CN108281797A - 基于2.5d编织结构的高角度稳定性频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，旨在提高频率选择表面角度的稳定性，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。本发明在小型化的基础上实现了很好的角度稳定性，可用于通讯与雷达方面。

Description

基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面

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编织结构的高角度稳定性频率选择表面，可用于无线通讯技术领域。

背景技术

2.5D结构在天线领域指的是在一个平面上的结构内容通过两个相互垂直的平面内坐标轴可以完全表示，而在与此垂直的平面内的结构只通过一个平面内的坐标轴可以完全表示的立体结构，广泛应用于低剖面天线的设计中。相较于传统的平面结构，2.5D结构可以更充分的利用有限的空间，这种特性也可以应用于频率选择表面中。

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种特殊的空间滤波器，是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。无源谐振单元的拓扑结构决定了频率选择表面对入射电磁波的响应，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。频率选择表面根据无源谐振单元的结构可分为贴片型和开槽型，根据工作效果可分为带通型和带阻型，贴片型频率选择表面多为带阻型，开槽型频率选择表面多为带通型。

传统的频率选择表面由于无源谐振单元电尺寸较大，其在有限尺寸内的无源谐振单元数量较少，在工作时频率选择表面边缘就会产生较大的表面电流反射效应，使其谐振频点与设计时的谐振频点产生较大的误差。此外，较大的无源谐振单元电尺寸导致了电磁波在斜入射时会在单元间产生较大的反射相位差，从而增大频率选择表面在电磁波斜入射时的谐振频点与设计时的谐振频点的误差。

为了消除电尺寸较大的无源谐振单元导致的负面效果，研究人员主要通过小型化方法来减小边缘表面电流反射效应和反射相位差。如2017年，赵珍珍，张安学等人在IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters期刊的第16期553-556页上发表了一篇名为《Stopband Frequency Selective Surface With Ultra-Large Angle of Incidence》的论文，公开了一种高角度稳定性频率选择表面，通过在介质板的上表面印制“卐”形金属条带，在“卐”形条带的四个端点处各印制一个“H”形枝节，并在每个“H”形枝节的四个端点处再各印制一个“H”型小枝节，形成了0.114个谐振波长的无源谐振单元结构，实现了良好的小型化效果，降低了斜入射的电磁波在无源谐振单元之间的相位差，从而提高了角度稳定性。但由于无源谐振单元上的贴片采用了平面结构，在高角度斜入射的电磁波照射下等效电长度会减小，在80°入射的入射波照射下谐振频率就产生了0.1GHz的偏移，角度稳定性不够高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出了一种基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，旨在提高频率选择表面角度的稳定性。

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编织结构的高角度稳定性频率选择表面，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由六个第一条带群21组成，每个第一条带群21由一个开口环形条带211和两个第一短条带212组成，所述开口环形条带211采用由一组长边和一组短边连接而成的筝形结构，开口位于一组短边的夹角处；

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由一个准V字形条带311和两个第二短条带312组成，所述准V字形条带311由两条平行的长条带和一个V字形条带连接而成；

所述六个开口环形条带211的对称轴各位于介质板1上表面的六个角与中心的连接线上，其六组长边的夹角均靠近介质板1的上表面中心，且与上表面中心的距离相等；所述两个第一短条带212各位于开口环形条带211一组短边的外侧，且远离开口的位置；

所述六个准V字形条带311的对称轴各位于介质板1下表面六个边的中点与中心的连线上，其六个V字形条带的顶点均靠近介质板1的下表面中心，且与下表面中心的距离相等；所述两个第二短条带312各位于准V字形条带311开口方向端点的外侧，且远离准V字形条带311的对称轴；

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，其边长为P，厚度为h，且4.5mm≤P≤9mm，0.5mm≤h≤2.5mm。

