CN107591596A

CN107591596A - 一种q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面

Info

Publication number: CN107591596A
Application number: CN201710673682.6A
Authority: CN
Inventors: 吴泽威; 张婷; 王建勋; 王丽; 罗勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明公开了一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，属于大功率毫米波天线工程技术领域。该结构包括支架、固定圆环、安装挡环和金属圆板，金属圆板放置于固定圆环和安装挡环构成的卡槽中，且可围绕中心自由转动；金属圆板上设置有周期性分布的单元。本发明单元包括圆孔和梭形十字孔，由于单元关于中心90°旋转对称，因此该结构对极化敏感性低。本发明金属圆板上周期排列的两种孔径结构之间排列紧凑，使得单元间的相对间隔变小，能够有效降低栅瓣的影响。本发明单元相邻边均采用圆弧段连接，可以降低棱角处的局部场强，提高器件的功率容量，满足大功率工作要求。本发明所采用的结构设计简单，且具有良好的散热性。

Description

一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面

技术领域

本发明属于大功率毫米波天线工程技术领域，具体涉及一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSS)是由周期排列的金属贴片单元或金属屏上周期排列的开孔单元构成。贴片单元FSS在低频段传输，高频段反射，具有低通滤波特性。开孔单元则与之相反。FSS是一种对电磁波入射角度、极化方式以及频率均有选择作用的空间滤波器。

近年来，随着大功率毫米波技术的发展，以回旋行波管为代表的大功率毫米波源得到了迅速发展。回旋行波管具有工作频带宽、输出峰值功率高、增益高等特点，是大功率毫米波雷达、电子对抗、远距离通讯等大功率毫米波系统的理想大功率源。为了有效地将回旋行波管输出的功率传输至天线，并在此过程中完成模式转换、频率选择等，必须搭建大功率传输链路。带阻型频率选择表面反射特定频带的电磁波，阻带外的电磁波能顺利通过，具有特定的频率选择特性，是大功率传输链路的重要组成器件。

唐万春，施永荣等人设计了一种小型化带阻型的频率选择表面(专利申请号：201410326793.6)。发明的带阻型频率选择表面由带有周期单元结构的介质基板构成，其单元包括位于介质基板上、下表面的一对开口金属圆环和4个金属通孔。单元结构提供的电感、电容谐振使得该结构具有带阻滤波特性。但是该设计存在不足之处：频率选择表面单元结构设计复杂且不能满足大功率工作条件。

为了能够适应外部多变的电磁环境，徐金平等人设计了一种极化不敏感双频特性有源频率选择表面(专利申请号：201010210448.8)。发明的有源频率选择表面单元包括位于介质基板正面的金属贴片层和位于介质基板背面的馈电网络。该结构可实现C波段和X波段双频谐振可调，且对入射波的极化不敏感。但是该结构存在不足之处：由于FSS结构包含馈电网络，馈电网络的使用增加了该结构的复杂性。

发明内容

针对背景技术中提出的频率选择表面结构设计复杂，功率容量小等不足，本发明提出了一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面。该设计具有结构简单、对极化敏感性低、功率容量高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，包括支架、固定圆环、安装挡环和金属圆板。

所述支架用来支撑固定圆环和安装挡环。

所述金属圆板放置于固定圆环和安装挡环构成的卡槽中，且可围绕中心自由转动。

所述固定圆环四周均匀分布有4～16个金属螺钉，使得金属圆板与固定圆环的圆心对齐，保证金属圆板能够自由旋转且中心保持不变。所述安装挡环上均匀设置有4～8个螺纹定位孔，当金属圆板旋转一定角度后，定位孔中插入定位螺钉可对金属圆板当前位置进行固定。

所述金属圆板上设置有周期性分布的m×n个单元；m为单元在X轴方向的周期拓展数目，n为单元在Y轴方向的周期拓展数目。

所述单元按照方形阵列排布，且单元的厚度即金属圆板的厚度为h＝9mm～10mm。

所述单元的间距条件：

其中λ₀为中心工作频率点的波长，D为相邻单元的中心间距，入射角θ为入射波与Z轴之间的夹角。

所述单元包括一个圆孔和均匀分布于圆孔的四个对角处的四个梭形十字孔，且梭形十字孔每条圆弧段对应的圆心与其毗邻的圆孔圆心重合。所述圆孔的半径为r＝3mm～4mm，梭形十字孔的四条臂长相等，每条臂长对应的角度为α＝45°～90°。

所述圆孔和梭形十字孔之间的间距大小为t＝0.5mm～1mm，间距过小，同一单元内的两种孔径之间会产生耦合效应，影响工作性能，间距过大会增大单元间距，导致栅瓣提前出现。

