CN107732379B - 空间滤波器 - Google Patents

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Abstract

本公开是关于一种空间滤波器，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；所述两个超构结构体设置于具有相对的第一表面和第二表面的基板上；所述超构结构体包括：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。当电磁波透过该空间滤波器时，通过耦合设置的第一谐振器以及第二谐振器，使得工作频带内的电磁波透过，工作频带外的电磁波反射，实现了在工作频带内电磁波的高效透波，提高了该空间滤波器的滤波性能。

Description

空间滤波器
技术领域
本公开涉及滤波技术领域，具体而言，涉及一种空间滤波器。
背景技术
空间滤波器，也可以称为频率选择表面(frequency selective surface，FSS)，简称为FSS，是一种多维的周期性结构，这种选择结构对电磁波的透射和反射具有良好的选择性。在其带通范围内，电磁波可以顺利通过FSS结构，而在其带阻范围内，电磁波则完全被反射回去，通过对周期性结构的调整、设计，可以得到不同的带通以及带阻范围。
从结构上来说，FSS结构是由若干个FSS单元通过不同的排列组合形成的一种周期性结构，若电磁波的频率与FSS单元的谐振频率相同时，FSS即可呈现全透射或全反射特性，一般来说贴片型的FSS呈现全反射特性，孔径型的FSS呈现全透射特性。
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。对于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，严重影响了正常的通讯。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此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
本公开的目的在于提供一种空间滤波器，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种空间滤波器，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；
所述两个超构结构体设置于具有相对的第一表面和第二表面的基板上；
所述超构结构体包括：
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，所述第二金属膜片为第一正方形，且各所述第一正方形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，第一条形结构和第二条形结构的长度相同。
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：
第三金属膜片，所述第三金属膜片为第二正方形；所述第二正方形中心具有一正交十字镂空结构，且所述正交十字镂空结构与所述第二正方形同中心轴。
在本公开的一种示例性实施例中，所述正交十字镂空结构还包括：
四个L形镂空结构，旋转对称的分布于所述正交十字镂空结构形成的四个向象限内；每一所述L形镂空结构均位于所述正交十字镂空结构的端部且所述L形镂空结构的长边与所述正交十字镂空结构的端部齐平。
在本公开的一种示例性实施例中，所述L形镂空结构的宽度等于两个相邻所述第二谐振体微结构之间的宽度。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第三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第二正方形的边长。
根据本公开的一个方面，提供一种根据上述任意一项所述的超构结构体，所述基板为聚四氟乙烯板。
本公开一种空间滤波器，在超构结构体的两个表面分别设置第一谐振器以及第二谐振器，当电磁波透过该空间滤波器时，通过耦合设置的第一谐振器以及第二谐振器，使得工作频带内的电磁波透过，工作频带外的电磁波反射，实现了在工作频带内电磁波的高效透波，在工作频带外电磁波的高效反射，提高了该空间滤波器的滤波性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出一种空间滤波器结构示例图。
图2示意性示出一种超构结构体结构示例图。
图3示意性示出一种第一表面结构示例图。
图4示意性示出一种第二表面结构示例图。
图5示意性示出一种第一谐振器结构示例图。
图6示意性示出一种第二谐振器结构示例图。
图7示意性示出一种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。
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范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，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。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。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
超构材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。严格意义上来说，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，该电磁参数可以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。
频率选择表面，也称为空间滤波器，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。
本示例实施方式中首先提供了一种空间滤波器。参考图1-图5所示，该空间滤波器可以包括：滤波组件，所述滤波组件包括相对设置的两个超构结构体110；所述两个超构结构体设置于具有相对的第一表面130和第二表面120的基板140上；所述超构结构体110包括：多个第一谐振器150，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。
在本示例实施方式中，基板140可以设置为正方形的板，也可以设置为其他形状的板，例如可以是长方形或者菱形等，本示例实施方式对此不做特殊限制；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140可以为聚四氟乙烯板，可以是其他材质的板，例如可以是聚全氟乙丙烯板或者聚酰亚胺板等，本示例实施方式对此不做特殊限制。
