CN106129549B - 一种空气腔频率选择表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气腔频率选择表面结构，由M*N个相同的周期单元组成，每个周期单元为一个长方体结构，该长方体结构的正面和反面均具有一条槽线，中间是空气腔谐振器，该空气腔谐振器的内、外表面由金属包围；其中，M＞10，N＞10。本发明具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可以作为单频空气腔频率选择表面结构，又可以作为三频空气腔频率选择表面结构，应用十分广泛，范围涉及电磁领域的许多方面，在微波波段可以用于天线罩、多频反射面天线、平面高增益天线、电磁兼容吸收体、极化器、波导滤波器、人工电磁材料等。

Description

一种空气腔频率选择表面结构
技术领域
本发明涉及一种频率选择表面结构，尤其是一种空气腔频率选择表面结构，属于频率选择性表面技术领域。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由相同的贴片或孔径单元按二维周期性排列构成的无限大平面结构，它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择特性。按其对电磁波的频率响应的不同，FSS大致可分为两类：一种是金属贴片型，另一种是与贴片型结构互补的孔径型，即在金属平板上开槽(槽线)的结构。当FSS处于谐振状态时，入射电磁波发生全反射(单元为贴片型)或全透射(单元为槽线型)。由于这种独特的空间滤波特性，使得FSS在工程领域具有很大的应用价值，成为微波和天线研究领域的一个重要方向。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
1)中国专利申请号为201510975867.3的发明专利申请公开了一种选择性高和角度稳定的频率选择表面，如图1所示，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槽线，实现了频率选择表面的高选择性和角度稳定性，该技术在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。
2)中国专利申请号为201510953990.5的发明专利申请公开了一种基于立体结构的频率选择表面结构，如图2所示，解决了现有结构简单的频率选择表面存在可控制参数比较少，实际应用时存在频率响应曲线斜率小、极化稳定性差、小型化差的问题。该技术的四块一号介质板的垂直拼接构成矩形框，矩形框的内侧壁涂有金属薄膜层，一号介质板上开有圆形通孔，且每个所述圆形通孔的内侧均涂有金属薄膜层；两块二号介质板均设置在所述矩形框内，每块二号介质板的一对相对的边均与所述矩形框的内侧壁固定连接，且两块二号介质板沿中线垂直交接构成十字形结构，所述十字形的谐振结构的左臂的下表面、右臂的上表面、上臂的左侧表面和下臂的右侧表面均设置有金属薄膜条，适用于天线罩的制作使用。
3)中国专利申请号为201510772122.7的发明专利申请公开了一种双频带宽带频率选择表面，如图3所示，其包括在铜板上刻蚀形成的周期排列的多个槽线孔单元，每个槽线孔单元包括正方形槽线孔，正方形槽线孔内部设有两条交叉的对角线槽线孔，正方形槽线孔的每条边的中点设有使每条边分割为两段的实心部分，正方形槽线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；该技术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。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种空气腔频率选择表面结构，该结构具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可以作为单频空气腔频率选择表面结构，又可以作为三频空气腔频率选择表面结构。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种空气腔频率选择表面结构，由M*N个相同的周期单元组成，每个周期单元为一个长方体结构，该长方体结构的正面和反面均具有一条槽线，中间是空气腔谐振器，该空气腔谐振器的内、外表面由金属包围；其中，M＞10，N＞10。
作为一种优选方案，所述空气腔谐振器通过3D打印而成，所述金属通过电镀覆盖在空气腔谐振器的内、外表面。
作为一种优选方案，所述长方体结构的三维参数分别记为a、b和c；所述长方体结构的空气腔谐振器激励出三个沿X、Y、Z轴电场方向的谐振模式，分别为TE011、TE101和TM110，这三个谐振模式的谐振频率与长方体结构的三维参数有如下函数关系：
其中，K0,1,1为谐振模式TE011的谐振频率，K1,0,1为谐振模式TE101的谐振频率，K1,1,0为谐振模式TM110的谐振频率。
作为一种优选方案，所述长方体结构的正面和反面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴方向偏移距离S，且相对Y轴旋转角度θ。
作为一种优选方案，所述空气腔频率选择表面结构为单频空气腔频率选择表面结构时，所述长方体结构的正面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ；所述长方体结构的反面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向偏移距离S，且相对Y轴向左旋转角度θ。
作为一种优选方案，所述空气腔频率选择表面结构为三频空气腔频率选择表面结构时，所述长方体结构的正面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ；所述长方体结构的反面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴负方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ。
作为一种优选方案，所述长方体结构的正面和反面上的槽线为矩形槽线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的每个周期单元(长方体结构)的正面和反面都具有一条槽线，该槽线可以相对该周期单元的几何中心点沿X轴方向进行偏移，且相对Y轴进行旋转(偏移相同方向、旋转不同方向为单频空气腔频率选择表面结构，偏移相反方向、旋转相同方向为三频空气腔频率选择表面结构)，偏移的距离可根据对应的尺寸变化，通过改变旋转的角度，可以改变模式耦合以及传输零点位置；同时每个周期单元(长方体结构)可根据需要的工作频率选择合适的三维参数尺寸。
2、本发明的每个周期单元(长方体结构)中间是空气腔谐振器，该空气腔谐振器的内、外表面由金属包围，其中空气腔谐振器通过3D打印而成，因此能够快速成型，加工相当容易，而且精度高，金属通过电镀覆盖在空气腔谐振器的内、外表面，因此可以提高空气腔谐振器的性能，从而提高空气腔频率选择表面结构的性能。
3、本发明具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可以作为单频空气腔频率选择表面结构，又可以作为三频空气腔频率选择表面结构，应用十分广泛，范围涉及电磁领域的许多方面，在微波波段可以用于天线罩、多频反射面天线、平面高增益天线、电磁兼容吸收体、极化器、波导滤波器、人工电磁材料等。
