CN104538710B - 一种频率选择表面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率选择表面结构，属于电磁场与微波技术领域，所述频率选择表面结构的金属层上包含有周期性排列蜂窝状结构的多个金属单元；所述金属单元包括六边形环、三极子贴片以及三个三角形贴片，所述频率选择表面结构包括一个以上的中间重复结构，且中间重复结构由上到下依次设置；所述中间重复结构包括中间金属层(3)和中间衬底层(2)。本发明具有结构简单、易于实现、具有低插入损耗、宽频率带宽、宽电磁波入射角和频率带通滤波性能的特点。可广泛用于无线通信，雷达，电子导航与电子对抗等设备的天线罩中。
Description
技术领域
本发明涉及一种在电磁波大角度入射条件下，可以提供宽频带，低插入损耗，具有特定频段内通带滤波和带外抑制特性的频率选择表面结构，属于电磁场与微波技术领域。
背景技术
未来通信、雷达、电子对抗系统中的天线罩，除了具有基本的防尘、防水、抗风保护天线的基本整流罩功能之外，还需要具有通带内低插入损耗、带外抑制以减小干扰的频率选择特性，即空间滤波特性。对于带有频率选择特性的天线罩需要和移动载体共形的情况，为了能使加载频率选择表面结构的天线罩具有优良电磁特性，则频率选择表面结构在电磁波大角度入射条件下应具有良好的频率选择特性。频率选择表面结构应包含天线整流罩。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能在电磁波大角度入射条件下的空间带通型频率选择表面结构，其具有低插入损耗，宽频带的特点。采用本发明，可实现具有空间滤波特性的天线罩，其在电磁波入射角小于60°的条件下可以提供大于40％相对频率带宽，而且通带内透波性能良好，信号损耗较小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种频率选择表面结构的金属层，包括多个金属单元，所述金属单元相互之间排列成蜂窝状结构并向周围周期扩展；所述金属单元包括六边形环、三极子贴片以及三个三角形贴片，所述三极子贴片以及三角形贴片设置于六边形环内，且六边形环、三极子贴片以及三角形贴片之间相互隔离；所述三极子贴片包括第一、第二、第三支臂，所述第一、第二、第三支臂的一端互相连接构成Y字型，第一、第二、第三支臂的另一端两两之间相互形成V型口，而所述三角形贴片依次与各个V型口相对设置。
优选的：所述六边形环其中心线的周长与通带频率的低频波长可比拟；三极子贴片中心线的长度与通频带中高频所对应的波长可比拟。
优选的：所述第一、第二、第三支臂之间形成的V型口的夹角度数与三角形贴片相对的角的度数相等。
一种频率选择表面结构，包括一个以上的中间重复结构，且中间重复结构由上到下依次设置；所述中间重复结构包括中间金属层和中间衬底层；所述中间金属层和中间衬底层由上到下依次设置；或者所述中间衬底层和中间金属层由上到下依次设置。
进一步地：所述中间重复结构还包括介质支撑层，所述中间金属层、中间衬底层以及介质支撑层由上到下依次设置；或者所述中间衬底层、中间金属层以及介质支撑层由上到下依次设置。
进一步地：还包括底部金属层和底部衬底层，所述底部金属层、底部衬底层设置于最后一个重复的中间重复结构的介质支撑层下面，且所述底部金属层、底部衬底层由上到下依次设置；或者所述底部衬底层、底部金属层由上到下依次设置。
进一步地：所述频率选择表面结构的上表面设置有上蒙皮层，下表面设置有下蒙皮层。
优选的：所述介质支撑层的厚度小于四分之一中心频率所对应的介质波长。
优选的：所述中间重复结构中的中间金属层与中间重复结构下面设置的底部金属层为相同的周期性结构且图形相同。
