CN108565557A - 一种频率选择表面及超薄频选天线罩 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁场与微波技术领域,具体涉及一种频率选择表面及利用该频率选择表面制作的超薄频选天线罩。本发明所述一种频率选择表面,其包括单层基板和若干个金属结构单元,所述若干个金属结构单元沿基板表面连续周期排列,每一个金属结构单元均包括若干个金属开孔,若干个金属开孔环形设置,且若干个金属开孔环形的中心通过连接框相互连通。本发明将本发明特别的频率选择表面,设置在天线罩中,使天线罩具有空间滤波器的作用,相对于现有技术,在不影响透波效率的情况下,进一步简化了频选天线罩的结构复杂性,取代了现有技术中的多层级联结构,大幅度简化了天线罩结构的复杂性,缩小了天线罩的总厚度,降低了天线罩的重量,节约了成本。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域,具体涉及一种频率选择表面及利用该频率选择表面制作的超薄频选天线罩。
背景技术
频率选择表面(FSS)是一类由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构,由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。频率选择表面对电磁波具有选择性,它具有让某一频段内的电磁波全部透射而让其他频段的电磁波全部反射的特性,是一种空间滤波器。利用FSS技术,可降低天线系统的雷达散射截面(RCS),提升飞行器、舰船或其它载具的隐身性能。在移动通信领域,由于频谱资源日趋紧缺,基站天线为有效抑制带外辐射以降低无线通信设备之间的相互干扰,也需要性能更加优异的频率选择表面,实现更好的电磁兼容性。
目前,采用频率选择表面技术设计的天线罩,可在保证低频天线具有较好的透波性能的同时,显著降低天线罩的厚度。现有技术中公开了一种超薄低通频选超材料透波天线罩及其天线系统,所设计的用于2.5GHz天线的天线罩厚度为3.036mm。但是,该天线罩由3层频率选择表面级联而成,虽然大大缩减了天线罩厚度,但结构复杂,成本依然较高且厚度有进一步压缩的空间。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、厚度更薄的频率选择表面,及利用该频率选择表面制作的超薄频选天线罩,解决了现有技术的上述结构复杂、成本较高、厚度较厚的缺陷。
包括单层基板和若干个金属结构单元,所述若干个金属结构单元沿基板表面连续周期排列,每一个金属结构单元均包括若干个金属开孔,若干个金属开孔环形设置,且若干个金属开孔环形的中心通过连接框相互连通。
本发明所述基板为介电材料,介电材料选自包括纤维/树脂复合材料、石英材料、陶瓷材料或柔性塑料薄膜的一种或多种;所述金属结构单元的材料为导电材料,所述导电材料选自包括Au、Ag、Cu或Al的一种或多种。
优选地,所述基板的单面设置有周期排列的若干个金属结构单元。
优选地,所述连接框自中心点向外延伸出若干个连接线,连接线的数量与金属开孔的数量相匹配,每相邻两连接线之间的夹角相同,连接线连接在金属开孔与连接线相连一边的中点处。
优选地,所述金属开孔和连接框通过电路板印刷或光刻蚀技术附着在基板上。
优选地,所述金属开孔为四个,均为梯形,梯形金属开孔较短的上底边相向设置,每一个梯形金属开孔的上底边的中心点与连接框相连,四个梯形金属开孔等距环形设置。
优选地,所述金属开孔为四个,均为弧形,每一个弧形金属开孔的短弧边相向设置,其中短弧边的中心点与连接框相连,四个弧形金属开孔等距环形设置。
优选地,单个金属开孔与连接框的面积之比为2.25-7.15。
优选地,每一个金属结构单元均包括四个金属开孔,四个金属开孔环形等距设置,连接框为十字框,四个金属开孔通过十字框相互连通。
本发明所述超薄频选天线罩,包括罩体和频率选择表面;频率选择表面固定设置于罩体靠近天线一侧的内壁上或嵌入罩体内的夹层中,所述频率选择表面为至少一层。
本发明所述罩体材料为雷达、移动通信所常用的天线罩材料,包括纤维/树脂复合材料、石英材料、陶瓷材料或者柔性塑料薄膜的一种或多种。
本发明将本发明特别的频率选择表面,设置在天线罩中,使天线罩具有空间滤波器的作用,相对于现有技术,在不影响透波效率的情况下,进一步简化了频选天线罩的结构复杂性,仅利用一层频率选择表面取代了现有技术中的多层级联结构,大幅度简化了天线罩结构的复杂性,缩小了天线罩的总厚度,降低了天线罩的重量,节约了成本,提高了相关应用领域的竞争力。与现有技术相比,其天线罩总厚度大于3mm,本发明在功能相近的基础上,天线罩总厚度仅为1mm;若同样采用FR-4作为介质基板,天线罩尺寸为300mm×300mm,现有技术的三层级联结构的成本为3层频率选择表面加天线罩本体,大约为人民币1950元,本发明单层频率选择表面加天线罩本体的成本为其1/3,即人民币635元,较大幅度的降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明一种频率选择表面及超薄天线罩实施例中金属微结构单元在基板上的结构示意图。
