CN105244619A - 双频带宽带频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双频带宽带频率选择表面，包括在铜板上刻蚀形成的周期排列的多个缝隙孔单元，每个缝隙孔单元包括正方形缝隙孔，正方形缝隙孔内部设有两条交叉的对角线缝隙孔，正方形缝隙孔的每条边的中点设有使每条边分割为两段的实心部分，正方形缝隙孔的外部设有波纹方环孔，波纹方环孔的每条边包括3-5个圆弧段，每个圆弧段对应的圆形直径相同且圆心在一条直线上；本发明通过波纹方环孔实现了更稳定的入射角性能和极化稳定性能，这种稳定的频率选择表面可以应用于天线罩来减小天线RCS，也可以用来减小天线阵天线之间的互耦，还可以用来增加天线的辐射增益效果。

Description

双频带宽带频率选择表面
技术领域
本发明属于物理微波技术领域，频率选择表面可以应用于天线罩，隐身材料设计等领域。设计符合要求的高性能频率选择表面尤为重要。
背景技术
FSS(FrequencySelectiveSurface)通常是由二维周期结构而设计的具有空间滤波特性的表面，可以分为贴片型和缝隙型两类，分别是对应带阻和带通特性的结构。必要的时候可以加载单层或双层介质改善其性能。
频率选择表面技术研究热点包括：(1)小型化FSS(2)宽频带(3)多层FSS分析(4)多频带(5)智能可控FSS。在多频带设计中双频带的应用最广也是最基础的。
设计周期结构的材料最担心的问题就是稳定性和带宽，增加带宽的常用方法是制作设计多层频率选择表面或者电容加载微调FSS的带宽，稳定性的改进方法从场的角度来考虑，对称的FSS一般来说比不对称结构要稳定。
在机载雷达和舰载雷达的天线系统中，由频率选择表面设计的天线罩和吸波体在对天线的保护和维持天线稳定工作方面起着尤为重要的作用。所以，设计具有更宽带宽和更稳定性能的频率选择表面是工程上和学术上的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有更宽带宽和更稳定性能的双频带宽带频率选择表面。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种双频带宽带频率选择表面，包括在铜板上刻蚀形成的周期排列的多个缝隙孔单元，所述每个缝隙孔单元包括正方形缝隙孔，正方形缝隙孔内部设有两条交叉的对角线缝隙孔，正方形缝隙孔的每条边的中点设有使每条边分割为两段的实心部分，正方形缝隙孔的外部设有波纹方环孔，所述波纹方环孔的每条边包括3-5个圆弧段，所述每个圆弧段对应的圆形直径相同且圆心在一条直线上。
方环是极化稳定性、入射角稳定性最好的单元结构，在传统方环的基础上加入圆弧段结构，圆弧段结构有利于减小旋转后两个单元间的间隔，从而获得比方环更稳定的性能。本发明的波纹方环孔结构具有比普通方环更高的稳定性和更宽的带宽。
对角线缝隙孔可以调节谐振频率和带宽。对角线缝隙孔的两条交叉线末端的两段正方形边形成折线结构，电路上等效为加载电感(缝隙结构等效为加载电容)也可以微调谐振频率和带宽。
正方形缝隙孔、对角线缝隙孔、波纹方环孔三个基本结构组成的紧凑FSS结构可以实现上述发明目标，将正方形缝隙孔和对角线缝隙孔放在波纹方环孔内部，既可以获得双频带的性能又获得比方环更稳定的不同入射角和极化传输响应结果。整个结构紧凑简单，易于加工。
波纹个数既不能过多也不能太少，过多会丧失比传统方环更好的稳定性，过少则丧失方环的稳定性能，甚至影响中心频率的偏移。
作为优选方式，一行旋转45度的所述缝隙孔单元与一行不旋转的所述缝隙孔单元在所述选择表面交替排列，任一缝隙孔单元与其所在行的相邻行的紧邻两相邻缝隙孔单元成等腰三角形排列。
经过旋转后的对称结构排列使得FSS具有很好的带宽稳定性和入射角稳定性。这样的排列方式缩减了单元间隔，提高了入射角和极化稳定性，最重要的是对于圆极化波也有很好的透波性能和改善性能。
作为优选方式，所述波纹方环孔的每条边包括3个圆弧段。
作为优选方式，任一缝隙孔单元与其所在行的相邻行的紧邻两相邻缝隙孔单元成等腰直角三角形排列。等腰直角三角形排列使得结构间的相对间隔变小，防止过早出现栅瓣影响稳定的性能。
本发明的有益效果为：本发明通过内部的正方形缝隙孔及对角线缝隙孔的双结构实现了双频宽带宽特性，又通过外部的波纹方环孔实现了更稳定的入射角性能和极化稳定性能，这种稳定的频率选择表面可以应用于天线罩来减小天线RCS，也可以用来减小天线阵天线之间的互耦，还可以用来增加天线的辐射增益效果，不仅对天线的影响很小而且具有双频带良好透波率的性能以满足不同的天线工作要求。
附图说明
图1为本发明的频率选择表面FSS的缝隙孔单元的结构图。
图2、3为本发明相应s参数曲线及参数不敏感性。
图4为本发明用作入射角稳定性，可以看出在±60°内有稳定的性能。
图5、6为本发明用作阿基米德圆极化天线天线罩检验FSS极化稳定性。
图7为本发明对不同入射角的TM波入射响应s参数曲线。
图8为缝隙孔单元在频率选择表面的排布图。