附图说明
图1为第一种现有技术的结构示意图。
图2为第二种现有技术的结构示意图。
图3为第三种现有技术的结构示意图。
图4为本发明实施例1的空气腔频率选择表面结构的正面示意图。
图5为本发明实施例1的空气腔频率选择表面结构中的一个周期单元正面示意图。
图6为本发明实施例1的空气腔频率选择表面结构中一个周期单元立体结构图。
图7为本发明实施例1的空气腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线图。
图8为本发明实施例2的空气腔频率选择表面结构中一个周期单元立体结构图。
图9为本发明实施例2的空气腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线图。
其中，1-第一槽线，2-第二槽线，3-空气腔谐振器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图4～图6所示，本实施例的空气腔频率选择表面结构由M*N个相同的周期单元组成，每个周期单元为一个长方体结构，该长方体结构的正面和反面均具有一条槽线，正面的槽线为第一槽线1，反面的槽线为第二槽线2，所述第一槽线8和第二槽线9均是长为L、宽为W的矩形槽线，该长方体结构的中间是空气腔谐振器3，该空气腔谐振器3的内、外表面由金属包围；其中，M＞10，N＞10，由于周期单元的数量很多，在本实施例的图中只示出了2*2的周期单元数量。
所述空气腔谐振器3通过3D打印而成，因此能够快速成型，加工相当容易，而且精度高；所述金属通过电镀覆盖在空气腔谐振器的内、外表面，因此可以提高空气腔谐振器3的性能。
所述长方体结构的三维参数分别记为a、b和c；所述长方体结构的空气腔谐振器3激励出三个沿X、Y、Z轴电场方向的谐振模式，分别为TE011、TE101和TM110，这三个谐振模式的谐振频率与长方体结构的三维参数有如下函数关系：
其中，K0,1,1为谐振模式TE011的谐振频率，K1,0,1为谐振模式TE101的谐振频率，K1,1,0为谐振模式TM110的谐振频率，可根据需要的工作频率选择合适的a、b、c的尺寸，无限制频率范围。
本实施例的空气腔频率选择表面结构为单频空气腔频率选择表面结构，从图6中可以看出，所述长方体结构的正面上的第一槽线1相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向(+X轴)偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ；所述长方体结构的反面上的第二槽线2相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向(+X轴)偏移距离S，且相对Y轴向左旋转角度θ，也就是说，第一槽线1和第二槽线2偏移的方向相同，而旋转的方向相反；其中距离S可根据对应的尺寸变化，不固定，通过改变角度θ，可以改变工作频率。
单频空气腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线如图7所示，图中S11是输入端口的回波损耗，S21是输入端口到输出端口的正向传输系数，从图中可以看到，只有一个频段，S11的值在-10dB以下。
实施例2：
本实施例的主要特点是：如图8所示，本实施例的空气腔频率选择表面结构作为三频空气腔频率选择表面结构，所述长方体结构的正面上的第一槽线1相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向(+X轴)偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ；所述长方体结构的反面上的第二槽线2相对该长方体结构的几何中心点沿X轴反方向(-X轴)偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ，也就是说，第一槽线1和第二槽线2偏移的方向相反，而旋转的方向相同。其余同实施例1。
三频空气腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线如图9所示，图中S11是输入端口的回波损耗，S21是输入端口到输出端口的正向传输系数，从图中可以看到，有三个频段，S11的值在-10dB(或以下)。
上述实施例1和2中，所述金属可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
综上所述，本发明具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可以作为单频空气腔频率选择表面结构，又可以作为三频空气腔频率选择表面结构，应用十分广泛，范围涉及电磁领域的许多方面，在微波波段可以用于天线罩、多频反射面天线、平面高增益天线、电磁兼容吸收体、极化器、波导滤波器、人工电磁材料等。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种空气腔频率选择表面结构，其特征在于：由M*N个相同的周期单元组成，每个周期单元为一个长方体结构，该长方体结构的正面和反面均具有一条槽线，中间是空气腔谐振器，该空气腔谐振器的内、外表面由金属包围；其中，M＞10，N＞10；
所述长方体结构的正面和反面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴方向偏移距离S，且相对Y轴旋转角度θ。
2.根据权利要求1所述的一种空气腔频率选择表面结构，其特征在于：所述空气腔谐振器通过3D打印而成，所述金属通过电镀覆盖在空气腔谐振器的内、外表面。
3.根据权利要求1或2所述的一种空气腔频率选择表面结构，其特征在于：所述长方体结构的三维参数分别记为a、b和c；所述长方体结构的空气腔谐振器激励出三个沿X、Y、Z轴电场方向的谐振模式，分别为TE011、TE101和TM110，这三个谐振模式的谐振频率与长方体结构的三维参数有如下函数关系：
其中，K0,1,1为谐振模式TE011的谐振频率，K1,0,1为谐振模式TE101的谐振频率，K1,1,0为谐振模式TM110的谐振频率。
4.根据权利要求1的一种空气腔频率选择表面结构，其特征在于：所述空气腔频率选择表面结构为单频空气腔频率选择表面结构时，所述长方体结构的正面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ；所述长方体结构的反面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向偏移距离S，且相对Y轴向左旋转角度θ。
5.根据权利要求1的一种空气腔频率选择表面结构，其特征在于：所述空气腔频率选择表面结构为三频空气腔频率选择表面结构时，所述长方体结构的正面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴正方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ；所述长方体结构的反面上的槽线相对该长方体结构的几何中心点沿X轴负方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度θ。
6.根据权利要求1或2所述的一种空气腔频率选择表面结构，其特征在于：所述长方体结构的正面和反面上的槽线为矩形槽线。
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