CN105206904B - 基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，包括双层微波陶瓷结构以及双层微波陶瓷结构之间夹隔的空气层，微波陶瓷结构由刻蚀十字花型孔径结构的微波陶瓷基板与圆柱形介质谐振器构成，圆柱形介质谐振器安装在十字花型孔径结构中央，圆柱形介质谐振器厚度与微波陶瓷基板的厚度相同，微波陶瓷基板采用高介低损微波陶瓷材料，开孔周期单元为十字花型孔径结构，通过调节单元结构中央的介质谐振器半径可拓展和优化FSS的带通特性。本发明采用全介质微波陶瓷设计，不含有任何金属材料，具有低损耗、高功率容量和耐高温等优点；能够实现在Ku波段的双频段的选通特性，且具有极化不敏感和良好的角度稳定性。

Description

基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面
技术领域
本发明涉及全介质超材料的微波空间滤波技术领域，具体涉及一种基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，简称FSS)，是一种空间滤波器，是由周期排列的散射体构成的平面或曲面阵列，对电磁波表现出一个或多个带通、带阻特性。传统的频率选择表面是由周期性排列的金属贴片单元或缝隙单元构成的一种二维周期结构，因其特定的频率选择特性而广泛地应用于微波、红外等频段的雷达天线罩和反射面。超材料(Metamaterials)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是近年来国际学术界的研究热点之一。全介质超材料是一种不包含任何金属的超材料在高频段内(毫米波、亚毫米波、红外等频段)具有损耗小、构成简单、等效均匀性好、各向同性等优点。
现有的超材料和频率选择表面大多采用金属结构周期材料构成虽然金属基超材料有其特有的优势，如易于设计和制作，与现有的微波电子工程工艺兼容较好，但是它也具有一定的固有缺点，如不易扩展到微纳尺度范围、对金属结构的参数变化非常敏感、损耗高、较强的各向异性等。金属材料自身物理特性的局限性，使得金属基超材料在抗高温和耐腐蚀等方面表现不够好，而且在航空、军事等高技术指标下不能较好的满足需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，采用全介质微波陶瓷设计，不含有任何金属材料，具有低损耗、高功率容量和耐高温等优，且具有极化不敏感和良好的角度稳定性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，包括双层微波陶瓷结构以及双层微波陶瓷结构之间夹隔的空气层，微波陶瓷结构由刻蚀十字花型孔径结构的微波陶瓷基板与圆柱形介质谐振器构成，圆柱形介质谐振器安装在十字花型孔径结构中央，圆柱形介质谐振器厚度与微波陶瓷基板的厚度相同，微波陶瓷基板采用高介低损微波陶瓷材料，开孔周期单元为十字花型孔径结构，通过调节单元结构中央的介质谐振器半径可拓展和优化FSS的带通特性。
其中，所述的微波陶瓷的介电常数为30～600，损耗角正切为0.001～0.005。
其中，所述的微波陶瓷基板和圆柱形介质谐振器的厚度t为1.6～2.2mm，空气层的厚度h为3～4mm，边长s为4～6mm；单元十字花型孔径结构为半径为R的圆孔旋转4个90°形成的孔径型结构，R为1.2～1.4mm；圆柱形介质谐振器的半径r为0.9～1.2mm。
本发明具有以下有益效果：
采用全介质微波陶瓷设计，不含有任何金属材料，具有低损耗、高功率容量和耐高温等优点；能够实现在Ku波段的双频段的选通特性，且具有极化不敏感和良好的角度稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面的结构示意图。
图2为本发明实施例基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面的周期单元的俯视图。
图3为本发明实施例基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面的周期单元的侧视图。
图4为本发明实施例基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面的横电(TE)波和横磁(TM)波正入射的传输特性曲线。
图5为本发明实施例基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面的横电(TE)波的入射角为0～60°的传输特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，由上至下依次包括第一微波陶瓷FSS阵列层、空气层、第二微波陶瓷FSS阵列层，第一微波陶瓷FSS阵列层和第二微波陶瓷FSS阵列层单元结构和材料完全一致，由刻蚀的十字花型孔径结构的微波陶瓷基板1与圆柱形介质谐振器2组合而成，十字花型孔径结构由圆孔旋转4个90°形成的孔径型结构。
所述的微波陶瓷基板和圆柱形介质谐振器的厚度t为1.6～2.2mm，空气层的厚度h为3～4mm，边长s为4～6mm；单元十字花型孔径结构为半径为R的圆孔旋转4个90°形成的孔径型结构，R为1.2～1.4mm；圆柱形介质谐振器的半径r为0.9～1.2mm。
实施例
要求微波陶瓷介电常数为63，损耗角正切为0.003，双通带均在Ku波段，通带内透过率大于-3dB，对TE和TM极化不敏感，大角度入射性能保持能达到45°。
根据上述技术指标计算优化，本发明的实施实例得到的最终设计结构如下：微波陶瓷厚度t＝1.98mm，空气间隔厚h＝3.4mm，周期尺寸s＝5.08mm，十字花圆孔半径R＝1.38mm，介质谐振器半径r＝1.02mm，得到如图1-3所示的周期结构示意图。
对得到的双通带频率选择表面传输特性进行计算，结果如图4和图5所示。从图中可以看出，本发明的频率选择表面具有在Ku波段的双频段选通特性，在大入射角是任然保持较好的通带特性。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，其特征在于，包括构成阵列的周期单元双层微波陶瓷结构以及双层微波陶瓷结构之间夹隔的空气层，每层微波陶瓷结构由刻蚀十字花型孔径结构的微波陶瓷基板与圆柱形介质谐振器构成，圆柱形介质谐振器安装在十字花型孔径结构中央，圆柱形介质谐振器厚度与微波陶瓷基板的厚度相同，微波陶瓷基板采用高介低损微波陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，其特征在于，所述的微波陶瓷基板的介电常数为30～600，损耗角正切为0.001～0.005。
3.根据权利要求1所述的基于高介低损全介质超材料的双通带频率选择表面，其特征在于，所述的微波陶瓷基板和圆柱形介质谐振器的厚度t为1.6～2.2mm，空气层的厚度h为3～4mm，所述微波陶瓷基板的边长s为4～6mm；单元十字花型孔径结构为半径为R的圆孔以圆周上的一个点为圆心在圆孔所在的平面上顺序旋转4个90°形成的孔径型结构，R为1.2～1.4mm；圆柱形介质谐振器的半径r为0.9～1.2mm。
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