CN107171042A - 一种频率选择表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率选择表面结构单元，所述频率选择表面结构单元包括介质基板(1)、位于所述介质基板(1)的介质平面上的方环阵列(2)与金属条(3)；所述方环阵列(2)包括沿所述介质基板(1)的四条边设置的封闭方环金属线(21)和设于所述封闭方环金属线(21)内部与所述封闭方环金属线(21)具有同一中心的依次排列的缝隙方环阵列(22)，所述缝隙方环阵列具有两条交叉的对角线缝隙，所述对角线缝隙将所述缝隙方环阵列(22)的每个缝隙方环划分为不同方向的四条金属线(221)；所述金属条(3)包括第一金属条(31)，所述第一金属条(31)垂直相交于所述封闭方环金属线(21)与对应方向上的缝隙方环阵列(22)的每条金属线(221)。

Description

一种频率选择表面结构

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种频率选择表面结构单元及其组成的频率选择表面结构。

背景技术

本申请发明人在实现本申请实施例技术方案的过程中，至少发现相关技术中存在如下技术问题：

随着无线通信的快速发展，不论是雷达、电子对抗技术，还是个人通信系统，其快速发展对微波领域都起到了促进作用。在很多的领域要求某个系统需要对特定的电磁波进行频率选择，例如：微波滤波器、屏蔽箱和屏蔽室、简单的偶极子频率选择表面等。

其中，微波滤波器的种类较多，包括集总参数构成的滤波器、微带线构成的滤波器还有腔体滤波器等，但集总LC滤波器是由电容电感等元件构成，在频率较高时分布参数较大，不适于用于高频率滤波，并且在应用时位置固定，电磁波方向和位置确定。微带线型滤波器的谐振单元均在同一空间层，占用面积较大，电磁波方向和位置确定。屏蔽箱和屏蔽室虽然能达到屏蔽电磁波的功能，但是屏蔽的频率没有选择性，且占用体积大，成本昂贵。简单的偶极子频率选择表面对特定的电磁波具有频率选择特性，由于其结构简单，其对不同角度入射的电磁波表现出不一样的传输特性，稳定性较差，并且其频率选择表面结构尺寸较大，达不到小型化的效果。

可见，现有的频率选择器都无法满足小型化的要求，并且一般的频率选择表面为半波长谐振器，在实际的设计应用中不可能将尺寸做的足够大来满足特定频率下的谐振；因此，亟需一种小型化的频率选择表面结构，在具有频率选择特性的同时，满足小型化的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例希望提供一种频率选择表面结构及其组成的频率选择表面结构，至少解决了现有技术存在的问题，在具有频率选择特性的同时，满足小型化的需求。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供的一种频率选择表面结构单元，所述频率选择表面结构单元包括介质基板1、位于所述介质基板1的介质平面上的方环阵列2与金属条3；

所述方环阵列2包括沿所述介质基板1的四条边设置的封闭方环金属线21和设于所述封闭方环金属线21内部与所述封闭方环金属线21具有同一中心的依次排列的缝隙方环阵列22，所述缝隙方环阵列具有两条交叉的对角线缝隙，所述对角线缝隙将所述缝隙方环阵列22的每个缝隙方环划分为不同方向的四条金属线221；所述金属条3包括第一金属条31，所述第一金属条31垂直相交于所述封闭方环金属线21与对应方向上的缝隙方环阵列22的每条金属线221。

上述方案中，所述缝隙方环阵列的每个方向上的金属线221之间的距离d相等。

上述方案中，所述金属条3还包括与所述第一金属条31平行的第二金属条32，所述第二金属条32与所述缝隙方环阵列的对应方向上的部分金属线221垂直相交。

上述方案中，所述金属线221之间的距离为d，包括第一距离d1、第二距离d2和第三距离d3，其中，与所述第二金属条相交的金属线之间的距离d1和与所述第二金属条未相交的金属线之间的距离d2相等，所述与第二金属条相交的金属线和与所述第二金属条未相交的金属线之间的距离d3＝2d1。

