CN107732378A - 倍频空间滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种倍频空间滤波器，该倍频空间滤波器包括滤波组件，滤波组件包括相对设置的两个超构结构体；每一所述超构结构体均包括基板、多个第一谐振器以及多个第二谐振器；基板具有相对的第一表面和第二表面；多个第一谐振器阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器包括一第一谐振体微结构；多个第二谐振器阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器包括一第二谐振体微结构；其中，每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合。使用本发明倍频空间滤波器可以很好的实现对倍频电磁波的滤波功能。

Description

倍频空间滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种倍频空间滤波器。

背景技术

超构材料是一类结构材料，它的新奇物理性质由材料的几何性质决定，这种材料在自然界或化合物中比较少见，它通常是由人工设计出来的。超构材料具有天然材料所不具备的超常物理性质。超构材料是一种单元尺度远小于工作波长的人工周期结构，在长波条件下，具有等效介电常数和等效磁导率，该电磁参数主要依赖于其基本组成单元的谐振特性。因而，可以通过改变基本组成单元的几何形状、尺寸以及排布方式等，来改变超构材料空间电磁参数的分布，使其产生预期的电磁响应，来灵活控制电磁波的传播。由于其具有高效的电磁调控特性，超构材料在电磁屏蔽、电磁兼容、隐身、探测等多个领域具有广阔的应用前景，成为近年来国际学术界研究的热点之一。

空间滤波器也称为频率选择表面，是由金属贴片单元或孔径单元在平面内构成的二维周期结构，对电磁波的传播表现出带通或带阻的滤波特性。即滤波特性随频率的变化而变化，对某一频段的电磁波可以全部透过，而对另一些频段内的电磁波可以全部反射。传统频率选择表面的滤波特性主要基于其谐振机理，工作波长依赖于单元周期，倍频区域的传输特性相同。对带通型频率选择表面而言，高频段倍频处的电磁波均呈现高通透特性。然而随着移动互联网络的飞速发展，低频通讯资源几乎完全被利用，就使得不同通讯系统间的电磁干扰日趋加剧，尤其是倍频干扰，已严重影响了正常的通讯。

因此，有必要研究一种倍频空间滤波器。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种倍频空间滤波器。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种倍频空间滤波器，该倍频空间滤波器包括：

滤波组件，所述滤波组件包括相对设置的两个超构结构体；每一所述超构结构体均包括：

基板，具有相对的第一表面和第二表面；

多个第一谐振器，阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器包括一第一谐振体微结构；

多个第二谐振器，阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器包括一第二谐振体微结构；其中，每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一谐振体微结构包括：

第一金属膜片，设置为由第一条形结构和第二条形结构形成的正交十字结构；

四个第二金属膜片，对称分布于所述正交十字结构形成的四个象限内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二金属膜片设置为直角弯折结构，且各所述第二金属膜片均在其所在的象限内与所述第一金属膜片之间形成直角弯折间隙。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一条形结构以及第二条形结构的宽度与所述直角弯折间隙的宽度相同。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一谐振体微结构还包括：

四个第三金属膜片，设置为长方形，四个所述第三金属膜片旋转对称的分布于所述十字结构形成的四个象限内；每一所述第三金属膜片均位于一所述第二金属膜片的弯折角内且与一所述第二金属膜片的一直角边垂直连接。

在本公开的一种示例性实施例中，第一条形结构和第二条形结构的长度相同，所述第二金属膜片的两直角边长度相同。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二谐振体微结构包括：

第四金属膜片，设置为中心具有正交十字镂空结构的正方形，且正交十字镂空结构与所述正方形同中心轴。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第四金属膜片与所述第一金属膜片同中心轴，且所述第一条形结构及第二条形结构的长度大于所述正方形的边长。

在本公开的一种示例性实施例中，相邻的两个所述第二金属膜片之间的距离等于所述正交十字镂空结构的宽度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述基板为聚四氟乙烯板。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明倍频空间滤波器，设置有两个相对的超构结构体，而且每一超构结构体包括相对且相互耦合的多个第一谐振器和多个第二谐振器，通过多个第一谐振器和多个第二谐振器的耦合作用，达到对工作频带内的高效透波，而对工作频带外宽频段的高效反射，即实现高效滤波功能；实现对倍频电磁波的高效反射。因此，使用本发明倍频空间滤波器可以很好的实现对倍频电磁波的滤波功能。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明倍频空间滤波器一实施方式的结构示意图；

