CN108281796A - 基于2.5d编织结构的双频段小型化频率选择表面 - Google Patents

基于2.5d编织结构的双频段小型化频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，旨在旨在提高双频段频率选择表面的小型化效果，包括M×N个无源谐振单元，每个无源谐振单元由介质板、印制在介质板上表面的第一金属贴片、印制在介质板下表面的第二金属贴片和金属化过孔组成；第一金属贴片由一个正六边形贴片和六个旋转对称第一条带群组成，第二金属贴片由六个旋转对称的第二条带群组成，第二条带群中各条带位于第一条带群中各条带在下表面对应位置的空隙处；第一金属贴片和第二金属贴片中各条带间通过贯穿介质板的金属化过孔连接，形成2.5D的编织结构。本发明减小了双频段频率选择表面无源谐振单元的等效电尺寸，可用于通讯与雷达方面。

Description

基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种频率选择表面，具体涉及一种基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，可用于无线通信技术领域。
背景技术
2.5D结构在天线领域指的是在水平面上的结构内容可以通过两个平面内坐标轴完全表示，而在竖直面内的结构通过一个平面内的坐标轴完全表示的立体结构。2.5D结构相比于平面结构，其空间利用率更高，可以应用于频率选择表面的设计中。
频率选择表面可以看做是一种空间滤波器，由无源谐振单元组成的周期性阵列结构，对入射的电磁波具有选频特性，使频率选择表面对谐振频率处的电磁波表现出全反射或全透射的特性。随着对频率选择表面的研究不断深入，为了匹配现有的多频天线，双频响应以及多频段响应的频率选择表面也越来越多。此外，为了减少频率选择表面工作时在边缘产生的表面电流反射效应，频率选择表面的小型化也是研究人员研究的重点方向。如2017年，盛贤君，范晶晶等人在IEEE Microwave and Wireless Components Letters期刊第27期915-917页上发表了一篇名为《A Miniaturized Dual-Band FSS WithControllable Frequency Resonances》的论文，该论文公开了一个小型化的双频段频率选择表面。文中提出的频率选择表面的单元结构为：在介质板的上表面印制一个方框型贴片，并在方框内的两条对角线上印制四个相互对称的准箭头型贴片；该频率选择表面通过引入大量弯折线结构，提高了小型化效果，从结果可以看出单元尺寸有0.113个低频谐振波长。但是由于无源谐振单元上的贴片采用平面结构，弯折结构提高的电长度较小，小型化程度还不够高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，旨在提高双频段频率选择表面的小型化效果。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于：包括M×N个周期排列的频率选择表面单元，M≥5，N≥5，所述频率选择表面单元包括横截面形状为正六边形的介质板1、印制在介质板1上表面的第一金属贴片2和下表面的第二金属贴片3，以及金属化过孔4，其中：
所述第一金属贴片2由正六边形贴片21和六个第一条带群22组成；
所述第二金属贴片3由六个第二条带群31组成，每个第二条带群31由第一组短条带311、第二组短条带312和第三组短条带313组成，所述三组短条带各由两个短条带组成；
所述正六边形贴片21位于介质板1上表面的中心位置，该正六边形贴片21的每条边上各连接一个第一条带群22，每个第一条带群22由与正六边形贴片21的一条边连接的第一弯折条带221，以及第一短条带224、第二弯折条带222、第二短条带225、第三弯折条带223、第三短条带226和第四短条带227依次排布而成，形成非连续的螺旋折线结构；
所述第一组短条带311中的两个短条带各位于第一弯折条带221、第一短条带224和第二弯折条带222在介质板1下表面形成的对应空隙位置；所述第二组短条带312中的两个短条带各位于第二弯折条带222、第二短条带225和第三弯折条带223在介质板1下表面形成的对应空隙位置；所述第三组短条带311中的两个短条带各位于第三弯折条带223、第三短条带226和第四短条带227在介质板1下表面形成的对应空隙位置；
所述第一金属贴片2上各条带的端点与其对应的第二金属贴片3上各条带的端点通过贯穿介质板1的金属化过孔4连接，形成2.5D编织结构。