上述方案中，通过改变所述金属线221的之间的距离d、所述金属条3的宽度w和封闭方环金属线21的边长的长度L来改变所述频率选择表面结构单元的有效谐振波长，根据所述有效谐振波长确定所述频率选择表面结构单元的谐振频率。其中，金属条3的宽度为w。

上述方案中，所述金属线221之间的距离d的取值范围为0.1～0.75mm，所述金属条的宽度w的取值范围为0.1～0.75mm。

上述方案中，当封闭方环金属线的边长长度L不变时，减小所述金属线221之间的距离d和/或所述金属条3的宽度w，谐振波长增大，谐振频率降低。

上述方案中，当封闭方环金属线的边长长度L不变时，增大所述金属线221之间的距离d和/或所述金属条3的宽度w，谐振波长减小，谐振频率增加。

本发明实施例提供的一种频率选择表面结构，所述频率选择表面结构包括多个权利要求1至8任一项所述的频率选择表面结构单元，所述频率选择表面结构单元周期对称排列。

上述方案中，所述频率选择表面结构单元周期对称排列包括：预设数量的所述频率选择表面结构单元中心对称排列。

本发明实施例的一种频率选择表面结构单元，包括介质基板1、位于所述介质基板1的介质平面上的方环阵列2与金属条3；所述方环阵列2包括沿所述介质基板1的四条边设置的封闭方环金属线21和设于所述封闭方环金属线内部与所述封闭方环金属线具有同一中心的依次排列的缝隙方环阵列22，所述缝隙方环阵列22具有两条交叉的对角线缝，所述对角缝隙将所述缝隙方环阵列的每个缝隙方环划分为不同方向的四条金属线221；所述金属线3包括第一金属条31，垂直相交于所述封闭方环金属线21与对应方向上的缝隙方环阵列的每条金属线221。采用本发明实施例，频率选择表面结构单元采用完全对称的正方形单元，在方环形结构的内部设有与封闭方环金属线21相连的金属条3，并且在封闭方环金属线21内有许多平行金属线221构成的缝隙方环阵列22与该金属条3垂直相交，由于封闭方环金属线21的周长增大，方环的周长增大，对应的谐振波长增大，通过增加谐振单元的有效周长降低来谐振频率，从而在小型化的基础上能够有效进行频率选择。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种频率选择表面结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种频率选择表面结构单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种频率选择表面结构的结构示意图；

图4为采用本发明实施例提供频率选择表面结构单元时TE波垂直入射时的频率响应特性；

图5为采用本发明实施例提供频率选择表面结构单元时TE波以不同角度入射时的频率响应特性；

图6为采用本发明实施例提供频率选择表面结构单元时不同极化波垂直入射时的频率响应特性；

图7为采用本发明实施例提供频率选择表面结构单元时不同极化波45°入射时的频率响应特性。

其中，介质基板：1，方环阵列：2，封闭方环金属线：21，缝隙方环阵列：22，金属线：221，金属条：3，第一金属条31，第二金属条：32。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种频率选择表面结构单元，如图1所示，频率选择表面结构单元包括介质基板1、位于所述介质基板1的介质平面上的方环阵列2与第一金属条3，所述方环阵列2包括沿所述介质基板1的四条边设置的封闭方环金属线21和设于所述封闭方环金属线21内部与所述封闭方环金属线21具有同一中心的依次排列的缝隙方环阵列22，所述缝隙方环阵列22具有两条交叉的对角线缝隙，所述对角线缝隙将所述缝隙方环阵列的每个缝隙方环划分为不同方向的四条金属线221；所述金属条3包括第一金属线31，垂直相交于所述封闭方环金属线21与对应方向上的缝隙方环阵列22的每条金属线221。在图一所示的频率选择表面结构单元中，所述缝隙方环阵列22的每个方向上的金属线221之间的距离相等。