图2是图1中的超构结构体结构示意图；

图3是图2中的超构结构体的第一表面的结构示意图；

图4是图2中的超构结构体的第二表面的结构示意图；

图5是图3中第一谐振体微结构的结构示意图；

图6是图4中第二谐振体微结构的结构示意图；

图7是超构结构体的透射系数S₂₁和反射系数S₁₁随电磁波频率变化的响应仿真曲线。

图中主要元件附图标记说明如下：

1、超构结构体；

2、基板；

3、第一谐振体微结构；

31、第一金属膜片；

32、第二金属膜片；

33、第三金属膜片；

34、直角弯折间隙；

4、第二谐振体微结构；

41、第四金属膜片；

42、正交十字镂空结构。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1所示，倍频空间滤波器包括滤波组件，滤波组件可以包括相对设置的两个超构结构体1。参照图2所示的超构结构体1结构示意图，每一所述超构结构体1均可以包括基板2、多个第一谐振器以及多个第二谐振器等等。

基板2可以具有相对的第一表面和第二表面。在本示例实施方式中，基板2可以设置为正方形的板，第一表面和第二表面可以为正方形板的两个相对且面积较大的表面。基板2可以为聚四氟乙烯板。当然，基本的结构形态和材料不限于上述描述，例如，基板2还可以设置为长方形、梯形或圆形等等需要的形状，基板2也可以采用聚全氟乙丙烯、聚酰亚胺等。此处不做特殊限定。

参照图3所示的超构结构体的第一表面的结构示意图。多个第一谐振器可以阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器可以包括一第一谐振体微结构3。在本示例实施方式中，相邻的第一谐振体微结构3相互连接，即上下左右相邻的第一谐振体微结构3之间没有间隙。另外，本领域技术人员可以理解的是，第一谐振体微结构3之间也可以设置有间隙，此处不做特殊限定。

参照图5所示的第一谐振体微结构的结构示意图。第一谐振体微结构3可以包括第一金属膜片31以及四个第二金属膜片32。在本示例实施方式中，第一金属膜片31可以设置为由第一条形结构和第二条形结构形成的正交十字结构，即第一条形结构和第二条形结构之间相互垂直且平分地交叉设置。第一条形结构的长度和第二条形结构的长度相同均为L1，L1＝5.6mm，且相邻两个第一谐振体微结构3的中心间距也为L1，即5.6mm。第一条形结构和第二条形结构通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板2的第一表面，所以第一条形结构和第二条形结构的交叉处为一层而不是两层。即第一金属膜片31可以理解为由一个正方形金属膜片和正方形金属膜片的四个边分别向四周延伸的四个长方形金属膜片组成，四个长方形金属膜片之间相互垂直，且长度相等，长方形金属膜片的宽度为W0，W0＝0.4mm，即第一条形结构和第二条形结构的宽度为W0，W0＝0.4mm。四个第二金属膜片32可以对称分布于所述正交十字结构形成的四个象限内。正交十字结构可以将其所在区域的基板2出划分形成四个象限，四个第二金属膜片32对应位于四个象限内，且四个第二金属膜片32相对于第一条形结构和第二条形结构相互对称。四个第二金属膜片32均通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板2的第一表面。

进一步的，所述第二金属膜片32可以设置为直角弯折结构，第二金属膜片32的两直角边长度可以相同，第二金属膜片32的直角边长度为L2，L2＝2.2mm；第二金属膜片32的直角边宽度为W3，W3＝0.2mm。第二金属膜片32的两直角边的端边与其所在的象限的第一金属膜片31的端边平齐。第二金属膜片32可以均在其所在的象限内与所述第一金属膜片31之间形成直角弯折间隙34。即第二金属膜片32的两直角边与第一金属膜片31的第一条形结构和第二条形结构相互平行，且第二金属膜片32的开口方向与其所在象限的开口方向一致，使第二金属膜片32与第一金属膜片31之间形成直角弯折间隙34。直角弯折间隙34的两直角边的宽度是相同的，直角弯折间隙34的两直角边的宽度均为W1，W1＝0.4mm。而且第一条形结构以及第二条形结构的宽度与所述直角弯折间隙34的宽度相同，均为0.4mm。

进一步的，第一谐振体微结构3还可以包括四个第三金属膜片33，在本示例实施方式中，四个第三金属膜片33设置为长方形，其宽度为W4，W4＝1.3mm；其长度小于第二金属膜片32的两直角边长度。四个所述第三金属膜片33旋转对称的分布于所述十字结构形成的四个象限内，其旋转对称中心为第一金属膜片31的中心，其旋转角为90°。每一所述第三金属膜片33均位于一所述第二金属膜片32的弯折角内且与一所述第二金属膜片32的一直角边垂直连接，同时第三金属膜片33与第二金属膜片32的另一直角边平行且之间设有间隙W2，W2＝0.2mm。四个第三金属膜片33均通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板2的第一表面。

参照图4所示的超构结构体的第二表面的结构示意图。多个第二谐振器阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器包括一第二谐振体微结构4，每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合。在本示例实施方式中，相邻的第二谐振体微结构4之间设有间隙。本领域技术人员可以理解的是，相邻的第二谐振体微结构4之间也可以相互连接，不设置有间隙，此处不做特殊限定。