所述介质板1，其六边形的边长为P，厚度为h，且4mm≤P≤8mm，1.5mm≤h≤2.5mm。
所述正六边形贴片21，其中心与介质板1上表面中心重合，每条边与介质板1上表面对应的边平行，该正六边形贴片21的边长为S，且0.5mm≤S≤1.5mm。
所述第一条带群22，其在介质板1上表面形成的非连续螺旋折线结构的旋转方向，为从正六边形贴片21的边向外顺时针或逆时针方向。
所述第一弯折条带221，其与所在正六边形贴片21边上的连接点位于该条边的中点；所述第一弯折条带221、第二弯折条带222、第三弯折条带223的弯折点以及第四短条带227的末端，按照第一条带群22的旋转方向，分别位于与第一弯折条带221连接的正六边形贴片21的起始边、第二边、第三边和第四边的中垂线上。
所述第一弯折条带221弯折点、第二弯折条带222弯折点、第三弯折条带223弯折点和第四短条带227的末端，其与正六边形贴片21中心的连线长度分别为a1、a2、a3和a4，且a4＝P×cos30°。
所述第一短条带224长为t1，第二短条带225长为t2，第三短条带226长为t3，第四短条带227长为t4，且
所述第一组短条带311，其中的两个短条带与第一短条带224的长度相等，所述第二组短条带312，其中的两个短条带与第二短条带225的长度相等，所述第三组短条带313，其中的两个短条带与第三短条带226的长度相等。
所述金属化过孔4，其与介质板1横截面垂直。
所述第一金属贴片2和第二金属贴片3，其中的各金属条带的宽度相等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于无源谐振单元采用上下表面设置金属条带，并通过金属化过孔连接上下表面端点对应的条带，形成2.5D编织结构，相比于平面结构，在无源谐振单元法向上增加了金属条带的长度，减小了等效电尺寸，有效地提高了频率选择表面的小型化效果。
2、本发明由于无源谐振单元采用多条螺旋弯折线形条带，并通过六边形金属贴片连接起来，提高了整体条带的电长度，减小了无源谐振单元的等效电尺寸，进一步一高了频率选择表面的小型化效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明无源谐振单元的结构示意图；
图3是本发明无源谐振单元的第一金属贴片的结构示意图；
图4是本发明无源谐振单元的第一条带群的结构示意图；
图5是本发明无源谐振单元的第二金属贴片的结构示意图；
图6是本发明无源谐振单元的第二条带群的结构示意图；
图7是本发明无源谐振单元的俯视图；
图8是本发明的传输系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
参照图1，基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，包括M×N个周期排列的频率选择表面单元，M＝20，N＝20。无源谐振单元为正六棱柱型单元，组成的频率选择表面为蜂窝状结构。
参照图2，频率选择表面单元包括横截面形状为正六边形的介质板1、印制在介质板1上表面的第一金属贴片2和下表面的第二金属贴片3，以及金属化过孔4，其中：
所述介质板1，其边长为P＝5mm，厚度为h＝1.5mm，相对介电常数为4.4。
所述第一金属贴片2，其结构如图3所示，由正六边形贴片21和六个第一条带群22组成。正六边形贴片21位于介质板1上表面的中心位置，其中心与介质板1上表面中心重合，每条边与介质板1上表面对应的边平行，该正六边形贴片21的边长为S＝1mm，用于控制双频段频率选择表面中高频处的谐振点。该正六边形贴片21的每条边上各连接一个第一条带群22。
所述第一条带群22，其结构如图4所示,由与正六边形贴片21的一条边连接的第一弯折条带221，以及第一短条带224、第二弯折条带222、第二短条带225、第三弯折条带223、第三短条带226和第四短条带227依次排布而成，形成非连续的螺旋折线结构，其旋转方向为从正六边形贴片21的边向外顺时针或逆时针方向。其中第一短条带224长为t1，第二短条带225长为t2，第三短条带226长为t3，长为t4。第四短条带227与第三短条带226平行，并且其在螺旋方向末端的端点在其所在介质板1上表面边的中点，用于连接相邻无源谐振单元的一个第四短条带227。第一条带群的结构可以减小无源谐振单元的等效电尺寸，提高小型化效果。
所述第二金属贴片3，其结构如图5所示，由六个第二条带群31组成。
