CN105703042B - S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，包括由多个结构单元构成的周期性阵列结构，每个结构单元包括介质基板、位于介质基板上表面的等效电容层和位于介质基板下表面的等效电感层。等效电容层由一金属方片构成；等效电感层由两条互相垂直的S型金属线构成。金属方片的中心与金属线的中心上下对齐。本发明S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构可以实现对空间电磁波宽频带透射，同时还有对空间电磁波不同极化、不同入射角稳定的频率响应，以及体积小、结构简单、加工容易、成本低廉、易于实现等特点。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域。具体涉及一种S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构。
背景技术
频率选择表面（Frequency Selective Surface, 简称FSS）是指由一定形状的金属薄片或孔隙图形按某一规律周期性排列构成的平面或曲面。当入射电磁波的波长和结构单元的特征长度相同时,将会发生共振现象。在共振频率附近，FSS会对入射电磁波呈现出全反射或透射，表现出对电磁波良好的频率选择特性。这种频率选择特性（带通或带阻）被广泛应用在微波和光波频段的滤波器设计中，成为40多年来微波和光波技术研究中的热点。
频率选择表面的一个基本特征是：基本单元大约是工作波长的一半。在实际应用中FSS通常是有限大小，为了得到良好的频率响应FSS需要有足够多个基本单元（通常单元数目大于400），并要求电磁波的传播方向和FSS基本处于垂直状态。这些要求限制了FSS在某些重要的场合的应用，比如低频段的天线雷达罩等。因此，设计出一种具有宽频带,小尺寸等特性的频率选择表面成为一个重要的研究课题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种体积小、结构简单、加工容易的电磁波宽透波结构，能够实现大入射角条件下对空间电磁波宽频带透射。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，包括由多个结构单元构成的周期性阵列结构，每个结构单元包括介质基板、位于介质基板上表面的等效电容层和位于介质基板下表面的等效电感层。等效电容层由一金属方片构成；等效电感层由两条互相垂直的S型金属线构成。金属方片的中心与金属线的中心上下对齐。
进一步的，所述上层金属方片为正方形铜质贴片，下层两条互相垂直的S型金属线为铜质曲线。
进一步的，所述方片边长为2.5mm-3.0mm,S型曲线宽带为0.05mm-0.10mm。
进一步的，所述介质基板为Rogers板材，相对介电常数为3.0-4.0之间。
进一步的，所述介质基板厚度为0.2mm-0.3mm。
工作原理：小型化频率选择表面结构，其金属线可等效为电路上的电感，而金属方片之间的缝隙则为电容，从而整体上等效为具有带通特性的并联LC电路。这类由内禀电容和内禀电感构成的透波结构摆脱了对结构共振的依赖，从而使该结构的透波性能有明显的提高。介质基板下层的S型金属线，增加了单元内金属线的长度，从而增加了其电感层的内禀电感，进一步增大了该结构的频率响应的带宽。
有益效果：本发明提出一种由S型小型化频率选择表面构成的电磁波透波结构（简称“透波结构”）。这种透波结构不但具有相对带宽大（相对带宽为95%）、同时还有对空间电磁波不同极化、不同入射角稳定的频率响应，以及体积小、结构简单、加工容易、成本低廉、易于实现等优势。该结构克服了一般透波结构相对带宽小、对极化和角度敏感以及尺寸大不易集成等问题，实现了微波频带的宽带宽透波效果。
附图说明
图1为本发明的周期结构单元的三维结构视图。
图2为本发明的三维示意图。
图3为本发明的加工样品图。
图4（a）是本发明对于TE波入射角从0度变化到40度入射的S21曲线图。
图4（b）是本发明对于TM波入射角从0度变化到40度入射的S21曲线图。
图1中，1：金属方片，2：S型金属线，3：介质基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1-图3示出了本发明所述的S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构示意图和实物样品图。本实施例中，透波结构是由多个结构单元组成的周期性阵列结构，其中每一个结构单元，如图1所示，包括介质基板3、位于介质基板上表面的等效电容层和位于介质基板下表面的等效电感层。等效电容层由一金属方片1构成；等效电感层由两条互相垂直的S型金属线2构成。金属方片的中心与金属线的中心上下对齐。图2示出了本发明涉及的S型小型化频率选择表面组成构成的透波结构是由图1的单元结构在平面二维方向上周期排列组成。图3示出了加工样品的上、下表面层，其中上表面层由方形铜质贴片构成方阵，下表面层由多条S型铜质曲线垂直相交而成。加工样品实际大小为208mm×208mm，其周期性单元个数为40×40。
在设计时，需要根据对透波结构的要求（透波的中心频率和带宽）确定该结构的单元尺寸大小，金属方片的边长以及金属线宽。其中金属线宽还受限于加工精度，线宽越小，加工的精度要求越高，加工的成本相应增加。本实施例中，介质基板3的介质板材料采用Rogers 4003，相对介电常数为3.55，介质板厚度为0.25mm，其结构单元最优参数为：单元尺寸为5.20mm，金属方片边长为2.8mm，S型金属线宽为0.05mm。
透波材料的透波性能通常用其透射系数的大小S21表示。图4（a）和4（b）分别是对于TE波和TM波入射角从0度变化到40度入射的S21曲线图。在垂直入射时，该透波结构的-1dB相对带宽高达100%（7.06GHz-21.09GHz）。即使是在40度入射时，其相对带宽也能达到75%。该S型小型化频率选择表面构成的透波结构表现出良好的角度稳定性和极化稳定性。
Claims (5)
1.一种S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，其特征在于，包括由多个结构单元构成的周期性阵列结构，每个结构单元包括介质基板、位于介质基板上表面的等效电容层和位于介质基板下表面的等效电感层；所述等效电容层由一金属方片构成，等效电感层由两条互相垂直的S型金属线构成；所述金属方片的中心与金属线的中心上下对齐。
2.根据权利要求1所述S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，其特征在于，上层金属方片为正方形铜质贴片，下层两条互相垂直的S型金属线为铜质曲线。
3.根据权利要求1所述S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，其特征在于，所述金属方片边长为2.5mm-3.0mm,S型金属线曲线宽度为0.05mm-0.10mm。
4.根据权利要求1所述S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，其特征在于，所述介质基板为Rogers板材，相对介电常数为3.0-4.0之间。
5.根据权利要求4所述S型小型化频率选择表面构成的宽频带透波结构，其特征在于，所述介质基板厚度为0.2mm-0.3mm。
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