CN105609903B - 选择性高和角度稳定的频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选择性高和角度稳定的频率选择表面，用于解决现有频率选择表面不能兼顾选择性和角度稳定性的技术问题，由M×N个无源谐振单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3；无源谐振单元采用由两层介质基板形成的上下层叠结构，两层介质基板的表面印制有不同结构的辐射贴片，每个介质基板均设置有介质通孔结构，通过辐射贴片之间、辐射贴片自身结构的相互耦合以及辐射贴片上设置的星形缝隙，实现了频率选择表面的高选择性和角度稳定性。本发明在23.6GHz～23.9GHz频率范围内实现阻带由0dB变化至‑20dB，同时在24GHz～26GHz频率范围内通带特性在0°～45°角度范围均保持良好，可用于反射面天线、卫星通信等领域。

Description

选择性高和角度稳定的频率选择表面
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种选择性高且角度稳定的频率选择表面，可用于反射面天线、卫星通信等诸多对频率选择表面的选择性和角度稳定性均有严格要求的领域。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)，是一种二维的周期阵列结构。 FSS本身不吸收能量，却能有效控制入射电磁波的传输和反射，因此可以将其看成一种空间滤波器。频率选择表面FSS因其对不同频率电磁波的反射能力不同，具有按频率特征过滤电磁波的特性，从而在电磁兼容、通信以及导航等领域发挥着重要作用。
一般而言，传统频率选择表面在设计过程只考虑满足通带或者阻带特性即可，并没有考虑角度稳定性或者选择性方面的要求，随着系统小型化、天线多频复用技术的发展，对频率选择表面结构的选择性或者角度稳定性的要求越来越高，相应的技术手段也随之出现，如基于基片集成波导技术的频率选择表面，通过合理的结构设计，可以实现良好的选择性，以满足频率选择表面结构对于选择性的要求，但该技术手段在满足对于频率选择表面结构的选择性的要求同时，往往忽视了对于角度稳定的要求。
如中国专利申请，授权公布号为CN201117773，名称为“一种具有双边带陡降特性的新型频率选择表面”的发明专利，该专利公开了一种具有双边带陡降特性的新型频率选择表面，该新型频率选择表面在介质基片的两面镀有金属层，贯穿于整个介质基片排列为多组大小正方形的金属化通孔，形成多组高频、低频基片集成波导腔体。相邻高频、低频腔体的上、下金属层蚀刻有相同的正方形耦合缝隙，与普通的由两种不同尺寸的周期性贴片或者缝隙构成的双频带频率选择表面相比，该新型频率选择表面引入了腔体谐振模式，实现了通带的双边陡降特性，大大提高了通带的选择特性，其性能对于入射波的角度和极化稳定性表现较好。通过结构的合理设计，可以实现通带的双边带陡降特性，上述结构在0°～30°角度范围内的性能稳定。但由于该结构过度依靠基片集成波导技术来实现其双边带频率陡降特性，由于基片集成波导技术自身的局限性，使得该频率选择表面的角度稳定性无法得到保证。同时该新型频率选择表面仿真结果以-5dB作为选择性的衡量标准，并不能很好的满足现今技术指标对于选择性的要求；该结构角度稳定性在30°角域时已经恶化，随着角度范围的提升，其传输特性恶化较明显，显然在大角度如45°斜入射状态已经无法满足使用要求。
随着通信系统对于频率选择表面使用要求的提高，虽然已有较多技术手段可以实现频率选择表面良好的选择性，但这些手段在实现良好选择性的同时，往往不能同时兼顾角度稳定性，因此，能够同时兼顾选择性和角度稳定性的频率选择表面具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种选择性高和角度稳定的频率选择表面，用于解决现有频率选择表面不能同时兼顾选择性和角度稳定性的问题。
为了实现上述的目的，本发明采取的技术方案为：