所述第一条带群22，其结构如图6所示，每个第二条带群31由第一组短条带311、第二组短条带312和第三组短条带313组成，所述三组短条带各由两个短条带组成。第一组短条带311，其中的两个短条带与第一短条带224平行且长度相等，第二组短条带312，其中的两个短条带与第二短条带225平行且长度相等，第三组短条带313，其中的两个短条带与第三短条带226平行且长度相等。
第一金属贴片2和第二金属贴片3，其中的各金属条带的宽度相等。
所述第一金属贴片2和第二金属贴片3，其在无源谐振单元法向的投影如图7所示，其中第一组短条带311中的两个短条带各位于第一弯折条带221、第一短条带224和第二弯折条带222在介质板1下表面形成的对应空隙位置；所述第二组短条带312中的两个短条带各位于第二弯折条带222、第二短条带225和第三弯折条带223在介质板1下表面形成的对应空隙位置；所述第三组短条带311中的两个短条带各位于第三弯折条带223、第三短条带226和第四短条带227在介质板1下表面形成的对应空隙位置。第一金属贴片2和第二金属贴片3中各条带的对应关系是为了便于金属化过孔4连接。
所述第一条带群22，其中第一弯折条带221，与所在正六边形贴片21边上的连接点位于该条边的中点。第一弯折条带221、第二弯折条带222、第三弯折条带223的弯折点以及第四短条带227的末端，按照第一条带群22的旋转方向，分别位于与第一弯折条带221连接的正六边形贴片21的起始边、第二边、第三边和第四边的中垂线上。第一弯折条带221弯折点、第二弯折条带222弯折点、第三弯折条带223弯折点和第四短条带227的末端，其与正六边形贴片21中心的连线长度分别为a1、a2、a3和a4，使六个第一条带群22在介质板1上表面分布均匀，在电磁波入射时的表面电流也分布均匀，使频率选择表面的反射系数关于频率变化的曲线更加平滑，性能更加稳定。
所述第一金属贴片2上各条带的端点与其对应的第二金属贴片3上各条带的端点通过贯穿介质板1的金属化过孔4连接，形成2.5D编织结构。其中金属化过孔4垂直于介质板1横截面。第一条带群22与第二条带群31通过金属化过孔4组成的螺旋弯折结构，以及连接六条螺旋弯折结构的正六边形贴片21，控制了双频段频率选择表面中低频处的谐振点。由于第二金属贴片3中每个短条带与相应的第一金属贴片2中的短条带长度相等且平行，使金属化过孔4在螺旋折线上每条折线的排布均匀，使频率选择表面的反射系数关于频率变化的曲线更加平滑，性能更加稳定。在无源谐振单元的法向方向引入的金属化过孔4连接上下表面的金属条带，形成了2.5D立体的弯折结构，相比于传统的平面弯折结构，其等效电长度更长，小型化效果更好。
实施例2
本实例结构与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：
M×N个周期排列的频率选择表面单元，M＝6，N＝6；介质板1边长为P＝4mm，厚度h＝2mm；正六边形贴片21的边长为S＝0.5mm。
实施例3
本实例结构与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：
M×N个周期排列的频率选择表面单元，M＝10，N＝10；介质板1边长为P＝8mm，厚度h＝2.5mm；正六边形贴片21的边长为S＝1.5mm。
本发明的效果可结合以下仿真结果作进一步说明：
1、仿真内容
利用商业仿真软件HFSS_17.0对上述实施例1的反射系数进行了仿真计算，结果如图8所示。
2、仿真结果
参照图5，以S11≤-10dB为标准，实施例1中双频段频率选择表面在低频的带宽为2.05-2.52GHz，谐振点在2.3GHz处；频率选择表面在高频的带宽为5.61-6.33GHz，谐振点在5.9GHz处。由仿真结果可知，该频率选择表面的单元尺寸只有0.07个低频谐振波长，实现了良好的小型化效果。
以上仿真结果说明，本发明可以降低双频段频率选择表面在低频处的谐振点，减少电尺寸，实现更好的低频化与小型化。
以上描述仅是本发明的三个实施例，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的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于：包括M×N个周期排列的频率选择表面单元，M≥5，N≥5，所述频率选择表面单元包括横截面形状为正六边形的介质板(1)、印制在介质板(1)上表面的第一金属贴片(2)和下表面的第二金属贴片(3)，以及金属化过孔(4)，其中：
所述第一金属贴片(2)由正六边形贴片(21)和六个第一条带群(22)组成；