参照图6所示的第二谐振体微结构的结构示意图。第二谐振体微结构4包括第四金属膜片41，第四金属膜片41设置为正方形，正方形的边长为L3，L3＝5.4mm。在正方形的中心位置具有正交十字镂空结构42，正交十字镂空结构42可以理解为由一个正方形镂空和正方形镂空的四个边分别向四周延伸的四个长方形镂空组成，四个长方形镂空之间相互垂直，且长度相等，长方形镂空的宽度为W5，W5＝1.2mm，整个正交十字镂空结构42的两个方向的整体长度均为L4，L4＝5.0mm。且正交十字镂空结构42与所述正方形同中心轴。在本示例实施方式中，第四金属膜片41与所述第一金属膜片31同中心轴，使第四金属膜片41与第一金属膜片31中心对正。所述第一条形结构及第二条形结构的长度大于所述正方形的边长，由于每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合，即相邻两个第二谐振体微结构4的中心间距也为L1，即5.6mm；如此就形成相邻的第二谐振体微结构4之间的间隙。第四金属膜片41通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板2的第二表面。

进一步的，相邻的两个所述第二金属膜片32之间的距离等于所述正交十字镂空结构42的宽度。即长方形镂空的宽度W5等于长方形金属膜片的宽度W0加两个直角弯折间隙34的直角边的宽度W1。

上述数值均为本示例实施方式中各参数的具体取值，而不是对各参数的限定，本发明的其他示例实施方式中各参数的取值可以根据需要选择合适的数值。

参照图7所示的超构结构体的透射系数S₂₁和反射系数S₁₁随电磁波频率变化的响应仿真曲线。在该仿真中所采用的金属膜片均为铜膜片，铜膜片的厚度约为0.018mm，其电导率约为5.8×10⁷S/m，基板2的介电常数为2.65(1-j0.001)。由图7可知，所述样品约在3.40～3.55GHz频段对电磁波的具有较高的透过率，在大约4.5～13.5GHz频段内，电磁波反射率均超过90％，在大约5.5～9.5GHz频段内，反射率超过99％，而约在6.5～7.8GHz频段内，实现近乎类金属的完全反射，尤其在倍频频段内，对电磁波实现几乎完全屏蔽。

本发明倍频空间滤波器，设置有两个相对的超构结构体，而且每一超构结构体包括相对且相互耦合的多个第一谐振器和多个第二谐振器，通过多个第一谐振器和多个第二谐振器的耦合作用，达到对工作频带内的高效透波，而对工作频带外宽频段的高效反射，即实现高效滤波功能；实现对倍频电磁波的高效反射。因此，使用本发明倍频空间滤波器可以很好的实现对倍频电磁波的滤波功能，而且结构简单，过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板2的表面，因此易于制备。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种倍频空间滤波器，其特征在于，包括：

滤波组件，所述滤波组件包括相对设置的两个超构结构体；每一所述超构结构体均包括：

基板，具有相对的第一表面和第二表面；

多个第一谐振器，阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器包括一第一谐振体微结构；

多个第二谐振器，阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器包括一第二谐振体微结构；其中，每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合。

2.根据权利要求1所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述第一谐振体微结构包括：

第一金属膜片，设置为由第一条形结构和第二条形结构形成的正交十字结构；

四个第二金属膜片，对称分布于所述正交十字结构形成的四个象限内。

3.根据权利要求2所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述第二金属膜片设置为直角弯折结构，且各所述第二金属膜片均在其所在的象限内与所述第一金属膜片之间形成直角弯折间隙。

4.根据权利要求3所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述第一条形结构以及第二条形结构的宽度与所述直角弯折间隙的宽度相同。

5.根据权利要求3所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述第一谐振体微结构还包括：

四个第三金属膜片，设置为长方形，四个所述第三金属膜片旋转对称的分布于所述十字结构形成的四个象限内；每一所述第三金属膜片均位于一所述第二金属膜片的弯折角内且与一所述第二金属膜片的一直角边垂直连接。

6.根据权利要求3所述的倍频空间滤波器，其特征在于，第一条形结构和第二条形结构的长度相同，所述第二金属膜片的两直角边长度相同。

7.根据权利要求3～6任一项所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述第二谐振体微结构包括：

第四金属膜片，设置为中心具有正交十字镂空结构的正方形，且正交十字镂空结构与所述正方形同中心轴。

8.根据权利要求7所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述第四金属膜片与所述第一金属膜片同中心轴，且所述第一条形结构及第二条形结构的长度大于所述正方形的边长。

9.根据权利要求7所述的倍频空间滤波器，其特征在于，相邻的两个所述第二金属膜片之间的距离等于所述正交十字镂空结构的宽度。

10.根据权利要求1～6或8～9任意一项所述的倍频空间滤波器，其特征在于，所述基板为聚四氟乙烯板。