所述金属圆板可由铜或者铝材制成。

所述带阻型频率选择表面工作原理：考虑一束垂直入射的线极化平面波，大尺寸的圆孔在低频导通，小尺寸的梭形十字孔则在高频导通。阻带的带宽和频带出现位置主要受梭形十字孔结构的影响，因此改变梭形十字孔的参量可以调整阻带的传输特性。通过修改圆孔和梭形十字孔的尺寸和相对位置，阻带外的低频通带和高频通带的距离和带宽可以分别调节。

综上所述，由于采用了上述的技术方案，本发明具有以下优点:

一、本发明单元包括圆孔和梭形十字孔，由于单元关于中心90°旋转对称，因此该结构对极化敏感性低。

二、本发明金属圆板上周期排列的两种孔径结构之间排列紧凑，使得单元间的相对间隔变小，能够有效降低栅瓣的影响。

三、本发明单元相邻边均采用圆弧段连接，可以降低棱角处的局部场强，提高器件的功率容量，满足大功率工作要求。

四、本发明所采用的结构设计简单，且具有良好的散热性。

附图说明

图1为本发明带阻型频率选择表面(a)正面和(b)背面的结构图。

图2为本发明的周期结构示意图。

图3为本发明的单元结构示意图。

图4为本发明的传输特性曲线。

图5为不同极化方式时，本发明的相位关系图。

其中5表示频率选择表面单元，6表示圆孔，7表示梭形十字孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：

参照附图1，本发明设计的带阻型频率选择表面包括支架1、固定圆环2、安装挡环3、金属圆板4。

参照附图2，本发明设计的金属圆板周期性分布有m×n个单元；m为单元在X轴方向的周期拓展数目，n为单元在Y轴方向的周期拓展数目。相邻单元5的中心间距为D，单元的厚度为h。

参照附图3，本发明设计的单元5包括圆孔6和四个四分之一梭形十字孔7。圆孔半径为r，梭形十字孔每条臂对应的角度为α，圆孔6和梭形十字孔7之间的间距为t。

下面以工作在Q波段的大功率毫米波带阻型频率选择表面为例做进一步说明：

本实施例是在入射角θ＝0°的基础上进行的设计，即：

本实施例中，各部分的尺寸为：D＝16.4mm，r＝3.6mm，α＝50.2°，t＝0.76mm，金属板厚度h＝9.25mm，入射角θ＝0°。

如图4所示为本发明中带阻型频率选择表面的传输特性。本发明在30°、60°、90°不同极化方式下，Q波段-10dB阻带带宽为39.2GHz～41.7GHz。说明该结构具有带阻滤波特性且对极化不敏感。

如图5所示为该结构的在不同极化方式下的相位关系图。本发明在30°、60°、90°不同极化方式下，相位曲线几乎重合，说明该结构具有对极化不敏感的优点。

该结构在TE波入射功率1W的情况下，3dB轴比通带内的最大场强为9.44kV/m，计算得到该结构的功率容量为101kW。在TM波入射功率1W的情况下最大场强为9.53kV/m，功率容量为99.1kW，表明该结构可工作于百千瓦级大功率条件下。

Claims

1.一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，包括支架、固定圆环、安装挡环和金属圆板；

所述支架用于支撑固定圆环和安装挡环；

所述金属圆板放置于固定圆环和安装挡环构成的卡槽中，且可围绕中心自由转动；

所述固定圆环四周分布有若干金属螺钉，使得金属圆板与固定圆环的圆心对齐，保证金属圆板能够自由旋转且中心保持不变；所述安装挡环上设置有螺纹定位孔，当金属圆板旋转一定角度后，定位孔中插入定位螺钉可对金属圆板当前位置进行固定；

所述金属圆板上设置有周期性分布的m×n个单元；m为单元在X轴方向的周期拓展数目，n为单元在Y轴方向的周期拓展数目；

所述单元按照方形阵列排布，一个单元包括一个圆孔和均匀分布于圆孔四个对角处的四个梭形十字孔，且梭形十字孔每条圆弧段对应的圆心与其毗邻的圆孔圆心重合。

2.如权利要求1所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：所述单元的间距条件为：

<mrow> <mfrac> <mi>D</mi> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>&le;</mo> <mfrac> <mn>1.12</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>sin</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

3.如权利要求1或2所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：圆孔的半径为r＝3mm～4mm。

4.如权利要求1或2所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：单元的厚度即金属圆板的厚度为h＝9mm～10mm。

5.如权利要求1或2所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：所述梭形十字孔的四条臂长相等，每条臂长对应的角度为α＝45°～90°。

6.如权利要求1或2所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：所述圆孔和梭形十字孔之间的间距大小为t＝0.5mm～1mm。

7.如权利要求1所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：所述金属圆板由铜或者铝材制成。

8.如权利要求1所述的一种Q波段大功率毫米波带阻型频率选择表面，其特征在于：所述固定圆环四周均匀分布有4-16金属螺钉；所述安装挡环上设置有4-8个螺纹定位孔。