本发明提供的一种频率选择表面结构及其金属层，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.由于金属层通过多个金属单元成蜂窝状结构并向周围周期扩展构成，每个金属单元包括六边形环、三极子贴片以及三个三角形贴片，因此本发明的金属层在电磁波大角度入射条件下，宽频带，插入损耗低。具有特定频段内通带滤波和带外抑制特性。
2.本发明的频率选择表面结构，由于设置有一个以上的中间重复结构，且中间重复结构由上到下依次设置；所述中间重复结构包括中间金属层和中间衬底层，因此具有很好的带外抑制性，信号损耗小。
3.由于设置有介质支撑层，中间金属层、底部金属层附着于衬底媒质上，支撑媒质(介质支撑层)位于两层衬底媒质(衬底层)之间，衬底媒质之外覆有蒙皮媒质，增加其机械强度。
由上述可知，本发明的频率选择表面结构具有结构简单、易于实现、具有低插入损耗、宽频率带宽、宽电磁波入射角的特点。可广泛用于无线通信，雷达，电子导航与电子对抗等设备的天线罩中。
附图说明
图1为本发明所述的频率选择表面单元结构；
图2为图1单元结构按六边形蜂窝状紧密排布所形成的平面结构；
图3为拥有单层频率选择表面结构的介质层结构；
图4为双层频率选择表面的介质层结构；
图5为构成多层频率选择表面的介质层；
图6为电磁波以60°俯仰角入射时，实施例所述的双层频率选择表面结构的透射系数；其中图6(a)为TE波的透射系数，图6(b)为TM波的透射系数。
其中1为金属单元，11为三角形贴片，12为三极子贴片，13为六边形环，14为空隙部分，2为中间衬底层，3为中间金属层，4为介质支撑层，5为上蒙皮层，6为下蒙皮层，7为底部衬底层，8为底部金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种频率选择表面结构的金属层，如图2所示，包括多个金属单元1，所述金属单元1相互之间构成蜂窝状结构并向周围周期扩展；如图1所示，所述金属单元1包括六边形环13、三极子贴片12以及三个三角形贴片11，所述三极子贴片12以及三角形贴片11设置于六边形环13内，且六边形环13、三极子贴片12以及三角形贴片11之间相互隔离，即空隙部分14；所述三极子贴片12包括第一、第二、第三支臂，所述第一、第二、第三支臂的一端互相连接构成Y字型，第一、第二、第三支臂的另一端两两之间相互形成V型口，而所述三角形贴片11依次与各个V型口相对设置。
如图2所示，金属层为金属单元1按六边形蜂窝状紧密排布所形成的平面结构，每个六边形金属单元1周围有6个相同的金属单元1构成。
所述六边形环13其中心线的周长对应通带频率的低频波长；三极子贴片12中心线的长度为通带高频所对应的波长。
所述第一、第二、第三支臂之间形成的V型口的夹角度数与三角形贴片11相对的角的度数相等。
所述第一、第二、第三支臂之间形成的V型口的夹角为120度。
一种频率选择表面结构，包括一个以上的中间重复结构，且中间重复结构由上到下依次设置；所述中间重复结构包括中间金属层3和中间衬底层2；所述中间金属层3和中间衬底层2由上到下依次设置；或者所述中间衬底层2和中间金属层3由上到下依次设置。
所述中间重复结构还包括介质支撑层4，所述中间金属层3、中间衬底层2以及介质支撑层4由上到下依次设置；或者所述中间衬底层2、中间金属层3以及介质支撑层4由上到下依次设置。
还包括底部金属层8和底部衬底层7，所述底部金属层8、底部衬底层7设置于最后一个重复的中间重复结构的介质支撑层4下面，且所述底部金属层8、底部衬底层7由上到下依次设置；或者所述底部衬底层7、底部金属层8由上到下依次设置。