一种选择性高和角度稳定的频率选择表面，由M×N个无源谐振单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3，每个无源谐振单元包括介质基板和印制于其表面的辐射贴片；介质基板分为第一介质基板1和第二介质基板2，在第一介质基板1和第二介质基板 2上设置有多个上下贯穿的介质通孔5，且这些介质通孔呈正方形均匀排布；在第一介质基板1的上表面印制有第一辐射贴片3，其下表面印制有第二辐射贴片4，在第二介质基板2的下表面印制有第一辐射贴片3，第一辐射贴片3由两个方环和一个正方形贴片内外嵌套组成，该正方形贴片的中心位置蚀刻有星形缝隙，用于提高频率选择表面的角度稳定性，第二辐射贴片4由一个方环和一个正方形贴片内外嵌套组成，该正方形贴片的中心位置蚀刻有星形缝隙，用于提高频率选择表面的角度稳定性；第一介质基板1和第二介质基板2形成上下层叠结构，用于提升选择性。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第一介质基板1和第二介质基板2均采用正方形板材，其边长D＝5.3mm～5.6mm，厚度H＝1.5mm～2mm。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，多个介质通孔5形成正方形的对角线与第一介质基板1和第二介质基板2表面的对角线重合；介质通孔5的半径 RO＝0.1mm～0.2mm，相邻两个介质通孔中心之间的距离RS＝0.5mm～0.7mm。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第一辐射贴片3由从外向内依次排布的第一方环31、第二方环32和第一方形贴片33组成，在第一方形贴片33的中心位置蚀刻有第一正四角星缝隙34；第一方环31的外边长M1＝5.5mm～5.7mm，内边长 S1＝5.2mm～5.4mm,；第二方环32的外边长A＝2.4mm～2.6mm，内边长B＝2.1mm～2.3mm；第一方形贴片33的边长C＝1.8mm～2mm，第一正四角星缝隙34的对角线长 H1＝2.3mm～2.6mm，角度θ＝40°～45°。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第一方环31、第二方环32和第一方形贴片33的对角线均与第一介质基板1上表面的对角线重合。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第一正四角星缝隙34对角线与第一方形贴片33对角线重合。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第二辐射贴片4由第三方环41和位于其内的第二方形贴片42组成，在第二方形贴片42的中心位置蚀刻有第二正四角星缝隙43；第三方环41的外边长M2＝5.5mm～5.7mm，内边长S2＝5.2mm～5.4mm；第二方形贴片的边长P＝2.8mm～3.1mm，第二正四角星缝隙43的对角线长 H2＝3.4mm～3.7mm，角度
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第三方环41和第二方形贴片42的对角线均与第一介质基板1下表面的对角线重合。
上述选择性高和角度稳定的频率选择表面，第二正四角星缝隙43对角线与第二方形贴片42对角线重合。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明的无源谐振单元由于采用由两层介质基板形成的上下层叠结构，在第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面均印制有第一辐射贴片，在第一介质基板的下表面印制有第二辐射贴片，其中第一辐射贴片由两个方环、一个中心位置蚀刻有星形缝隙的正方形贴片组成，第二辐射贴片由一个方环、一个中心位置蚀刻有星形缝隙的正方形贴片组成；通过多个无源谐振单元的二维周期阵列排布，实现了辐射贴片之间及多个方环与正方形贴片之间的相互耦合，提高了频率选择表面等效电路的Q 值，与现有技术通过使用基片集成波导技术形成谐振腔的结构相比，有效提高了频率选择表面的选择性，同时由于在正方形贴片设置的星形缝隙，可以使得在入射波为斜入射状态时保证通带特性。
2、本发明与基于基片集成波导技术的频率选择表面相比，结构简单，可以降低频率选择表现设计的复杂性和成本；
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是无源谐振单元整体结构示意图；
图3是第一辐射贴片结构示意图；
图4是第二辐射贴片结构示意图；
图5是本发明实施例1的S21示意图；
图6是本发明实施例1的S21的角度稳定性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例1