在本示例实施方式中，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(可以参考图5所示)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。在本示例实施方式中，相邻的第一谐振体微结构相互连接，即上下左右相邻的第一谐振体微结构之间没有间隙。另外，本领域技术人员可以理解的是，第一谐振体微结构之间也可以设置有间隙，此处不做特殊限定。
在本示例实施方式中，第一金属膜片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的取值可以为L1＝5.92mm，且相邻两个第一谐振体微结构3中心间距也为L1，即5.92mm。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140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W1，W1＝0.4mm，即第一条形结构和第二条形结构的宽度为W1，W1＝0.4mm。四个第二金属膜片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140出划分形成四个象限，四个第二金属膜片对应位于四个象限内，且四个第二金属膜片相对于第一条形结构和第二条形结构相互对称。四个第二金属膜片均通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板140的第一表面。
进一步的，所述第二金属膜片可以设置为正方形，第二金属膜片的边长为L2，取值可以为L2＝2.36mm，因此可以理解的是，第二金属膜片的边缘与正交十字结构的边缘之间的间隙的宽度为0.4mm。此外，在本示例的其他示例性实施方式中，第二金属膜片也可以设置为菱形或者圆形等其他形状，本示例实施方式对此不做特殊限制。
在本示例实施方式中，参考图4所示的一种第二表面结构示例图，相邻的第二谐振体微结构之间设有间隙。本领域技术人员可以理解的是，相邻的第二谐振体微结构之间也可以相互连接，不设置有间隙，此处不做特殊限定。
在本示例实施方式中，参考图6所示的一种第二谐振器结构示例图。第二谐振体微结构包括第三金属膜片，第三金属膜片可以设置为第二正方形，也可以设置为菱形或者圆形，本示例实施方式对此不做特殊限制；第二正方形的边长为L3，L3的取值可以为L3＝5.72mm。并且，在第二正方形的中心位置具有正交十字镂空结构，正交十字镂空结构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W2，W2的取值为W2＝1.2mm，整个正交十字镂空结构的两个方向的整体长度均为L4，L4的取值为L4＝5.32mm。且正交十字镂空结构与所述正方形同中心轴。在本示例实施方式中，第三金属膜片与所述第一金属膜片同中心轴，使第三金属膜片与第一金属膜片中心对正。所述第一条形结构及第二条形结构的长度大于所述第二正方形的边长，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的中心间距也为L1，即5.92mm；如此就形成相邻的第二谐振体微结构之间的间隙。第三金属膜片通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板140的第二表面。
进一步的，参考图6所示，上述正交十字镂空结构还可以包括四个L形镂空结构；其中，四个L形镂空结构旋转对称的分布于正交十字镂空结构形成的四个象限内且L形镂空结构的长边与正交十字镂空结构的端部平齐且与正交十字镂空结构想通；L形镂空结构的长边为L5，L5的取值可以为L5＝2.0mm，短边的长度为L6，L6的取值可以为L6＝0.5mm；L形镂空结构的宽度为W3，W3的取值为W3＝0.2mm。进一步的，L形镂空结构的宽度等于两个相邻第二谐振器之间的宽度。
进一步的，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。即长方形镂空的宽度W2等于长方形金属膜片的宽度W1加两个直角弯折间隙的直角边的宽度。
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140的介电常数为2.65(1-j0.001)。由图7可知，所述样品约在3.06～12.0GHz频段对电磁波的具有较高的反射率，在大约3.06～12.0GHz频段内，电磁波反射率均超过90％，在大约3.98～8.0GHz频段内，反射率超过99％，而约在4.9～6.1GHz频段内，实现近乎类金属的完全反射(反射率超过99.9％)，对电磁波实现几乎完全屏蔽。
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 (6)

1.一种空间滤波器，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；
所述两个超构结构体设置于具有相对的第一表面和第二表面的基板上；
所述超构结构体包括：
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；
其中，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；
所述第二金属膜片为第一正方形，且各所述第一正方形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；
所述第二谐振体微结构包括：
第三金属膜片，所述第三金属膜片为第二正方形；所述第二正方形中心具有一正交十字镂空结构，且所述正交十字镂空结构与所述第二正方形同中心轴；
所述正交十字镂空结构还包括：
四个L形镂空结构，旋转对称的分布于所述正交十字镂空结构形成的四个向象限内；每一所述L形镂空结构均位于所述正交十字镂空结构的端部且所述L形镂空结构的长边与所述正交十字镂空结构的端部齐平；
其中，所述基板的介电常数为2.65，所述空间滤波器在3.06～12.0GHz频段对电磁波的反射率超过90％。
2.根据权利要求1所述的空间滤波器，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。
3.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，第一条形结构和第二条形结构的长度相同。
4.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，所述L形镂空结构的宽度等于两个相邻所述第二谐振体微结构之间的宽度。
5.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，所述第三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第二正方形的边长。
6.一种根据权利要求1～5任意一项所述的空间滤波器，其特征在于，所述基板为聚四氟乙烯板。
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