CN108701904B - 一种频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种频率选择表面FSS，该FSS由多个FSS单元均匀排列构成，每个FSS单元包括：介质板，十字形金属贴片，和N个方环形金属贴片；十字形金属贴片贴在介质板的第一表面，将介质板的第一表面分割成面积相等的四部分，每部分有相同数量的方环形金属贴片，该N个方环形金属贴片贴在介质板的第一表面，且排列整齐，N为4的正整数次方；十字形金属贴片在互相垂直的两个方向的长度相等，其中，每个方向的长度以及相邻贴片之间的缝隙宽度均需满足一定的条件。本发明公开的FSS具有更宽的低频透射带宽和高频反射带宽，而且结构简单，采用传统印刷电路板工艺即可实现，成本也较低。

Description

一种频率选择表面
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种单层的双谐振频率选择表面FSS。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，微波点到点通信的传输容量不断增大，Eband(71-76GHz，81-86GHz)频段微波设备在基站回传网络中发挥越来越重要的作用。但是，因为Eband频段的电磁波“雨衰”特别严重，所以Eband微波单跳距离通常小于3公里。为了增大Eband微波的单跳距离，降低建站成本，有一种解决方案是将Eband频段微波设备和其他低频微波设备组合使用。当出现较大降雨时，Eband微波设备虽然无法正常工作，但是低频微波设备依然可以正常工作。
该解决方案采用双频抛物面天线，结构如图1所示，该双频抛物面天线包括主反射面和副反射面，其中，低频馈源和高频馈源共用一个主反射面，将频率选择表面(FrequencySelective Surface，FSS)用作副反射面，副反射面设计成双曲面，双曲面的虚焦点与主反射面的实焦点重合，将不同频率的馈源分置于双曲面的虚焦点和实焦点；该FSS对位于虚焦点的低频馈源发射的电磁波是透射的，对位于实焦点的高频馈源发射的电磁波是反射的，从而实现双频复用的功能。
FSS是一种二维周期排列的结构，可以有效控制入射电磁波的透射和反射。FSS通常有两种，一种对谐振情况下的入射波呈现出全透性，另一种对谐振情况下的入射波呈现出全反性，其中，双频抛物面天线需要FSS同时具有较好的低频透射特性和高频反射特性，即具有双谐振特性，故需要将两种形式结合在一起使用。
现有的方案是采用由两层FSS构成的双频板，该双频板由双频板单元依次沿互相垂直的两个方向进行周期排列构成，每个双频板单元包括第一FSS单元、第二FSS单元和介质板，其结构如图2所示。第一FSS单元由四个圆环贴片301组成，覆盖介质板的一侧表面，主要起高频反射作用；第二FSS单元由开圆槽的方形贴片与车轮形贴片组成，覆盖介质板的另一侧表面，主要起低频透射作用。然而，该双频板在低频段透射的相对带宽仅有9％，并且该双频板采用双层FSS结构，增加了加工难度和成本。
发明内容
本发明实施例提供一种单层的双谐振FSS，解决了现有双频板低频透射的相对带宽仅有9％，以及双层结构加工难度大，成本高的问题。
第一方面，提供一种频率选择表面FSS，所述FSS由多个FSS单元均匀排列构成，每个所述FSS单元包括：介质板和N个方环形金属贴片，所述N个方环形金属贴片贴在所述介质板的第一表面，其特征在于，所述FSS单元还包括十字形金属贴片，所述十字形金属贴片贴在所述介质板的所述第一表面，将所述介质板的所述第一表面分割成面积相等的四部分，每部分有相同数量的所述方环形金属贴片，所述N个方环形金属贴片排列整齐，N为4的正整数次方；所述十字形金属贴片在互相垂直的两个方向的长度相等，每个方向的长度为第一波长的0.25-0.75倍，相邻贴片之间的缝隙宽度均为第二波长的0.02-0.06倍，其中，所述第一波长为所述FSS的透射频段的中心频点在所述介质板中对应的波长，所述第二波长为所述FSS的反射频段的中心频点在真空中对应的波长。
本发明实施例具有更宽的低频透射带宽，而且采用单层结构，结构简单，采用传统印刷电路板工艺即可实现，降低了加工难度和成本。
结合第第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的0.5-1.5倍，其中，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述介质板的厚度为所述第一波长的一半。本发明实施例可以使透射电磁波从所述介质板正面和背面的反射相互抵消，增加低频段的透射带宽。
结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，在所述FSS单元中，所述介质板具有N个孔，所述N个孔的位置与所述N个方环形金属贴片的位置一一对应，所述孔的面积小于所述方环形金属贴片的内环面积。本发明实施例可以降低低频带通等效电路的等效Q值，进一步增加低频段的透射带宽。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述N个孔的中心分别位于所述N个方环形金属贴片覆盖的所述介质板的中心位置，增加低频段的透射带宽的效果更好。