参照图1，本发明由M×N个无源谐振单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3。
参照图2，无源谐振单元包括第一介质基板1、第二介质基板2、第一辐射贴片3、第二辐射贴片4以及介质通孔5；其中第一介质基板1与第二介质基板2上下形成层叠结构，通过两层介质基板的层叠结构，可以提高所形成的频率选择表面等效电路的 Q值，以此来提高频率选择表面的选择性；第一介质基板1与第二介质基板2均设置有上下贯穿的多个介质通孔5，用于提升所形成的频率选择表面结构的选择性；这些介质通孔5呈正方形排布，其对角线与两个介质基板表面的对角线重合，由于正方形排布的对称性可以保证对于入射波的极化稳定性；本实施例中正方形排布的介质通孔 5每边的数量为九个，介质通孔5的半径尺寸RO＝0.1mm，相邻两个介质通孔5中心之间的距离RS＝0.5mm；第一介质基板1的上表面和下表面分别印制有第一辐射贴片 3和第二辐射贴片4，第二介质基板2的下表面印制有第一辐射贴片3，通过辐射贴片的相互之间的耦合作用进一步提升所形成的频率选择表面结构的选择性；第一介质基板1、第二介质基板2均采用材料为KrempelAkaflex KCL的正方形板材，其边长为 D＝5.5mm，厚度H＝1.6mm，通过正方形板材的使用，可以保证所形成的频率选择表面结构的极化稳定性。
参考图3，第一辐射贴片由第一方环31、第二方环32以及第一方形贴片33组成，在第一方形贴片33的中心位置蚀刻有第一正四角星缝隙34，星形缝隙的存在可以保证所形成的频率选择表面结构在斜入射时，其等效电路值并没有明显恶化，从而实现高角度稳定性的设计目标；第一方环31的外边长M1＝5.5mm，内边长S1＝5.3mm，第二方环32的外边长A＝2.4mm，内边长B＝2.3mm，第一方形贴片的边长C＝2mm，第一正四角星缝隙34的对角线长H1＝2.5mm，角度θ＝40°。
参考图4所示，所述第二辐射贴片4由第三方环41和第二方形贴片42组成，在第二方形贴片42的中心位置蚀刻有第二正四角星缝隙43，用于实现频率选择表面结构的高角度特性；第三方环41的外边长M2＝5.5mm，内边长S2＝5.3mm；第二方形贴片的边长P＝3mm，第二正四角星缝隙43的对角线长H2＝3.6mm，角度
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：
第一介质基板1、第二介质基板2的边长D＝5.4mm，厚度H＝1.5mm；介质通孔5 半径RO＝0.1mm；相邻介质通孔中心之间距离RS＝0.5mm；第一方环31的外边长 M1＝5.4mm，内边长S1＝5.3mm；第二方环32的外边长A＝2.4mm，内边长B＝2.3mm；第一方形贴片33的边长C＝1.8mm，第一正四角星缝隙34的对角线长H1＝2.5mm，角度θ＝40°；第三方环41的外边长M2＝5.5mm，内边长S2＝5.4mm；第二方形贴片42 的边长P＝2.8mm，第二正四角星缝隙43的对角线长H2＝3.4mm，角度
实施例3
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：
第一介质基板1、第二介质基板2的尺寸D＝5.7mm，H＝2mm，介质通孔5半径 RO＝0.2mm，相邻介质通孔中心之间距离RS＝0.7mm，第一方环31的外边长M1＝5.7mm，内边长S1＝5.4mm，第二方环32的外边长A＝2.6mm，内边长B＝2.1mm，第一方形贴片的边长C＝2mm，第一正四角星缝隙34的对角线长H1＝2.3mm，角度θ＝45°，第三方环41的外边长M2＝5.7mm，内边长S2＝5.4mm；第二方形贴片的边长P＝3.1mm，第二正四角星缝隙43的对角线长H2＝3.7mm，角度
以下结合仿真结果对本发明的技术效果作进一步描述：
1、仿真内容
1.1基于商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的S21参数进行仿真计算，结果如图5所示；
1.2基于商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的S21参数角度稳定性进行仿真计算，结果如图6所示。
2、仿真结果
参考图5，横轴表示频率，纵轴表示S21传输特性，从仿真图可以看出，该结构的S21特性曲线在23.6GHz～23.9GHz频率范围内可以快速实现由0dB至-20dB的转变，由此可以说明本发明具有良好的频率陡降特性；