所述频率选择表面结构的上表面设置有上蒙皮层5，下表面设置有下蒙皮层6。
所述介质支撑层4的厚度小于四分之一中心频率所对应的介质波长。
所述中间重复结构中的中间金属层3与中间重复结构下面设置的底部金属层8为相同的周期性结构且图形相同。
实例
一种单层频率选择表面结构，如图3所示，包括由上到下依次设置的上蒙皮层5、中间衬底层2、中间金属层3、介质支撑层4以及下蒙皮层6，其中，中间衬底层2、中间金属层3位置可以互换，即所述中间金属层3、中间衬底层2以及介质支撑层4由上到下依次设置；或者所述中间衬底层2、中间金属层3以及介质支撑层4由上到下依次设置。
所述介质支撑层4的厚度小于四分之一中心频率所对应的介质波长。
金属层3附着于衬底媒质上，支撑媒质位于两层衬底媒质之间，衬底媒质之外覆有蒙皮媒质，以提供一定的机械强度。为了使频率选择表面结构易于加工生产，通常将周期性金属单元印刷于很薄的媒质基底材料之上。支撑媒质的厚度约为四分之一中心频率所对应的介质波长，由于加载了高介电常数的蒙皮，中间支撑媒质的厚度略小于四分之一波长。
外围六边形环其中心线的周长对应通带频率的低频波长；内部三极子中心线的长度约为通带高频所对应的波长。
周期性FSS单元以六边形蜂窝状分布并构成一个平面，一个单元周围有六个单元与之相接。
一种多层频率选择表面结构：如图5所示，包括一个以上的中间重复结构，且中间重复结构由上到下依次设置，同时所述中间重复结构的上面设置有上蒙皮层5，下面依次设置底部衬底层7、底部金属层8、下蒙皮层6；所述中间重复结构包括由上到下依次设置的中间金属层3、中间衬底层2、介质支撑层4；其中，中间重复结构中的中间金属层3、中间衬底层2位置可以互换，即所述中间金属层3、中间衬底层2以及介质支撑层4由上到下依次设置；或者所述中间衬底层2、中间金属层3以及介质支撑层4由上到下依次设置，中间重复结构下面的底部衬底层7、底部金属层8位置可以互换，即所述底部金属层8、底部衬底层7由上到下依次设置；或者所述底部衬底层7、底部金属层8由上到下依次设置。
所述中间重复结构中的中间金属层3与中间重复结构下面的底部金属层8为相同的周期性结构且图形相同。
所述介质支撑层4的厚度小于四分之一中心频率所对应的介质波长。
外围六边形环其中心线的周长对应通带频率的低频波长；内部三极子中心线的长度约为通带高频所对应的波长。多层FSS周期性金属结构的单元形式和尺寸完全相同。
周期性FSS单元以六边形蜂窝状分布并构成一个平面，一个单元周围有六个单元与之相接。
一种双层频率选择表面结构，如图4所示，包括一个中间重复结构，所述中间重复结构的上面设置有上蒙皮层5，下面依次设置有底部衬底层7、底部金属层8、下蒙皮层6；所述中间重复结构包括由上到下依次设置的中间金属层3、中间衬底层2、介质支撑层4；其中，中间重复结构中的中间金属层3、中间衬底层2位置可以互换，中间重复结构下面设置的底部衬底层7、底部金属层8位置可以互换。
所述中间重复结构中的中间金属层3与中间重复结构下面设置的底部金属层8为相同的周期性结构且图形相同。
所述介质支撑层4的厚度小于四分之一中心频率所对应的介质波长。
上蒙皮层5，下蒙皮层6均为相同的蒙皮层，该蒙皮层为高介电常数的蒙皮媒质，蒙皮层内侧为印刷有周期性金属单元的衬底介质，上下两层的金属结构完全相同。
如图6所示，电磁波以60°俯仰角入射时，本实施例的双层频率选择表面结构的透射系数，相应的数据如表1所示。
表1复合环形多极子宽带周期性FSS性能
