厚屏频率选择表面滤波器，该表面包括基底金属屏、层合介质、Y孔单元、填充介质；其中在基底金属屏上，Y孔单元先后顺时针旋转90°依次得出四个正方形排列的旋转式Y孔组合单元；以该组合单元为阵列源得出具有若干个等周期分布的旋转式Y孔组合单元的基底金属屏；然后在所有Y孔单元的内部放置填充介质；最后以基底金属屏为安装基准，将层合介质热压胶合到基底金属屏一端的侧面上。申请号为201210570546，名称为“一种具有开关功能的智能空间滤波器”，公开了一种具有开关功能的智能空间滤波器，该滤波器包括双层频率选择表面、聚合物与固态电解质组成的混合物夹层、导线、电压源和开关；所述双层频率选择表面包括频率选择表面基底层和频率选择表面金属层。

在检索到的上述文献中，频率选择表面都是在介质基板上印刷各种金属结构，或者在导电金属屏上进行周期排列的开孔，这类频率选择表面的工作原理基于金属结构周期阵列的电磁谐振理论。

现有频率选择表面都是在介质基板上印刷各种金属结构，或者在导电金属屏上进行周期排列的开孔，主要工作机理是电磁谐振，所以其工作带宽较窄，设计复杂；而金属层本身在高功率电磁波照射下容易产生电弧，大电流所产生的欧姆损耗会导致温度升高；工作于高频电磁波时其表面波损耗会增加；金属层在恶劣工作环境中还容易腐蚀。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提出了一种具有开关特性的频率选择表面，该频率选择表面为具有开关特性的全介质微波、毫米波频率选择表面，该频率选择表面是由两层介质柱阵列构成，当两层阵列合在一起就构成带阻型FSS，而当两层阵列分开则变成带通型FSS，介质柱阵列为非金属电磁谐振，工作频带宽，易于设计和实现，强电磁波辐射下也不会产生多少热量，可应用于电磁脉冲炸弹防护。

本发明还提供了一种具有开关特性的频率选择表面的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据频率选择表面工作频段需求，选择低损耗及合适介电常数的介质材料设计介质谐振器的形状、尺寸；然后，通过电磁场全波仿真软件观察介质谐振器阵列构成的FSS的电磁波传播特性。

步骤2：根据仿真所得S参数反演出该频率选择表面的等效电磁参数，判断磁偶极子、电偶极子、四偶极矩的频谱位置。然后微调介质柱尺寸来调节偶极子谐振位置，使其带阻频段符合设计要求。

步骤3：将该频率选择表面的所有介质柱从中间分裂成两层，仿真、计算其工作频段的带通特性，确定两层介质柱阵列的间距。

步骤4：根据步骤3所得结果，加工、制作两层相同介质柱阵列，并用机械装置对接相连，得到具有开关特性的全介质频率选择表面。

有益效果：

1、本发明使用纯介质柱构建频率选择表面，不存在欧姆损耗，能够有效防护强电磁辐射，而且不存在金属腐蚀的问题。

2、本发明的介质柱在电磁波照射下同时产生频谱分离的磁偶极子和电偶极子谐振，工作频带很宽，而且通过设计介质柱尺寸就可调节偶极子谐振位置，设计简单。

3、发明构成简单，只需要简单机械操控结构使得两层介质柱合在一起(带阻FSS)，或者分开极小的距离(带通FSS)。设计简单、加工方便。

附图说明

图1(a)为TEM电磁波垂直入射介质柱单元的示意图。

标识说明：d为边长。

图1(b)为由立方体介质柱阵列构建的FSS，电磁波沿着z轴方向垂直入射于该表面示意图。

标识说明：d为边长；p为介质柱阵列的周期长度

图2(a)为TEM电磁波垂直入射介质柱FSS时的S参数示意图。

图2(b)为根据S参数反演得到该全介质柱FSS的等效介电常数和等效磁导率的实部和(c)虚部示意图。

图3(a)为f＝29.82GHz时介质柱内的磁偶极子示意图。

图3(b)为f＝38.28GHz时介质柱内的电偶极子示意图。

图3(c)为f＝41.82GHz时介质柱内的磁四偶极子示意图。

图4(a)边长为d的介质柱立方体沿z方向在中间劈裂，间隔为t的示意图。

图4(b)是由劈裂的介质柱在xy平面内以周期p排列成两层FSS的示意图。

图4(c)为电磁波沿着z轴方向垂直入射于该表面，得到的S参数的示意图。

图5(a)为根据S参数反演得到两层介质柱阵列构成的FSS的等效介电常数和等效磁导率的实部的示意图。

图5(b)为根据S参数反演得到两层介质柱阵列构成的FSS的等效介电常数和等效磁导率的虚部的示意图。

图6为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

如图3所示，介质柱阵列在平面电磁波照射下会产生磁偶极子和电偶极子谐振，用2000年左右发展起来的人工电磁(Metamaterial)理论来解释，就是该介质柱阵列等效于单负(负磁导率或者负介电常数)电磁材料，当电磁波在这样的材料中传播时，其场分布呈指数衰减，无法传播，而介质材料中的位移电流损耗又很低，吸收甚少，所以电磁波几乎被全反射。

目前THz和微波频段的介质谐振器的介电常数(ε_r)可以很大，ε_r＞100的介质材料也已经能加工，这就可以使得介质柱阵列在微波段也可以做得很薄，从而可用来制备频率选择表面(FSS)。众所周知，单个介质谐振器的电偶极子和磁偶极子的谐振频谱位置可以通过改变谐振器的几何尺寸来进行调节，若将介质谐振器排列成二维周期阵列的表面，其也有相似的电磁特性。所以，通过设计、调节介质谐振单元的几何尺寸，就可以设计FSS的带通或者带阻特性。以圆柱形介质谐振器为例，其谐振频率可以通过数值求解式(1)的超越方程来估算：