在图1中，频率选择表面结构单元为正方形贴面单元完全对称结构，在方形结构的内部的封闭方环金属线21的每个边上有一个金属条3和每一边的中点相连，且该金属条3与封闭方环金属线21的内部的缝隙方环阵列22的对应方向上的每一个金属线221垂直相交，这样来增加贴片单元的有效谐振波长，降低了谐振频率。由于一个封闭方环金属线的周长较短，而增加每一条金属线相连的金属条后，等效的谐振周长增加，由f＝C/λ，可得到谐振频率降低，其中f为谐振频率，c为谐振周长，λ为谐振波长。从该公式可知，该金属线长度由需要的谐振频率来决定。

在图1中，封闭方环金属线的边长(方环单元结构的边长)为L，L取5.1mm，缝隙方环阵列22的金属线221的宽度均为w＝0.15mm，金属线221之间的距离d＝0.15mm,方环阵列到介质基板的边的间距即封闭方环金属线2到介质基板边的间距g＝4.2mm，封闭方环阵列的每个方向上包括6条金属线221，这些金属线的长度分别为L1＝3.6mm，L2＝3.0mm，L3＝2.4mm，L4＝1.8mm，L5＝1.2mm，L6＝0.6mm，第一金属条31的长度：S1＝2.1mm，所有的金属线在同一个介质平面上，在本发明实施例中，介质基板的各项参数如下：厚度为1mm，介电常数4.3，正切损耗为0.025。

需要说明的是，上述数据为描述本发明的具体结构进行的举例，实施例中涉及的具体数据包括并不限于上述举例。

相对于普通的频率选择表面没有充分利用矩形金属框内部的空间，本发明实施例提供的频率选择表面结构单元的内部空间的金属条和矩形金属线相连，这样有效谐振波长增加，谐振频率降低，当需要谐振某一个谐振频率的电磁波时，采用本发明实施例提供的结构，需要的单元面积大大减小，从而实现小型化。

在实际应用中，本发明实施例中的频率选择表面结构的单元可不限制在四边形的方环，也可包括圆形等其他的环形，当频率选择结构表面为圆形时，所述封闭方环金属线对应位置为封闭圆形金属线，在其内部设置同心圆的缝隙圆环阵列，且对角线缝隙将所述缝隙圆环阵列的每个缝隙圆环划分为不同方向的四条金属线；封闭圆环金属线与对应方向上的缝隙圆环阵列的每条金属线垂直相交有金属条。

如图2所示，金属条3还包括与第一金属条31平行的第二金属条32，第二金属条32与所述缝隙方环阵列22的对应方向上的部分金属线221垂直相交。在图2中，金属线221之间的距离d包括第一距离d1、第二距离d2和第三距离d3，第一距离d1为与第二金属条32相交的金属线221之间的距离，第二距离d2为与第二金属条32未相交的金属线221之间的距离，第三距离d3为与第二金属条32相交的金属线221和与第二金属条32未相交的金属线221之间的距离；其中，与所述第二金属条32相交的金属线221之间的第一距离d1和与所述第二金属条32未相交的金属线221之间的第二距离d2相等，所述与第二金属条32相交的金属线221和与所述第二金属条32未相交的金属线221之间的第三距离d3＝2d1。

对于图1、2所示的频率选择表面结构中，通过改变所述金属线221的之间的距离d、所述金属条3的宽度w和封闭方环金属线21的边长长度L来改变所述频率选择表面结构单元的有效谐振波长，根据所述有效谐振波长确定所述频率选择表面结构单元的谐振频率。其中，所述金属线221之间的距离d的取值范围为0.1～0.75mm，金属条3的宽度w的取值范围为0.1～0.75mm。

具体的，当封闭方环金属线的边长长度L不变时，减小所述金属线221之间的距离d和/或所述金属条3的宽度w，谐振波长增大，谐振频率降低。当封闭方环金属线的边长长度L不变时，增大所述金属线221之间的距离d和/或所述金属条3的宽度w，谐振波长减小，谐振频率增加。