图6(a)为TE波的透射系数，图6(b)为TM波的透射系数，在8-12GHz频率通带范围内，频率选择表面的插入损耗小于1dB，TE、TM波插入损耗小于1dB的频率范围分别为7.89-12.54GHz和6.86-15.79GHz，相对频率带宽分别为45.5％和78.9％。本文所述的频率选择表面结构在频率小于2GHz处的带外抑制均大于10dB。由此可以说明本发明对于频率2GHz以下的信号有很好的抑制性，而对于X波段内的信号损耗很小。
由上述可知，本发明是一种在电磁波大角度入射条件下，能够提供宽频带，低插入损耗，具有特定频段内通带滤波和带外抑制特性的频率选择表面结构(FSS，FrequencySelective Surface)，采用本发明，可实现具有空间滤波特性的天线罩，其在电磁波入射角小于60°的条件下可以提供大于40％相对频率带宽，而且通带内透波性能良好，信号损耗较小，可用于无线通信，雷达、电子导航与电子对抗等电子设备的天线罩中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种频率选择表面结构的金属层，其特征在于：包括多个金属单元(1)，所述金属单元(1)相互之间排列成蜂窝状结构并向周围周期扩展；所述金属单元(1)包括六边形环(13)、三极子贴片(12)以及三个三角形贴片(11)，所述三极子贴片(12)以及三角形贴片(11)设置于六边形环(13)内，且六边形环(13)、三极子贴片(12)以及三角形贴片(11)之间相互隔离；所述三极子贴片(12)包括第一、第二、第三支臂，所述第一、第二、第三支臂的一端互相连接构成Y字型，第一、第二、第三支臂的另一端两两之间相互形成V型口，而所述三角形贴片(11)依次与各个V型口相对设置。
2.根据权利要求1所述的频率选择表面结构的金属层，其特征在于：所述六边形环(13)其中心线的周长与通带频率的低频波长可比拟；三极子贴片(12)中心线的长度与通频带中高频所对应的波长可比拟。
3.根据权利要求2所述的频率选择表面结构的金属层，其特征在于：所述第一、第二、第三支臂之间形成的V型口的夹角度数与三角形贴片(11)相对的角的度数相等。
4.一种频率选择表面结构，其基于权利要求1至3任一所述的频率选择表面结构的金属层，其特征在于：包括一个以上的中间重复结构，且中间重复结构由上到下依次设置；所述中间重复结构包括中间金属层(3)和中间衬底层(2)；所述中间金属层(3)和中间衬底层(2)由上到下依次设置；或者所述中间衬底层(2)和中间金属层(3)由上到下依次设置。
5.根据权利要求4所述的频率选择表面结构，其特征在于：所述中间重复结构还包括介质支撑层(4)，所述中间金属层(3)、中间衬底层(2)以及介质支撑层(4)由上到下依次设置；或者所述中间衬底层(2)、中间金属层(3)以及介质支撑层(4)由上到下依次设置。
6.根据权利要求5所述的频率选择表面结构，其特征在于：还包括底部金属层(8)和底部衬底层(7)，所述底部金属层(8)、底部衬底层(7)设置于最后一个重复的中间重复结构的介质支撑层(4)下面，且所述底部金属层(8)、底部衬底层(7)由上到下依次设置；或者所述底部衬底层(7)、底部金属层(8)由上到下依次设置。
7.根据权利要求5至6任一所述的频率选择表面结构，其特征在于：所述频率选择表面结构的上表面设置有上蒙皮层(5)，下表面设置有下蒙皮层(6)。
8.根据权利要求7所述的频率选择表面结构，其特征在于：所述介质支撑层(4)的厚度小于四分之一中心频率所对应的介质波长。
9.根据权利要求8所述的频率选择表面结构，其特征在于：所述中间重复结构中的中间金属层(3)与中间重复结构下面设置的底部金属层(8)为相同的周期性结构且图形相同。
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