其中，1为缝隙孔单元，2为正方形缝隙孔，3为对角线缝隙孔，4为实心部分，5为波纹方环孔，6为圆弧段，7为等腰三角形，8为折线结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种双频带宽带频率选择表面，包括在铜板上刻蚀形成的周期排列的多个缝隙孔单元1，所述每个缝隙孔单元包括正方形缝隙孔2，正方形缝隙孔2内部设有两条交叉的对角线缝隙孔3，正方形缝隙孔2的每条边的中点设有使每条边分割为两段的实心部分4，正方形缝隙孔2的外部设有波纹方环孔5，所述波纹方环孔的每条边包括3个圆弧段6，所述每个圆弧段对应的圆形直径相同且圆心在一条直线上。
方环是极化稳定性、入射角稳定性最好的单元结构，在传统方环的基础上加入圆弧段结构，圆弧段结构有利于减小旋转后两个单元间的间隔，从而获得比方环更稳定的性能。本发明的波纹方环孔结构具有比普通方环更高的稳定性和更宽的带宽。
对角线缝隙孔可以调节谐振频率和带宽。对角线缝隙孔的两条交叉线末端的两段正方形边形成折线结构，电路上等效为加载电感(缝隙结构等效为加载电容)也可以微调谐振频率和带宽。
正方形缝隙孔、对角线缝隙孔、波纹方环孔三个基本结构组成的紧凑FSS结构可以实现上述发明目标，将正方形缝隙孔和对角线缝隙孔放在波纹方环孔内部，既可以获得双频带的性能又获得比方环更稳定的不同入射角和极化传输响应结果。整个结构紧凑简单，易于加工。
波纹个数既不能过多也不能太少，过多会丧失比方环更好的稳定性，过少则丧失方环的稳定性能，甚至影响中心频率的偏移。波纹为3个具有最佳的稳定性。
一行旋转45度的所述缝隙孔单元与一行不旋转的所述缝隙孔单元在所述选择表面交替排列，任一缝隙孔单元与其所在行的相邻行的紧邻两相邻缝隙孔单元成等腰三角形7排列。
经过旋转后的对称结构排列使得FSS具有很好的带宽稳定性和入射角稳定性。这样的排列方式缩减了单元间隔，提高了入射角和极化稳定性，最重要的是对于圆极化波也有很好的透波性能和改善性能。
任一缝隙孔单元与其所在行的相邻行的紧邻两相邻缝隙孔单元成等腰直角三角形排列。等腰直角三角形排列使得结构间的相对间隔变小，防止过早出现栅瓣影响稳定的性能。
由双频带中心频率估计外面波纹方环孔和内部对角线缝隙孔的尺寸，对角线缝隙孔的两条交叉线末端的两段正方形边形成折线结构8，通过折线结构8加载实现微调带宽和高频中心频率，同时调节透过效率S21，扫描波纹宽度调节入射角稳定性和极化稳定性，最后通过优化实现最优的尺寸。其中波纹的宽度由稳定性决定，波纹个数一方面视频带(或中心频率)决定的估算尺寸决定另一方面由稳定效果决定，波纹个数既不能过多也不能太少，过多会丧失比方环更好的稳定性，过少则丧失方环的稳定性能，甚至影响中心频率的偏移。
本实施例以设计两个中心频率为5.3GHz和8GHz的宽频带频率选择表面为例，最终确定的尺寸如下：
波纹方环孔中的每个圆弧段的圆内径InnerRadius＝2.2mm，外径OuterRadius＝2.6mm。对角线缝隙孔的两条交叉线末端的两段正方形边形成的折线结构的折线边长LoadingLength＝3.5mm，折线和对角线缝隙孔的宽度Width＝0.5mm，FSS间距Dx＝11mm。
图2和图3是该单平面紧凑型FSS结构的s参数相应曲线图。明显有两个稳定的通带，并表现出了很好的参数不敏感性能。高频带带宽比低频带还要宽，低频带带宽已经比传统的FSS结构要宽，并且低频带稳定性更好。从该图可以看出，此结构可以很好的设计具有良好性能的FSS。
图4是该FSS的入射角稳定性分析，显然在±60°入射的情况下，s参数响应曲线变化很小。从而具有宽角度稳定性，这是对设计FSS提出的很重要的一个性能参数，由于高度旋转对称结构的存在加上结构的改进，使得设计的频率选择表面性能比单纯地改进一方面效果明显的多。
为了研究此FSS的极化稳定性能我们首先给出了tm波入射的情况下的响应曲线变化，从图7上可以看到在两个通带内本发明仍然具有很好的稳定性能。最后我们用阿基米德圆极化天线验证FSS对圆极化波的通带性能。如图5和图6所示，显然，作为天线罩对天线影响很小，甚至对圆极化天线的轴比有所改进。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种双频带宽带频率选择表面，其特征在于：包括在铜板上刻蚀形成的周期排列的多个缝隙孔单元，所述每个缝隙孔单元包括正方形缝隙孔，正方形缝隙孔内部设有两条交叉的对角线缝隙孔，正方形缝隙孔的每条边的中点设有使每条边分割为两段的实心部分，正方形缝隙孔的外部设有波纹方环孔，所述波纹方环孔的每条边包括3-5个圆弧段，所述每个圆弧段对应的圆形直径相同且圆心在一条直线上。
2.根据权利要求1所述的双频带宽带频率选择表面，其特征在于：一行旋转45度的所述缝隙孔单元与一行不旋转的所述缝隙孔单元在所述选择表面交替排列，任一缝隙孔单元与其所在行的相邻行的紧邻两相邻缝隙孔单元成等腰三角形排列。
3.根据权利要求1所述的双频带宽带频率选择表面，其特征在于：所述波纹方环孔的每条边包括3个圆弧段。
4.根据权利要求2所述的双频带宽带频率选择表面，其特征在于：任一缝隙孔单元与其所在行的相邻行的紧邻两相邻缝隙孔单元成等腰直角三角形排列。
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