CN106887710A - 提高角度稳定性的频率选择表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种提高角度稳定性的频率选择表面结构，主要解决现有频率选择表面角度稳定性较差的问题。其由M×N个频率选择表面单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3，每个频率选择表面单元包括介质基板(1)和印制于其表面的金属贴片(2)，其特征在于：金属贴片(2)包括对称的四个“凹”字图形(21)；每个“凹”字图形(21)两个外竖臂的中部均设有镂空缝隙(23)，且左下端开口，以形成一个连续的曲折条带，这四个曲折条带的首尾通过矩形条带(22)相连，构成完整的方形闭环条带。本发明对于不同极化的入射波均有较高的角度稳定性，可用于卫星通信、反射面天线等领域。

Description

提高角度稳定性的频率选择表面结构
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种角度稳定性高的频率选择表面，可用于卫星通信、反射面天线、室内屏蔽等领域。
背景技术
频率选择表面FSS是由大量相同单元按二维周期性排列构成的单层或多层平面结构。FSS本身并不吸收能量，但却能起到滤波的作用，本质上是一种空间滤波器。频率选择表面FSS的单元通常有两种类型，即贴片型与孔径型，当入射波频率与频率选择表面的谐振频率相等时，两种类型的单元分别表现出全反射或全透射的现象。由于其独特滤波特性，频率选择表面FSS常被应用于飞行器雷达罩、天线反射板等。
频率选择表面不同于传统的微波滤波器件，其性能不仅随入射波频率而变化，而且与入射波的角度、极化方式密切相关。一般来说，在斜入射的情况下，随着入射波角度的增大，频率选择表面的谐振频率会发生不同程度的偏移。当斜入射角度大到60°～85°时，频率选择表面的性能将会严重恶化以至于无法使用。因此，角度稳定性与极化稳定性是衡量一个频率选择表面性能的重要参考指标。目前，大多数频率选择表面的角度稳定性能只能保持在0°～30°之内，一些频率选择表面也仅能在0°～60°范围内保持性能稳定。如中国专利申请，授权公布号为CN204966641U，名称为“基于十字框型结构的贴片型频率选择表面周期单元”的发明专利，该专利公开了一种基于十字框架型结构贴片型频率选择表面周期单元，包括十字形本体，十字型本体包括四个十字形结构和用于连接相邻两个十字形结构的连接部。该设计仅能在入射角为0°～60°范围内保持极化稳定性与角度稳定性。在斜入射角度为60°～80°时，只有较少的频率选择表面还能保持性能稳定。如在文章Zhao Z,Shi H,Guo J,et al.A Stop-band Frequency Selective Surface with Ultra-large Angle ofIncidence[J].2016:1-1.中，作者通过分形技术设计出一种频率选择表面，该频率选择表面所说在入射角度为0°～80°范围内保持谐振频率稳定，但其不能满足对更大入射角度如85°时谐振频率稳定的需求。
随着通信技术的发展，通信系统性能不断提升，对频率选择表面的角度稳定性要求也越来越高。如何设计出角度稳定性高的频率选择表面，并且尽可能降低谐振频率偏移量已成为目前频率选择表面设计的难点之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足之处，提出一种提高角度稳定性的频率选择表面结构，以在电磁波斜入射时，保证谐振频率稳定的情况下，尽可能降低谐振频率偏移量。
为了实现上述的目的，本发明的频率选择表面结构由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金属贴片，其特征在于：金属贴片包括对称的四个“凹”字图形；每个“凹”字图形两个外竖臂的中部均设有镂空缝隙，且左下端开口，以形成一个连续的曲折条带，这四个曲折条带的首尾通过矩形条带相连，构成完整的方形闭环条带。
作为优选，所述介质基板采用相对介电常数为2.2～2.65的正方形板材，其边长D＝7.8mm～8.2mm，厚度H＝1mm～2mm。
作为优选，所述金属贴片的长度和宽度相等，均为L1＝7mm～7.5mm。