所述第二金属贴片(3)由六个第二条带群(31)组成，每个第二条带群(31)由第一组短条带(311)、第二组短条带(312)和第三组短条带(313)组成，所述三组短条带各由两个短条带组成；
所述正六边形贴片(21)位于介质板(1)上表面的中心位置，该正六边形贴片(21)的每条边上各连接一个第一条带群(22)，每个第一条带群(22)由与正六边形贴片(21)的一条边连接的第一弯折条带(221)，以及第一短条带(224)、第二弯折条带(222)、第二短条带(225)、第三弯折条带(223)、第三短条带(226)和第四短条带(227)依次排布而成，形成非连续的螺旋折线结构；
所述第一组短条带(311)中的两个短条带各位于第一弯折条带(221)、第一短条带(224)和第二弯折条带(222)在介质板(1)下表面形成的对应空隙位置；所述第二组短条带(312)中的两个短条带各位于第二弯折条带(222)、第二短条带(225)和第三弯折条带(223)在介质板(1)下表面形成的对应空隙位置；所述第三组短条带(311)中的两个短条带各位于第三弯折条带(223)、第三短条带(226)和第四短条带(227)在介质板(1)下表面形成的对应空隙位置；
所述第一金属贴片(2)上各条带的端点与其对应的第二金属贴片(3)上各条带的端点通过贯穿介质板(1)的金属化过孔(4)连接，形成2.5D编织结构。
2.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述介质板(1)，其六边形的边长为P，厚度为h，且4mm≤P≤8mm，1.5mm≤h≤2.5mm。
3.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述正六边形贴片(21)，其中心与介质板(1)上表面中心重合，每条边与介质板(1)上表面对应的边平行，该正六边形贴片(21)的边长为S，且0.5mm≤S≤1.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述第一条带群(22)，其在介质板(1)上表面形成的非连续螺旋折线结构的旋转方向，为从正六边形贴片(21)的边向外顺时针或逆时针方向。
5.根据权利要求4所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述第一弯折条带(221)，其与所在正六边形贴片(21)边上的连接点位于该条边的中点；所述第一弯折条带(221)、第二弯折条带(222)、第三弯折条带(223)的弯折点以及第四短条带(227)的末端，按照第一条带群(22)的旋转方向，分别位于与第一弯折条带(221)连接的正六边形贴片(21)的起始边、第二边、第三边和第四边的中垂线上。
6.根据权利要求5所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述第一弯折条带(221)弯折点、第二弯折条带(222)弯折点、第三弯折条带(223)弯折点和第四短条带(227)的末端，其与正六边形贴片(21)中心的连线长度分别为a1、a2、a3和a4，且 a4＝P×cos30°。
7.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述第一短条带(224)长为t1，第二短条带(225)长为t2，第三短条带(226)长为t3，第四短条带(227)长为t4，且 t4＝t3。
8.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述第一组短条带(311)，其中的两个短条带与第一短条带(224)的长度平行且相等，所述第二组短条带(312)，其中的两个短条带与第二短条带(225)的长度相等，所述第三组短条带(313)，其中的两个短条带与第三短条带(226)的长度相等。
9.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述金属化过孔(4)，其与介质板(1)上表面垂直。
10.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的双频段小型化频率选择表面，其特征在于，所述第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)，其中的各金属条带的宽度相等。
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