如图2所示，在方环形结构的内部都有三条金属条(一条第一金属条、两条第二金属条)和封闭方环金属线21及部分金属线221相连，这样来增加贴片单元的有效谐振波长，降低了谐振频率。封闭方环金属线的边长即方环单元结构的边长尺寸为L*L＝8.7mm*8.7mm，金属条的宽度均为w＝0.15mm，第一距离、第二距离d1＝d2＝0.15mm,封闭方环金属线到介质基板的边的间距g＝0.2mm,由对角线缝隙隔离之后的缝隙方环阵列的每个方向上的12条金属线的长度分别为:L1＝8.0mm，L2＝7.4mm，L3＝6.8mm，L4＝6.2mm，L5＝5.6mm，L6＝5.0mm，L11＝4.0mm，L22＝3.4mm，L33＝2.8mm，L44＝2.2mm，L55＝1.6mm，L66＝1.0mm，连接的第一金属条31的长度S1＝4.05mm，第二金属条32的长度S2＝2.1mm。所有的金属线与金属条在同一个介质平面上，此介质基板的各项参数如下：厚度为1mm，介电常数4.3，正切损耗为0.025。以该频率选择表面结构单元形成的屏蔽器单元的尺寸约为0.055λ₀×0.055λ₀(λ₀为阻带中心频率点对应的真空中波长)，达到了小型化的效果。并在封闭方环的边长不变的情况下减小金属线之间的距离d和/或金属线的宽度W可以增大谐振波长，进而使谐振频率降低；反之增加金属线之间的距离d和/或金属线的宽度W，可以使谐振频率增加，来滤除频率较高的电磁波。

在本发明实施例图2提供的频率选择表面结构单元中，缝隙方环阵列22的金属线221的宽度的取值范围为0.1～0.75mm，金属线221与金属线221之间的距离为d，d的取值范围为0.1～0.75mm，连接在方环阵列的每个方向上的金属条31、32的长度的取值范围为：31为：2.8～8.5mm，32为1.5～4.3mm，缝隙方环阵列内的有对角线缝隙隔离后的金属线221的长度为Ln，Ln的取值范围为0.5～16mm,n为方形结构内的每个方向上金属线个数，即缝隙方环阵列中的缝隙方环的个数，其范围为6～20。按照所述的结构方式排列，采用所有的金属条和金属线以金属贴片的形式刻蚀在同一个介质平面上，此介质基板的各项参数可如下：厚度为1mm，介电常数4.3，正切损耗为0.025。

本发明实施例还提供一种频率选择表面结构，该频率选择表面结构由图1或图2所示的频率选择表面结构单元组成，包括多个图1或图2所示的频率选择表面结构单元，这些频率选择表面结构单元周期对称排列，具体的，包括预设数量的所述频率选择表面结构单元中心对称排列。这里，预设数量的取值可为4、9、16等平方数，如图3所示，以预设数量以4为例，4个图2所示的频率选择表面结构单元中心对称排列，在根据需要选择需要过滤的频率的同时，通过高度对称的结构，提高频率选择表面的角度和极化稳定性，满足入射角和极化角变化时，其对电磁波的选择作用基本一致。

在实际应用中，频率选择表面是一种空间滤波结构，此结构主要分为贴片型和孔径型，它们分别对应表现出带阻和带通的特性，本发明实施例提供的频率选择表面结构主要应用于无线通讯网络的屏蔽，所以本发明实施例中采用具有带阻特性的贴片型单元。由于在典型的贴片型单元中，方环型的单元结构具有相对较宽的带宽，并且采用紧凑的周期对称排列的方环单元进行微波频率选择。由于方环周长增大，对应的谐振波长增大，通过增加谐振单元的有效周长降低来谐振频率，应用本发明实施例提供的频率选择表面结构单元进行严格周期对称排列提高了频率选择表面的角度和极化稳定性。

下面以图2所示的频率选择表面结构单元为例，通过不同的参数设置的实施例，对发明实施例提供的频率选择表面结构单元和频率选择表面结构进行进一步说明。

实施例一

在该频率选择表面结构单元中，采用厚度为1mm，介电常数4.3，正切损耗为0.025的介质基板。在介质基板上的以金属贴片的形式形成如图2所示的结构，缝隙方环阵列的方环的个数n为12，其中，6个缝隙方环与第一金属条31和第二金属条32同时相交，其长度分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6，6个方环未与第二金属条32相交，只与第一金属条31相交，其长度分别为L11、L22、L33、L44、L55、L66，具体的：