参考图5，横轴表示频率，纵轴表示S21角度特性，从仿真图可以看出，该结构的S21特性曲线在24GHz～26GHz频率范围、入射角0°～45°范围内S21均保持在-2dB 以上水平，在保证选择性的同时，可以同时兼顾角度稳定性的要求。
通过以上仿真结果说明，本发明可以实现同时兼顾高选择性和角度稳定性的特性。
以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围之内。

Claims (9)

1.一种选择性高和角度稳定的频率选择表面，由M×N个无源谐振单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3，每个无源谐振单元包括介质基板和印制于其表面的辐射贴片；其特征在于：所述介质基板分为第一介质基板(1)和第二介质基板(2)，在该两个介质基板(1，2)上设置有多个介质通孔(5)，且这些介质通孔呈正方形均匀排布；在第一介质基板(1)的上表面印制有第一辐射贴片(3)，其下表面印制有第二辐射贴片(4)，在第二介质基板(2)的下表面印制有第一辐射贴片(3)，所述第一辐射贴片(3)由两个方环和一个正方形贴片内外嵌套组成，该正方形贴片的中心位置蚀刻有星形缝隙，用于提高频率选择表面的角度稳定性，所述第二辐射贴片(4)由一个方环和一个正方形贴片内外嵌套组成，该正方形贴片的中心位置蚀刻有星形缝隙，用于提高频率选择表面的角度稳定性；所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)形成上下层叠结构，用于提升频率选择表面的选择性。
2.根据权利要求1所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)采用相同材质的正方形板材，其边长D＝5.3mm～5.6mm，厚度H＝1.5mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述多个介质通孔(5)所形成的正方形的对角线与两个介质基板(1，2)表面的对角线重合；介质通孔(5)的半径RO＝0.1mm～0.2mm，相邻介质通孔(5)之间的距离RS＝0.5mm～0.7mm。
4.根据权利要求1所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第一辐射贴片(3)由从外向内依次排布的第一方环(31)、第二方环(32)和第一方形贴片(33)组成，在第一方形贴片(33)中心位置蚀刻的星形缝隙为第一正四角星缝隙(34)；第一方环(31)的外边长M1＝5.5mm～5.7mm，内边长S1＝5.2mm～5.4mm,；第二方环(32)的外边长A＝2.4mm～2.6mm，内边长B＝2.1mm～2.3mm；第一方形贴片(33)的边长C＝1.8mm～2mm，第一正四角星缝隙(34)的对角线长H1＝2.3mm～2.6mm，角度θ＝40°～45°。
5.根据权利要求4所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第一方环(31)、第二方环(32)和第一方形贴片(33)的对角线均与第一介质基板(1)上表面的对角线重合。
6.根据权利要求4所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第一正四角星缝隙(34)对角线与第一方形贴片(33)对角线重合。
7.根据权利要求1所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第二辐射贴片(4)由第三方环(41)和位于其内的第二方形贴片(42)组成，在第二方形贴片(42)中心位置蚀刻的星形缝隙为第二正四角星缝隙(43)；第三方环(41)的外边长M2＝5.5mm～5.7mm，内边长S2＝5.2mm～5.4mm；第二方形贴片的边长P＝2.8mm～3.1mm，第二正四角星缝隙(43)的对角线长H2＝3.4mm～3.7mm，角度
8.根据权利要求7所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第三方环(41)和第二方形贴片(42)的对角线均与第一介质基板(1)下表面的对角线重合。
9.根据权利要求7所述的选择性高和角度稳定的频率选择表面，其特征在于：所述第二正四角星缝隙(43)对角线与第二方形贴片(42)对角线重合。
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