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。

所述开口环形条带211，两个长边分别与各自临近的介质板1表面对边中点的连线平行，短边与各自连接的长边垂直，在每个短边开口处都连接了一个与此短边垂直的短条带。

所述开口环形条带211，其短边长为L1，短条带长度为S，长边长为L2，且0.9mm≤L1≤1.5mm，0.2mm≤S≤0.45mm，

所述第一短条带212，其与临近的开口环形条带211的短边平行。

所述第二短条带312，其长度与第一短条带212相等，且与临近的准V字形条带311对称轴垂直。

所述准V字形条带311，其两个平行长条带长为n1，间距为d，V字形条带的边长为n2，且1.5mm≤n1≤3.5mm，0.5mm≤d≤1mm，n2＝d。

所述金属化过孔4，其与介质板1上表面垂直，半径为R，中心与最近的介质板1边缘距离为g，且0.1mm≤R≤0.3mm，0.2mm≤g≤0.3mm。

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，使不同入射角度下的等效电长度保持稳定，减小了电磁波在不同角度入射时引起的谐振频点的偏移，仿真结果表明，本发明有效地提高了频率选择表面的角度稳定性。

2、本发明由于频率选择表面的无源谐振单元的上下表面采用了弯折条带，以及将上下表面的金属条带连接起来的金属化通孔，减小了等效电尺寸，从而减小了电磁波斜入射时在无源谐振单元间产生的反射相位差，进一步减小了电磁波在不同角度入射时引起的谐振频点的偏移，提高了角度稳定性。

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(a)是本发明在不同角度TE极化入射波照射下的传输系数曲线图；

图8(b)是本发明在不同角度TM极化入射波照射下的传输系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1

参照图1，基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，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，由六个第一条带群21组成，每个第一条带群21由一个开口环形条带211和两个第一短条带212组成。开口环形条带211采用由一组长边和一组短边连接而成的筝形结构，筝形是指有一条对角线所在直线为对称轴的四边形，对称轴所在对角线垂直平分另一条对角线，且筝形的一组长边和一组短边分别相等。开口环形条带211的开口位于一组短边的夹角处，两个长边分别与各自临近的介质板1表面对边中点的连线平行，短边与各自连接的长边垂直，在每个短边开口处都连接了一个与此短边垂直的短条带。采用筝形结构和开口处的短条带有助于减小无源谐振单元的电尺寸，提高小型化效果。

六个开口环形条带211的对称轴各位于介质板1上表面的六个角与中心的连接线上，其六组长边的夹角均靠近介质板1的上表面中心，且与上表面中心的距离相等，使第一金属贴片2相对于介质板1上表面的所有中轴线都是轴对称结构。

所述第一条带群21，其结构如图4所示，其中开口环形条带211短边长L1＝1.3mm，短条带长S＝0.4mm。所述两个第一短条带212各位于开口环形条带211一组短边的外侧，远离开口位置，且与临近的短边平行。

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，每个第二条带群31由一个准V字形条带311和两个第二短条带312组成。准V字形条带311由两条平行的长条带和一个V字形条带连接而成，形成以过V字形条带顶点并平行于两条平行长条带的直线为对称轴的轴对称结构。采用V字形条带与平行长条带连接而成的结构，可以提高电长度，有助于减小无源谐振单元的电尺寸，提高小型化效果。

六个准V字形条带311的对称轴各位于介质板1下表面六个边的中点与中心的连线上，其六个V字形条带的顶点均靠近介质板1的下表面中心，且与下表面中心的距离相等，使第二金属贴片3相对于介质板1下表面的所有中轴线都是轴对称结构。第一金属贴片2和第二金属贴片3的轴对称结构，使无源谐振单元在电磁波照射下，从不同极化方向观察得到的结构相似，提高了极化稳定性。

所述第二条带群31，其结构如图6所示，其中准V字形条带311两个平行长条带长为n1＝3.1mm，间距为d＝0.75mm。两个第二短条带312各位于准V字形条带311开口方向端点的外侧，远离并垂直于准V字形条带311的对称轴。第二短条带312的长度与第一短条带212相等。

所述无源谐振单元，其俯视图如图7所示，其中准V字形条带311的两个端点与其临近的两个第一短条带212的两个端点重合。第二短条带312的两个端点与临近的第一短条带212和开口环形条带211的两个端点重合。所有第一短条带212和第二短条带312均与其所临近的介质板1正六边形表面的边平行。

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。

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。无源谐振单元上的金属化过孔4，在介质板1正六边形横截面的每条边上均匀排布6个。相邻无缘谐振单元间第一短条带212、第二短条带312以及金属化过孔4之间形成分布电容，降低了频率选择表面的谐振频点，从而提高了无源谐振单元的小型化效果。金属化过孔4的半径和中心与最近介质板1边缘的距离影响分布电容的大小，作为优选，金属化过孔4的半径为R＝0.2mm，中心与最近的介质板1边缘距离为g＝0.26mm。电磁波斜入射时，相比于垂直入射，无缘谐振单元上下表面的等效电长度减小，而均匀排布的金属化过孔4的等效电长度增大，使无源谐振单元的等效电长度保持稳定，提高了角度稳定性。