作为优选，所述每个“凹”字图形的长度L2与宽度L3相等，均为3mm～3.6mm；每个“凹”字图形的两个外竖臂宽度W2为0.6mm～1.2mm，长度L4为2.8mm～3.2mm。
作为优选，所述镂空缝隙(23)的长度L5为2.4mm～2.8mm，宽度为Wg＝0.2mm～0.4mm。
作为优选，矩形条带的长度Wt为0.3mm～0.5mm。
作为优选，矩形条带的宽度W3与曲折条带的宽度W1相等，取值为0.2mm～0.4mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明的频率选择表面单元由于采用四个对称的“凹”字图形与矩形条带组成的曲折型闭环条带，因此，频率选择表面单元在结构上具有对称性，这种对称性，可降低本单元对于不同极化入射波的敏感程度，使得本发明对于TE极化或TM极化的入射波均具有较好的谐振稳定性。
2、本发明所采用的频率选择表面单元由于其内部含有诸多的曲折结构，故能在尽量小的空间内容纳较长的单元总周长，增加了电流路径，当电磁波在60°～85°的大角度斜入射时，有利于降低其谐振频率偏移量。
仿真结果表明，本发明能在入射波入射角度0°～85°范围内保持谐振频率稳定，当入射角度为85°时，最大谐振频率偏移量为0.08GHz。而在背景技术中，Zhao Z,Shi H,Guo J等人提出的结构在入射角度为80°时，最大谐振频率偏移量已达到0.08GHz，与其相比，本发明能将谐振频率稳定时的最大入射角度由80°提升至85°，虽然仅有5°的角度提升，但对于频率选择表面性能的提升是有重要意义的。如将频率选择表面应用于天线罩时，这将极大提升天线罩在电磁波大角度掠入射下的性能，有利于提升飞行器天线的隐身性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中的频率选择表面单元结构示意图；
图3是本发明频率选择表面单元中的贴片结构示意图；
图4是本发明实施例1在TE极化波以不同角度入射时的透射系数示意图；
图5是本发明实施例1在TM极化波以不同角度入射时的透射系数示意图。
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：
参照图1，本发明本发明由M×N个频率选择表面单元组成，其中M≥3，N≥3，本实例取但不限于M＝50,N＝50。每个频率选择表面单元的结构相同，且周期排列。
参照图2和图3，本发明给出频率选择表面单元的如下三种实施例。
实施例1，介质基板相对介电常数为2.2，贴片长度为7.5mm，曲折条带的宽度为0.4mm的频率选择表面单元。
参照图2，本实例的每个频率选择表面单元包括介质基板1和印制于其表面的金属贴片2，且金属贴片2与介质基板1上表面的几何中心重合。介质基板1采用正方形板材，通过正方形板材的使用，保证所形成的频率选择表面结构的极化稳定性；介质基板1的边长D＝8mm，厚度H＝1mm，相对介电常数为2.2。
参照图3，每个频率选择表面单元金属贴片2的长度与宽度相等，且小于介质基板的边长，本实例取属贴片2的长度与宽度均为L1＝7.5mm。金属贴片2包括对称的四个“凹”字图形21；每个“凹”字图形21两个外竖臂的中部均设有镂空缝隙23，且左下端开口，以形成一个连续的曲折条带，这四个曲折条带的首尾通过矩形条带22相连，构成完整的方形闭条带；每个“凹”字图形21的长度L2与宽度L3相等，均为3.6mm；每个“凹”字图形的两个外竖臂宽度W2为1.2mm，长度L4为2.8mm；镂空缝隙23的长度L5为2.4mm，宽度Wg为0.4mm；矩形条带22的长度Wt为0.3mm，矩形条带22的宽度W3与曲折条带的宽度W1相等，取值为0.4mm。
实施例2，介质基板相对介电常数为2.25，贴片长度为8.5mm，曲折条带的宽度为0.3mm的频率选择表面单元。
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：
介质基板1的边长为D＝9mm，厚度为H＝1.5mm，相对介电常数为2.25，金属贴片2的长度和宽度相等，均为L1＝8.5mm；每个“凹”字图形21的长度L2与宽度L3相等，均为4.0mm，每个“凹”字图形的两个外竖臂宽度W2为1.4mm，长度L4为3.0mm；镂空缝隙23的长度L5为2.6mm，宽度Wg为0.8mm；矩形条带22的长度Wt为0.5mm，矩形条带22的宽度W3与曲折条带的宽度W1相等，取值为0.3mm。
