CN105958208B - 一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，主要解决现有技术电磁波透波角度调控不便的问题。该单层超材料表面(1)由周期性排列的数个单层超表面缝隙单元(2)组成，每个单层超表面缝隙单元(2)包括介质基板(21)和金属贴片(22)。介质基板(21)采用厚度为0.5mm～0.8mm，相对介电常数为2.65～4.4的方形有机高分子聚合物基板；金属贴片(22)印制在介质基板(21)上，该金属贴片(22)上蚀刻有上下非对称双开口的环形缝隙，用于实现单频带下频率选择角度透波，使电磁波透波角度随着超表面的透波频率的变化产生偏移。本发明具有结构简单，加工方便的优点，可用于多功能天线罩的设计。

Description

一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构

技术领域

本发明属于频控器件技术领域，具体涉及一种超材料表面结构，可用于多功能天线罩设计。

技术背景

频率选择透波角度的超材料表面是一种通过改变透波频率来实现角度选择透波的频率选择表面FSS，由于其能够对入射电磁波表现出全透射的选频特性，能够有效用于天线罩设计领域。

通常基于FSS的天线罩设计具有选频稳定的特性，并且能够满足宽角度扫描时不同入射角和不同极化的稳定性。中国专利申请，授权公告号为103219568B，名称为“宽带频率选择器”，公开了一种具有正六边形“H”型缝隙的FSS结构，能在电磁波分别为TE极化波和TM极化波的情况下，以0～70度入射时保持中心频点的稳定性和较好的选频特性，具有工作频带宽和结构简单等优点。上述现有技术虽然具有稳定的选频特性，但主要针对固定的频率选频，一旦加工完成，其谐振频率、谐振带宽等选频特性也就随之确定，无法适应复杂多变的电磁环境。

当FSS应用到复杂天线系统时，尤其是天线与多功能天线罩的一体化设计中，FSS的作用绝不单单局限于频选滤波，更要求FSS天线罩在实现频选滤波的基础上，能够进一步实现波束校准和波束调控，但这一FSS天线罩的多功能构建通常需要借助有源技术。2013年，张谅在名为“基于有源频率选择表面的电扫描天线研究”的学术论文中，提出了一种基于有源频率选择表面的全向电控扫描天线，该结构在天线周围加载一圈结构相同的有源FSS，通过调节有源FSS的偏置电压，将相邻部分的FSS的反射频率调节到天线的工作频率，同时将另外的FSS调整到该频率下的透射状态，实现天线波束定向的功能。这种类型的天线罩需要同时调控多个FSS的频率，工作量大，而且由于有源FSS引入了二极管和调节二极管偏置电压的馈电网络，结构较为复杂，同时金属馈线会对透射波功率及FSS的谐振特性产生影响，降低了天线的工作效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种频率选择透波角度的超材料表面结构，以减化FSS多功能天线罩的结构，提高天线的工作效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理

超材料表面缝隙单元的上下非对称双开口环形缝隙能够实现相邻单元之间产生强耦合，使超表面的透波频率随着电磁波透波角度的变化产生偏移。当电磁波的透波角度为θ＝0°时，对应的透波频率为f_0°；当电磁波的透波角度为θ＝90°时，相邻谐振单元的耦合减弱，使电磁波在θ＝90°处产生另一个透波频率f_90°。其透波角度和透波频率的变化关系式满足理想值f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，其中f_θ是透波角度为θ时的透波频率。根据上述公式，可以看出透波角度θ和透波频率f_θ属于一一对应的关系，对于一个确定的透波角度θ，仅对应一个透波频率f_θ。因此对于确定的透波频率f_θ，仅有透波角度为θ的电磁波能通过超材料表面，从而实现频率选择角度透波。

本发明通过超表面缝隙单元的上下非对称双开口环形缝隙实现相邻单元之间的强耦合，能使电磁波透波角度随着超表面的透波频率的变化产生偏移。

二.技术方案

根据上述原理，本发明提出一种频率选择透波角度的超材料表面结构，是在单层超材料表面上周期性排列数个单层超表面缝隙单元，每个单层超表面缝隙单元包括介质基板和金属贴片，金属贴片印制在介质基板上，其特征在于：金属贴片上蚀刻有上下非对称双开口的环形缝隙，用于实现单频带下的频率选择角度透波，使电磁波透波角度随着超表面的透波频率的变化产生偏移。