在介质基板的机制平面上设有一个方环形结构及封闭方环金属线，该封闭方环金属线的边长为L＝8.7mm，在封闭方环金属线的内部有缝隙方环阵列，由封闭方环金属线和缝隙方环阵列组成方环阵列，在方环阵列的每个方向上有三条金属条3分别和对应方向上的每一条金属线相连，该金属条长度分别为：S1为4.05mm，S2为2.1mm，S2为2.1mm。

(2)缝隙方环阵列由对角线缝隙在四个不同方向隔离出平行排列且长度依次减小的金属线，从外到内的缝隙方环阵列中与第二金属条32相交的金属线的长度依次为L1＝8.0mm，L2＝7.4mm，L3＝6.8mm，L4＝6.2mm，L5＝5.6mm，L6＝5.0mm的，每一条金属线的宽度为w＝0.15mm，第一距离d1＝0.15mm。

(3)然后在(2)的基础上隔一个间距d3＝0.3mm，该间距即为与所述第二金属条32相交的金属线221之间的第一距离d1和与所述第二金属条32未相交的金属线221之间的第三距离d3，未与第二金属条32相交的金属线221的长度依次为L11＝4.0mm，L22＝3.4mm，L33＝2.8mm，L44＝2.2mm，L55＝1.6mm，L66＝1.0mm，这些金属线之间的距离d2＝0.15mm。这里，d3＝2d1＝2d2。

(4)将此单元阵列结构刻蚀在介质基板上，其介质基板的各项参数为厚度1mm，介电常数4.3，正切损耗为0.025。

通过该频率选择表面结构单元够构成的屏蔽器单元尺寸为0.055λ0×0.055λ0(λ0为阻带中心频率点对应的真空中波长)。

通过电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0对该屏蔽器结构进行仿真，仿真的参数结果如图4至7所示，

其中，图4给出了横电波(Transverse Electric Wave，TE波)垂直入射时的频率响应。由图4可知，该屏蔽器呈现出带阻特性，中心频率为1.9GHz。在中心频率处的衰减达到了-60dB以下，达到了很好的屏蔽全球通信系统(GlobalSystem for Mobile Communications，GSM)1900信号的作用。

图5给出了TE波以不同角度入射该屏蔽器时频率响应特性曲线，对TE波以0°、30°、60°入射时，该屏蔽器的中心频率基本不变，都能很好的屏蔽GSM1900信号，由结果看出，该发明的屏蔽结构对不同角度的入射波都保持了十分稳定的传输特性，表面该频率选择表面结构的屏蔽器具有很好的角度稳定性。

图6和图7分别给出了不同极化波TE和横磁波(transverse magnetic wave，TM波)以0°和45°角入射屏蔽器时的频率响应特性。由图可知道，两种极化波都垂直入射时，该屏蔽器的频率响应基本没变，中心频率依然是1.9GHz，当TE和TM波以45°入射时，该屏蔽器的中心频率均为1.9GHz，并且在中心频率的传输系数很小，不同极化波对该屏蔽器的性能没有影响。由此可见该小型化频率选择表面的屏蔽器对入射波的极化表现并不敏感，具有较好的极化稳定性。由图可知，该发明的屏蔽器呈现出带阻特性，中心频率为1.9GHz，并且角度稳定性和极化稳定性都很好。

在本发明实施例中，金属线之间的距离d可与金属线的宽度w相同。

实施例二：

本发明实施例提供的频率选择表面结构单元及其组成的频率选择表面结构具有通用性，通过进一步减小金属线之间的距离d和金属条宽度w来增大谐振长度，进而使谐振频率降低；也可以通过适当增加间金属线之间的距离d和金属条宽度w来使谐振频率增加，达到滤除某个频率电磁波的效果。