实施例3，介质基板相对介电常数为2.65，贴片长度为9mm，曲折条带的宽度为0.5mm的频率选择表面单元。
本实施例与实施例1的结构相同，其参数如下：
介质基板1的边长为D＝9.5mm，厚度为H＝2mm，相对介电常数为2.65，金属贴片2的长度和宽度相等，均为L1＝9mm；每个“凹”字图形21的长度L2与宽度L3相等，均为4.1mm，每个“凹”字图形的两个外竖臂宽度W2为1.6mm，长度L4为3.1mm；镂空缝隙23的长度L5为2.8mm，宽度Wg为1mm；矩形条带22的长度Wt为0.1mm，矩形条带22的宽度W3与曲折条带的宽度W1相等，取值为0.5mm。
本发明的效果可通过以下仿真试验进一步说明：
1、仿真内容
仿真1，基于商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1在TE极化波为0°，30°，60°，80°，85°不同角度入射时的透射系数进行仿真计算，结果如图4所示，其中横轴表示频率，纵轴表示传输系数。
从图4可以看出，对于TE极化波，入射角在0°～85°范围内，该频率选择表面谐振频率基本稳定在5.94GHz,谐振频率最大偏移为0.02GHz。
仿真2，基于商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例在TM极化波为0°，30°，60°，80°,85°不同角度入射时的透射系数进行仿真计算，结果如图5所示，其中横轴表示频率，纵轴表示传输系数。
从图5可以看出，对于TM极化波，入射角在0°～85°范围内，该频率选择表面谐振频率基本稳定在5.94GHz,谐振频率最大偏移为0.08GHz。
通过以上仿真结果说明，本发明对于TE、TM极化波，在入射波0°～85°范围内，具有稳定的谐振频率，谐振频率最大偏移量为0.08GHz，因此，本发明具有较高的角度稳定性。
以上描述仅是本发明的几个具体实施例，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 (8)

1.一种提高角度稳定性的频率选择表面结构，由M×N个频率选择表面单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3，每个频率选择表面单元包括介质基板(1)和印制于其表面的金属贴片(2)，其特征在于：金属贴片(2)包括对称的四个“凹”字图形(21)；每个“凹”字图形(21)两个外竖臂的中部均设有镂空缝隙(23)，且左下端开口，以形成一个连续的曲折条带，这四个曲折条带的首尾通过矩形条带(22)相连，构成完整的方形闭环条带。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于金属贴片(2)与介质基板(1)上表面的几何中心重合。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于介质基板(1)采用相对介电常数为2.2～2.65的正方形板材，其边长D＝8mm～9.5mm，厚度H＝1mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于金属贴片(2)的长度和宽度相等，均为L1＝7.5mm～9mm。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于每个“凹”字图形(21)的长度L2与宽度L3相等，均为3.6mm～3.9mm；每个“凹”字图形的两个外竖臂宽度W2为1.2mm～1.6mm，长度L4为2.8mm～3.1mm。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于；镂空缝隙(23)的长度L5为2.4mm～2.8mm，宽度为Wg＝0.4mm～1mm。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于矩形条带(22)的长度Wt为0.1mm～0.3mm。
8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于矩形条带(22)的宽度W3与曲折条带的宽度W1相等，取值为0.3mm～0.5mm。
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