作为优选，所述介质基板采用厚度为0.5mm～0.8mm，相对介电常数为2.65～4.4的方形有机高分子聚合物基板。

作为优选，所述金属贴片采用方形金属铜材，上下非对称双开口环形缝隙的外环半径为金属贴片边长的0.43～0.48倍。

作为优选，所述上下非对称双开口环形缝隙其上开口小于下开口，上开口为环形缝隙外环半径的0.02～0.94倍，下开口为环形缝隙外环半径的0.07～1.02倍。

作为优选，所述上下非对称双开口环形缝隙的宽度为环形缝隙外环半径的0.02～0.51倍。

作为优选，所述单层超表面缝隙单元的相邻中心点之间的距离为透波频率对应波长的2～5倍。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明采用超材料表面单元上下非对称双开口环形缝隙的强耦合效应，实现无源FSS对电磁波透射角度的调控，与现有采用有源FSS实现频率调控波束指向的技术相比，简化了FSS的结构，同时避免了有源馈电网络对电磁波透射波束的影响。

2.本发明的结构参数较少，易于优化设计，根据公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，当透波频率f_θ确定，透波角度θ也就随之确定，通过计算就可快速获得满足特定透波角度所需的透波频率，省去了仿真优化的时间。

附图说明

图1是本发明的单层超材料表面的结构示意图。

图2是本发明中每个超表面缝隙单元结构示意图。

图3是本发明单层超表面缝隙单元2的透波频率随电磁波透波角度变化的关系曲线。

图4是本发明单层超表面缝隙单元2的透波频率偏移量仿真值与理想值的对比曲线。

图5是本发明单层超表面缝隙单元2的电磁波透射角度随透波频率变化的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括单层超材料表面1，由周期性排列的数个单层超表面缝隙单元2组成。

参照图2，单层超表面缝隙单元2包括介质基板21和金属贴片22，金属贴片22印制在介质基板21上，该金属贴片22上蚀刻有上下非对称双开口的环形缝隙，用于实现相邻单元之间的强耦合效应。相邻单元之间的耦合会随着电磁波透波角度θ的增大而减弱，其耦合的减弱又会使透波频率f_θ增大，即透波频率f_θ会随着透波角度θ的变化产生偏移。由于透波角度θ和透波频率f_θ属于一一对应的关系，对于一个确定的透波角度θ，仅对应一个透波频率f_θ。因此对于确定的透波频率f_θ，仅有透波角度为θ的电磁波能通过超材料表面，从而实现频率选择角度透波。

所述介质基板21采用厚度为0.5mm～0.8mm，相对介电常数为2.65～4.4的方形有机高分子聚合物基板。

所述金属贴片22采用方形金属铜材，上下非对称双开口环形缝隙的外环半径r₁为金属贴片边长d的0.43～0.48倍。

所述上下非对称双开口环形缝隙其上开口d₁小于下开口d₂，当上下非对称双开口环形缝隙的上开口d₁固定，随着下开口d₂的增大，其透波频率的频偏先增大后减小。本发明设上开口d₁为环形缝隙外环半径r₁的0.02～0.94倍，下开口d₂为环形缝隙外环半径r₁的0.07～1.02倍。

所述上下非对称双开口环形缝隙的宽度w为环形缝隙外环半径r₁的0.02～0.51倍。

所述单层超表面缝隙单元2的相邻中心点之间的距离为透波频率对应波长的2～5倍。

以下给出实现不同透波频率范围的三种超材料表面结构参数：

实施例一，透波频率范围为8.99GHz～9.54GHz的超材料表面结构。

本实例的每个单层超表面缝隙单元2，包括介质基板21和金属贴片22。

介质基板21采用边长d为8mm，厚度h为0.5mm，介电常数为2.65方形有机高分子聚合物基板；

金属贴片22采用边长d为8mm金属铜材，其上蚀刻上下非对称双开口的环形缝隙，环形缝隙的上开口宽度d₁为0.1mm，环形缝隙的下开口d₂为0.3mm，环形缝隙的外径r₁为3.9mm，环形缝隙的内径r₂为3.8mm，环形缝隙的宽度w为0.1mm。

所述的每个单层超表面缝隙单元2按M×N的矩阵形式紧密排列在单层超材料表面1上，M与N为大于1的正整数。利用每个单层超表面缝隙单元2的上下非对称双开口环形缝隙，使相邻单元之间产生强耦合，实现透波角度θ随着透波频率8.99GHz～9.54GHz从0°～60°变化。

实施例二，透波频率范围为12.08GHz～12.4GHz的超材料表面结构。

本实例的结构与实施例一的结构相同，其参数变化如下：

介质基板21采用边长d为8mm，厚度h为0.6mm，介电常数为3.27方形有机高分子聚合物基板；

金属贴片22采用边长d为8mm金属铜材，其环形缝隙上开口宽度d₁为1mm，环形缝隙下开口d₂为2.5mm，环形缝隙的外径r₁为3.5mm，环形缝隙的内径r₂为3.1mm，环形缝隙的宽度w为0.4mm。