实施例2

本实例与实施例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＝4.5mm，厚度h＝1.5mm；开口环形条带211的短边长L1＝0.9mm，短条带长S＝0.2mm；准V字形条带311两个平行长条带长为n1＝1.5mm，间距为d＝0.5mm；金属化过孔4半径为R＝0.1mm，中心与最近的介质板1边缘距离为g＝0.2mm。

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＝9mm，厚度h＝2.5mm；开口环形条带211的短边长L1＝1.5mm，短条带长S＝0.45mm；准V字形条带311两个平行长条带长为n1＝3.5mm，间距为d＝1mm；金属化过孔4半径为R＝0.3mm，中心与最近的介质板1边缘距离为g＝0.3mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

利用商业仿真软件HFSS_17.0对实施例1的不同入射角下的传输系数进行了仿真计算，结果如图8(a)、8(b)所示。

2、仿真结果分析：

参照图8(a)、8(b)，实施例1中的频率选择表面在0°入射角照射下谐振频点为0.94GHz，在TE和TM极化下，电磁波入射角分别为45°，70°和85°时谐振频点均在0.94GHz处，误差不超过0.01GHz。由仿真结果可知，本发明中的频率选择表面单元的电尺寸只有0.03个谐振波长，实现了良好的小型化效果；同时，本发明中的频率选择表面在不同极化，不同入射角电磁波照射下，其谐振频点的偏移不超过0.01GHz，具有良好的角度稳定性。

以上仿真结果说明，本发明可以在保持频率选择表面小型化良好的基础上，有效地提高了频率选择表面的角度稳定性。

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 (9)

1.一种基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，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)由六个第一条带群(21)组成，每个第一条带群(21)由一个开口环形条带(211)和两个第一短条带(212)组成，所述开口环形条带(211)采用由一组长边和一组短边连接而成的筝形结构，开口位于一组短边的夹角处；

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)由一个准V字形条带(311)和两个第二短条带(312)组成，所述准V字形条带(311)由两条平行的长条带和一个V字形条带连接而成；

所述六个开口环形条带(211)的对称轴各位于介质板(1)上表面的六个角与中心的连接线上，其六组长边的夹角均靠近介质板(1)的上表面中心，且与上表面中心的距离相等；所述两个第一短条带(212)各位于开口环形条带(211)一组短边的外侧，且远离开口的位置；

所述六个准V字形条带(311)的对称轴各位于介质板(1)下表面六个边的中点与中心的连线上，其六个V字形条带的顶点均靠近介质板(1)的下表面中心，且与下表面中心的距离相等；所述两个第二短条带(312)各位于准V字形条带(311)开口方向端点的外侧，且远离准V字形条带(311)的对称轴；

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编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述介质板(1)，其边长为P，厚度为h，且4.5mm≤P≤9mm，0.5mm≤h≤2.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，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。

4.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述开口环形条带(211)，两个长边分别与各自临近的介质板(1)表面对边中点的连线平行，短边与各自连接的长边垂直，在每个短边开口处都连接了一个与此短边垂直的短条带。

5.根据权利要求4所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述开口环形条带(211)，其短边长为L1，短条带长度为S，长边长为L2，且0.9mm≤L1≤1.5mm，0.2mm≤S≤0.45mm，

6.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述第一短条带(212)，其与临近的开口环形条带(211)的短边平行。

7.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述第二短条带(312)，其长度与第一短条带(212)相等，且与临近的准V字形条带(311)对称轴垂直。

8.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述准V字形条带(311)，其两个平行长条带长为n1，间距为d，V字形条带的边长为n2，且1.5mm≤n1≤3.5mm，0.5mm≤d≤1mm，n2＝d。

9.根据权利要求1所述的基于2.5D编织结构的高角度稳定性频率选择表面，其特征在于，所述金属化过孔(4)，其与介质板(1)上表面垂直，半径为R，中心与最近的介质板(1)边缘距离为g，且0.1mm≤R≤0.3mm，0.2mm≤g≤0.3mm。