图2是本发明实施例1金属开孔的结构示意图。
图3是本发明实施例2金属开孔的结构示意图。
图4是本发明实施例3金属开孔的结构示意图。
图5是本发明超薄频选天线罩的结构示意图。
图6(a)-图6(c)是本发明实施例1中矩形开孔超薄频选天线罩的透射S参数曲线图。
图7(a)-图7(c)是本发明实施例2中梯形开孔超薄频选天线罩的透射S参数曲线图。
图8(a)-图8(c)是本发明实施例3中弧形开孔超薄频选天线罩的透射S参数曲线图。
图中:1-频率选择表面;2-基板;3-金属结构单元;4-矩形金属开孔;5-十字框;6-梯形金属开孔;7-弧形金属开孔;8-罩体。
具体实施方式
当电磁波入射到偶极子单元上时,在平行于偶极子方向的电场对电子产生作用力使其振荡,金属表面上就有感应电流形成。此时,入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能,而另一部分的能量就透过偶极子继续传播。根据能量守恒定律,维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下,所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上,那么透射系数为零。这种现象就是谐振现象,该频率点成为谐振点。此时,偶极子单元就具有了反射特性。而另一种情况,当入射波的频率不等于谐振频率时,只有很少的能量用于维持电子做加速运动,大部分的能量都透射了。在这种情况下,偶极子单元对入射电磁波而言是“透明”的,电磁波的能量可以全部传播。此时,偶极子单元就成了透射特性。同理,根据巴比涅原理,当电磁波入射到缝隙单元上时,在谐振频率附近,大部分能量透射,而入射波频率不等于谐振频率时,电磁波能量转换成电子运动的能量。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,本发明所述一种频率选择表面1,包括单层基板2和设置在基板2单面的若干个金属结构单元3组成,所述若干个金属结构单元3沿基板2表面连续周期排列,虚线代表一个金属微结构单元的边界,但并不代表具体实物。每一个金属结构单元3均包括若干个金属开孔,若干个金属开孔环形设置,且若干个金属开孔环形的中心通过连接框相互连通。本发明所述基板2为介电材料,选自包括纤维/树脂复合材料、石英材料、陶瓷材料或柔性塑料薄膜的一种或多种;金属开孔和连接框通过电路板印刷或光刻蚀技术附着在基板2上,所述金属结构单元3的材料为导电材料,所述导电材料选自包括Au、Ag、Cu或Al的一种或多种。
为了进一步保证频率选择表面1的滤波效果,本发明所述连接框自中心点向外延伸出若干个连接线,连接线的数量与金属开孔的数量相匹配,每相邻两连接线之间的夹角相同,连接线连接在与金属开孔相连的一条边或弧的中心点处。
本实施例提出一种超薄频选天线罩,如图5所示,包括罩体8和权利要求1所述频率选择表面1;所述频率选择表面1粘贴在罩体8靠近天线一侧的内壁上或根据实际情况所述一层频率选择表面1也可嵌入在罩体8的夹层中。本实施例中频率选择表面1为一层,所述罩体8材料为雷达、移动通信所常用的天线罩材料,选自包括纤维/树脂复合材料、石英材料、陶瓷材料或柔性塑料薄膜的一种或多种。
实施例1。
如图2和3所示,在本实施例所述一种频率选择表面1,每一个金属结构单元3内包括四个金属开孔,且本实施例金属开孔均为矩形金属开孔4,其中每一个矩形金属开孔4长边的中心点与十字框5相连,所述连接框为十字框5,四个矩形金属开孔4围绕十字框5环形设置,且均与十字框5相互连通。
十字框5的中心与其所在金属结构单元3的中心重合。
十字框5与矩形金属开孔4内,尺寸L0+2×W1的总长决定通带中心频率;尺寸W0用于控制通带的带宽宽度;尺寸L1影响阻带的中心频率、尺寸W1影响阻带的带宽宽度。单个金属开孔3与十字框5的面积之比为2.25至7.15。频率选择表面1的基板2选用0.1mm厚的GetekML200D材料,相对介电常数4.3; 金属微结构单元的边长为P,材质为Cu,厚度0.018mm;矩形开孔的长L1取8.5mm,矩形开孔的宽为W1,十字形开孔的长L0取9.0mm,十字形开孔的宽W0取0.6mm。超薄频选天线罩中,罩体8厚度为0.8mm,材质为Getek ML 200D材料,相对介电常数4.3;频率选择表面1与罩体8之间,采用0.1mm厚的Getek ML200D半固化片粘接后固化成型;超薄频选天线罩总厚度为1mm。