该实例可实现透波角度θ随着透波频率12.08GHz～12.4GHz从0°～60°变化。

实施例三，透波频率范围为15.51GHz～16.26GHz的超材料表面结构。

本实例的结构与实施例一的结构相同，其参数变化如下：

介质基板21采用边长d为8mm，厚度h为0.8mm，介电常数为4.4方形有机高分子聚合物基板；

金属贴片22采用边长d为8mm金属铜材，其环形缝隙上开口宽度d₁为3.7mm，环形缝隙下开口d₂为4mm，环形缝隙的外径r₁为3.9mm，环形缝隙的内径r₂为2mm，环形缝隙的宽度w为1.9mm。

该实例可实现透波角度θ随着透波频率15.51GHz～16.26GHz从0°～60°变化。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1.仿真条件：本发明采用CST Microwave Studio电磁仿真软件，对实施例一单层超表面缝隙单元2进行全波仿真。

2.仿真内容：

仿真1，利用CST软件对单层超表面缝隙单元2进行仿真，得到传输系数与透波频率的曲线关系如图3。由图3可见：

当透波角度θ取0°时，仅透波频率f_0°为8.99GHz的电磁波可以通过；

当透波角度θ取10°时，仅透波频率f_10°为9.01GHz的电磁波可以通过；

当透波角度θ取20°时，仅透波频率f_20°为9.08GHz的电磁波可以通过；

当透波角度θ取30°时，仅透波频率f_30°为9.18GHz的电磁波可以通过；

当透波角度θ取40°时，仅透波频率f_40°为9.30GHz的电磁波可以通过；

当透波角度θ取50°时，仅透波频率f_50°为9.41GHz的电磁波可以通过；

当透波角度θ取60°时，仅透波频率f_60°为9.54GHz的电磁波可以通过。

从图3所示的结果表明，透波频率f_θ随着透波角度θ的变化而变化，且为一一对应关系。

仿真2，根据公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，当透波角度θ为0°时，其透波频率f_0°的理想值等于仿真值8.99GHz；将任意透波角度θ和透波频率f_θ代入上述公式，可得到最理想透波角度θ＝90°时的理想透波频率：f_90°＝9.69GHz。将所得参数f_0°和f_90°代入公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ进行计算，得到透波频率理想值与仿真1所得仿真值的对比曲线，如图4。

由图4可见：当透波角度θ从0°～60°变化时，仿真1仿真得到的透波频率f_0°＝8.99GHz、f_10°＝9.01GHz、f_20°＝9.08GHz、f_30°＝9.18GHz、f_40°＝9.30GHz、f_50°＝9.41GHz和f_60°＝9.54GHz均位于透波频率的理想值曲线f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ上。

仿真3，利用CST软件对单层超表面缝隙单元2进行仿真，得到传输系数与透波角度的曲线关系如图5。由图5可见：

当透波频率f_θ取9.01GHz时，仅透波角度θ为10°的电磁波可以通过；

当透波频率f_θ取9.08GHz时，仅透波角度θ为20°的电磁波可以通过；

当透波频率f_θ取9.18GHz时，仅透波角度θ为30°的电磁波可以通过；

当透波频率f_θ取9.30GHz时，仅透波角度θ为40°的电磁波可以通过；

当透波频率f_θ取9.41GHz时，仅透波角度θ为50°的电磁波可以通过。

从图5所示的结果表明，透波角度θ随着透波频率f_θ的变化而变化，且为一一对应关系，从而实现本发明频率选择角度透波的最终目的。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，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保护范围之内。

Claims (6)

1.一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，是在单层超材料表面(1)上周期性排列数个单层超表面缝隙单元(2)，每个单层超表面缝隙单元(2)包括介质基板(21)和金属贴片(22)，金属贴片(22)印制在介质基板(21)上，其特征在于：金属贴片(22)上蚀刻有上下非对称双开口的环形缝隙，且上开口小于下开口，上开口为环形缝隙外环半径的0.02～0.94倍，下开口为环形缝隙外环半径的0.07～1.02倍，用于实现单频带下的频率选择角度透波，使电磁波透波角度随着超表面的透波频率的变化产生偏移。

2.根据权利要求1所述的一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，其特征在于：介质基板(21)采用厚度为0.5mm～0.8mm，相对介电常数为2.65～4.4的方形有机高分子聚合物基板。

3.根据权利要求1所述的一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，其特征在于：金属贴片(22)采用方形金属铜材，上下非对称双开口环形缝隙的外环半径为金属贴片边长的0.43～0.48倍。

4.根据权利要求1所述的一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，其特征在于：上下非对称双开口环形缝隙的缝隙宽度为环形缝隙外环半径的0.02～0.51倍。

5.根据权利要求1所述的一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，其特征在于：单层超表面缝隙单元(2)的相邻中心点之间的距离为透波频率对应波长的2～5倍。

6.根据权利要求1所述的一种频率选择透波角度的单层超材料表面结构，其特征在于：当上下非对称双开口环形缝隙的上开口固定，随着下开口的增大，其透波频率的频偏先增大后减小。