本实例是增加金属线之间的间距d和金属条的宽度w和改变单元尺寸L来减小谐振波长，达到滤除5.1GHz频率的电磁波，采用厚度为1mm，介电常数4.3，正切损耗为0.025的介质基板，缝隙方环阵列的方环的个数为8，其中，4个缝隙方环与第一金属条31和第二金属条32同时相交，其长度分别为L1、L2、L3、L4，4个方环未与第二金属条32相交，只与第一金属条31相交，其长度分别为L11、L22、L33、L44，质基板上的结构尺寸如下：

金属线的宽度w＝0.21mm，金属线之间的距离d＝0.21mm(d1＝d2＝0.21，d3＝2d1＝0.42mm)，封闭方环金属线到介质基板的边的距离为g＝0.25mm，第一金属条31和第二金属条32的长度：S1为3.99mm，S2为2.1mm，S2＝为2.1mm，从外到内的缝隙方环阵列中与第二金属条32相交的金属线的长度依次为：L1＝7.5mm，L2＝6.7mm，L3＝5.9mm，L4＝5.1mm，未与第二金属条32相交的金属线的长度依次L11＝3.5mm，L22＝2.7mm，L33＝1.9mm，L44＝1.1mm。其分布结构与实例一结构类似，其效果在中心频率为5.1GHz时该屏蔽器结构呈现出带阻特性，并且也有较好的角度稳定性和极化稳定性，所设计的屏蔽器单元尺寸为8.4mm×8.4mm。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种频率选择表面结构单元，其特征在于，所述频率选择表面结构单元包括介质基板(1)、位于所述介质基板(1)的介质平面上的方环阵列(2)与金属条(3)；

所述方环阵列(2)包括沿所述介质基板(1)的四条边设置的封闭方环金属线(21)和设于所述封闭方环金属线(21)内部与所述封闭方环金属线(21)具有同一中心的依次排列的缝隙方环阵列(22)，所述缝隙方环阵列具有两条交叉的对角线缝隙，所述对角线缝隙将所述缝隙方环阵列(22)的每个缝隙方环划分为不同方向的四条金属线(221)；所述金属条(3)包括第一金属条(31)，所述第一金属条(31)垂直相交于所述封闭方环金属线(21)与对应方向上的缝隙方环阵列(22)的每条金属线(221)。

2.根据权利要求1所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，所述缝隙方环阵列的每个方向上的金属线(221)之间的距离d相等。

3.根据权利要求1所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，所述金属条(3)还包括与所述第一金属条(31)平行的第二金属条(32)，所述第二金属条(32)与所述缝隙方环阵列的对应方向上的部分金属线(221)垂直相交。

4.根据权利要求3所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，所述金属线(221)之间的距离为d，包括第一距离d1、第二距离d2和第三距离d3，其中，与所述第二金属条相交的金属线之间的距离d1和与所述第二金属条未相交的金属线之间的距离d2相等，所述与第二金属条相交的金属线和与所述第二金属条未相交的金属线之间的距离d3＝2d1。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，通过改变所述金属线(221)的之间的距离d、所述金属条(3)的宽度w和封闭方环金属线(21)的边长的长度L来改变所述频率选择表面结构单元的有效谐振波长，根据所述有效谐振波长确定所述频率选择表面结构单元的谐振频率。其中，金属条(3)的宽度为w。

6.根据权利要求5所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，所述金属线(221)之间的距离d的取值范围为0.1～0.75mm，所述金属条的宽度w的取值范围为0.1～0.75mm。

7.根据权利要求5所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，当封闭方环金属线的边长长度L不变时，减小所述金属线(221)之间的距离d和/或所述金属条(3)的宽度w，谐振波长增大，谐振频率降低。

8.根据权利要求5所述的频率选择表面结构单元，其特征在于，当封闭方环金属线的边长长度L不变时，增大所述金属线(221)之间的距离d和/或所述金属条(3)的宽度w，谐振波长减小，谐振频率增加。

9.一种频率选择表面结构，其特征在于，所述频率选择表面结构包括多个权利要求1至8任一项所述的频率选择表面结构单元，所述频率选择表面结构单元周期对称排列。

10.根据权利要求9所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述频率选择表面结构单元周期对称排列包括：预设数量的所述频率选择表面结构单元中心对称排列。