其中，ε_r是介质谐振器材料的介电常数，k₀是自由空间的波数，L是介质柱的高度，a是圆形介质柱的半径，p₀₁是零阶Bessel函数的第一个零点。介质谐振器的损耗正切与其品质因数成反比，即tanδ＝1/Q。

现假设一束TEM电磁波垂直入射到一个亚波长介质柱(如图1(a)所示)，该介质谐振器是边长为d的立方体，由于该结构完全对称，所以对入射波的极化方向不敏感。其散射总场为：

其中，式(2)右侧的下标”ed”和“md”分别表示电偶极子和磁偶极子,”eq”和“mq”分别表示电四偶极子和磁四偶极子，“….”表示更高阶的电偶极子和磁偶极子。式中各偶极子分量的贡献可用矢量形式来表示

其中，η₀＝377Ω是自由空间波阻抗，c是光速，k＝2π/λ是自由空间的波数，是求坐标系中径向单位矢量，是电偶极矩，是磁偶极矩。

本发明为验证该介质柱阵列构建的FSS的电磁波传输特性，现假设其相对介电常数为：ε_r＝32，损耗正切为0.003，介质柱立方体的边长为1.53mm(大概是磁谐振所对应波长的1/7)，现在将该介质柱在二维平面内排成周期为p＝2mm的阵列(如图1(b)所示)。该介质柱阵列构成的频率选择表面会产生磁谐振和电谐振，图2(a)显示了平面电磁波垂直入射该表面的反射、传输特性。从图中可看出在30GHz～38GHz范围内，以及42GHz附近，该FSS呈现全反射特性，电磁波不能通过，在30～38GHz的带阻频段范围内，其中心带宽可达到26.7％，通过进一步反演出该FSS的等效电磁参数(如图2(b),(c))，本发明能清楚看出，在29.82GHz处有磁谐振，而在38.28GHz处出现电谐振，41.82GHz处还有一个磁四偶极子谐振，在带阻频带范围内等效介电常数和等效磁导率互为异号，相当于单负介质，电磁波传输时呈指数衰减。

为了进一步明确该全介质FSS的工作机理，本发明借助电磁场全波仿真软件可以看其场图，图3(a)显示当f＝29.82GHz时，介质柱内的磁流形成了很强的磁偶极子谐振，图3(b)显示当f＝38.28GHz时，介质柱内的电流形成了很强的电偶极子谐振，而图3(c)则显示当f＝41.82GHz时，介质柱内形成了较强的磁四偶极子。

为了实现该全介质FSS的开关特性，本发明将图1(a)所示立方体介质柱单元在z方向对分成两半，其间距为t，如图4(a)所示，然后将其在xy平面扩展成周期为p的FSS(图4(b))，该FSS可看成由两层厚度为d/2，边长为d的长方体介质柱构成。若令两层介质柱阵列的间距t＝0.42mm，考虑平面电磁波沿z方向垂直入射该FSS，由电磁场全波仿真软件可得到其反射系数和透射系数，如图4(c)所示，此时30～40GHz的频带范围内全部变成了全通。本发明进一步反演出该双层介质柱阵列的等效电磁参数，如图5所示，图5(a)显示在30～40GHz的频带范围内，其等效介电常数和等效磁导率基本上都是同号，而图5(b)显示介质柱阵列在35GHZ附近同时发生了电偶极子谐振和磁偶极子谐振，所以电磁波在该频带范围内几乎能完全通过。

综上所述，本发明只要用边长为d，厚度为d/2，介电常数为ε_r＝32的介质柱构建两层阵列(如图4(b)所示)，通过开关和机械装置将这两层阵列相连就可以形成具有开关功能的的纯介质频率选择表面，如果需要全反射30～38GHz的垂直入射电磁波，只要将两层介质柱阵列合在一起，形成图1(b)所示的立方体介质柱FSS；而当需要传输该波段范围内的电磁波，只需要通过电控机械装置将两层阵列分离0.42mm，非常便于通、断状态的切换，而且其机械动作距离非常小，对FSS的整体外形几乎没有影响。

虽然本发明实施例只计算、仿真了30～38GHz频段，但只要选择合适介电常数的介质柱，并设计相应的形状(如圆柱状)和尺寸，本发明可以设计出任意波段的FSS，并实现电磁波全反射和全透射的切换。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有开关特性的频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面为全介质微波、毫米波的频率选择表面；所述频率选择表面是由两层介质柱阵列构成，当两层阵列合在一起就构成带阻型FSS，而当两层阵列分开则变成带通型FSS，通过开关和机械装置将这两层介质柱阵列相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有开关特性的频率选择表面，其特征在于：所述的介质柱阵列为非金属电磁谐振，工作频带宽。

3.一种具有开关特性的频率选择表面的设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：根据频率选择表面工作频段需求，选择低损耗及合适介电常数的介质材料设计介质谐振器的形状、尺寸；然后，通过电磁场全波仿真软件观察介质谐振器阵列构成的FSS的电磁波传播特性；

步骤2：根据仿真所得S参数反演出该频率选择表面的等效电磁参数，判断磁偶极子、电偶极子、四偶极矩的频谱位置，然后微调介质柱尺寸来调节偶极子谐振位置，使偶极子谐振带阻频段符合设计要求，所述介质谐振器阵列为介质柱阵列；

步骤3：将该频率选择表面的所有介质柱从中间分裂成两层，仿真、计算其工作频段的带通特性，确定两层介质柱阵列的间距；

步骤4：根据步骤3所得结果，加工、制作两层相同介质柱阵列，并用机械装置对接相连，得到具有开关特性的全介质频率选择表面。