分别取W1=2.75mm,P=16mm;W1=5.75mm,P=16mm;W1=8.75mm,P=28mm。此时单个金属开孔4与十字框5的面积比分别为2.25、4.7、 7.15。其性能按以上顺序分别见图6(a)、图6(b)、图6(c),并汇总于表1。以W1=5.75mm,P=16mm为例,此时单个金属开孔3与十字框5的面积比为4.7,TE模式与TM模式的透射曲线重合,说明该天线罩对极化方向不敏感,在2.52GHz至2.67GHz的通带内,透射率最低为-0.3dB;在3.67GHz至7.98GHz的阻带内,透射率最高为-10dB,综上所述,本发明所述频率选择表面1及超薄频选天线罩,具有兼顾空间滤波的带通带阻性能,通带损耗小、阻带抑制明显且带宽大,对极化方向不敏感等优点。在此基础上,所述超薄天线罩仅使用了一层频率选择表面1,天线罩总厚度仅为1mm,大幅度简化了天线罩结构的复杂性,缩小了天线罩的总厚度,降低了天线罩的重量,节约了成本,提高了相关应用领域的竞争力。
表1:
。
实施例2。
如图3所示,在本实施例所述一种频率选择表面1,金属开孔6的形状为梯形,梯形金属开孔6较短的上底边相向设置,每一个梯形金属开孔6的上底边的中心点与十字框5相连,其余与实施例1相同。
单个梯形金属开孔6与十字框5的面积之比为2.25至7.15,金属微结构单元的边长为P,材质为Cu,厚度0.018mm。梯形金属开孔6中,上底D1取6mm,下底D2取8.5mm,梯形高为W1。十字框5的长L0取10.5mm,十字框5的宽W0取0.6mm。其余参数同实施例1。
分别取W1=2.3mm,P=15mm;W1=4.8mm,P=20mm; W1=7.3mm,P=25mm。此时单个金属开孔与十字框5的面积比分别为2.25、4.7、 7.15。其性能按以上顺序分别见图7(a)、(b)、(c),并汇总于表2。
表2:
。
实施例3。
如图4所示,在本实施例所述一种频率选择表面1,金属开孔7的形状为弧形,每一个弧形金属开孔7的短弧边相向设置,其中短弧边的中心点与十字框5相连,其余与实施例1相同。
单个金属开孔7与十字框5的面积之比为2.25至7.15。金属微结构单元的边长为P,材质为Cu,厚度0.018mm。金属开孔中,弧形金属开孔7的短弧边与长弧边为同心圆,圆心位于十字形框的中心点,短弧边中点与长弧边中点之间的距离为W1,弧形金属开孔7的夹角AN1=33°。十字框5的长L0取10.5mm,十字框5的宽W0取0.6mm。其余参数同实施例1。
分别取W1=3.4mm,P=18.8mm;W1=6.0mm,P=24.1mm; W1=8.1mm,P=28.3mm。此时单个金属开孔与十字框5的面积比分别为2.25、4.7、 7.15。其性能按以上顺序分别见图8(a)、(b)、(c),并汇总于表3。
表3:
。
Claims (10)
1.一种频率选择表面,其特征在于,包括单层基板和若干个金属结构单元,所述若干个金属结构单元沿基板表面连续周期排列,每一个金属结构单元均包括若干个金属开孔,若干个金属开孔环形设置,且若干个金属开孔环形的中心通过连接框相互连通。
2.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,所述基板的单面设置有周期排列的若干个金属结构单元。
3.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,所述连接框自中心点向外延伸出若干个连接线,连接线的数量与金属开孔的数量相匹配,每相邻两连接线之间的夹角相同,连接线连接在金属开孔与连接线相连一边的中点处。
4.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,所述金属开孔和连接框通过电路板印刷或光刻蚀技术附着在基板上。
5.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,所述金属开孔为四个,均为矩形,其中每一个矩形金属开孔的一边与连接框相连,四个矩形金属开孔等距环形设置。
6.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,所述金属开孔为四个,均为梯形,梯形金属开孔较短的上底边相向设置,每一个梯形金属开孔的上底边的中心点与连接框相连,四个梯形金属开孔等距环形设置。
7.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,所述金属开孔为四个,均为弧形,每一个弧形金属开孔的短弧边相向设置,其中短弧边的中心点与连接框相连,四个弧形金属开孔等距环形设置。
8.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,单个金属开孔与连接框的面积之比为2.25-7.15。
9.根据权利要求1所述频率选择表面,其特征在于,每一个金属结构单元均包括四个金属开孔,四个金属开孔环形等距设置,连接框为十字框,四个金属开孔通过十字框相互连通。
10.利用如权利要求1所述频率选择表面制作的超薄频选天线罩,其特征在于,超薄频选天线罩包括罩体和权利要求1所述频率选择表面;频率选择表面固定设置于罩体靠近天线一侧的内壁上或嵌入罩体内的夹层中,所述频率选择表面为至少一层。
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