结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述N等于4时，所述十字形金属贴片的所述每个方向的长度是所述第一波长的0.3-0.6倍；所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的1.0-1.5倍，其中，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间。本实施例将贴片的尺寸做了进一步地限定，可以更好地适应所述FSS单元包括4个方环形金属贴片的具体情况，让本实施例的FSS单元得到更宽的低频透射带宽。
结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述N等于16时，所述十字形金属贴片的所述每个方向的长度是所述第一波长的0.4-0.7倍；所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的0.7-1.3倍，其中，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间。本实施例将贴片的尺寸做了进一步地限定，可以更好地适应所述FSS单元包括16个方环形金属贴片的具体情况，让本实施例的FSS单元得到更宽的低频透射带宽。
本发明实施例可以提供更宽的低频透射带宽，而且采用单层结构，结构简单，采用传统印刷电路板工艺即可实现，具有加工难度和加工成本低的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双频抛物面天线的结构示意图；
图2为现有的双频板单元的立体结构图；
图3(a)为本发明的FSS单元的立体结构示意图；
图3(b)为本发明的FSS单元的平面结构示意图；
图4为本发明的FSS的立体结构示意图；
图5为图3(b)拓展之后形成的平面结构示意图；
图6为单个方环形金属贴片的平面结构图；
图7(a)为本发明一实施例在低频段的反射系数仿真图；
图7(b)为本发明一实施例在高频段的传输系数仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明的保护范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
当本发明实施例提及“第一”、“第二”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，否则应当理解为仅仅是起区分之用。
为了便于本领域技术人员的理解，本发明通过以下实施例对本发明提供的技术方案进行说明。
图1显示的是双频抛物面天线的结构图，从图中可以看出，双频抛物面天线包括主反射面和副反射面，其中，低频馈源和高频馈源共用一个主反射面，本发明实施例提供的FSS可以用作副反射面，副反射面设计成双曲面，双曲面的虚焦点与主反射面的实焦点重合，将不同频率的馈源分置于双曲面的虚焦点和实焦点；该FSS对位于虚焦点的低频馈源发射的电磁波是透射的，对位于实焦点的高频馈源发射的电磁波是反射的，从而实现双频复用的功能。
本发明实施例提供一种FSS，该FSS由多个FSS单元均匀排列构成，每个FSS单元包括：介质板和N个方环形金属贴片，该N个方环形金属贴片贴在介质板的第一表面，该FSS单元的一种可能的立体结构图和平面结构图分别为图3(a)和图3(b)所示，该FSS单元300还包括十字形金属贴片302，
十字形金属贴片302贴在介质板301的第一表面，将介质板301的第一表面分割成面积相等的四部分，每部分有相同数量的方环形金属贴片303，该N个方环形金属贴片303排列整齐，N为4的正整数次方；十字形金属贴片302在互相垂直的两个方向的长度相等，每个方向的长度为第一波长的0.25-0.75倍，相邻贴片之间的缝隙宽度均为第二波长的0.02-0.06倍，其中，第一波长为该FSS的透射频段的中心频点在介质板301中对应的波长，第二波长为该FSS的反射频段的中心频点在真空中对应的波长。
具体的，频率(f)与波长(λ)的关系为v＝f×λ，其中，v表示光在介质中的速度。在真空中，v等于光速，即3×108m/s；在介质中，与该介质的折射率有关，假设介质板301的折射率为n，则v＝光速/n。
该FSS的整体结构如图4所示，从图4中可以看出，该FSS是由FSS单元300先沿x轴周期排列，再沿y轴周期排列构成或先沿y轴周期排列，再沿x轴周期排列构成的。
应理解，图3(a)和图3(b)是以包括16个方环形金属贴片303的FSS单元300为例，并不是对具体的方环形金属贴片303的数量进行限定。实际上，每个FSS单元300包括的方环形金属贴片303数量可以为4、16、64等等，要根据具体情况设定。
图5为图3(b)所示的FSS单元依次沿x轴和y轴方向周期排布得到的局部示意图，其中，图5的中间16个方环形金属贴片303所在部分即为图3(b)所示的FSS单元300。
具体的，方环形金属贴片303是金属材质，且周期排列，故方环形金属贴片303可以等效为电感，方环形金属贴片303之间的缝隙可以等效为电容，周期排列之后，该FSS结构可以等效为电容电感串联。因为方环形金属贴片303尺寸小，所以其等效电路对高频段(例如80GHz左右的频段)产生串联谐振，等效为一堵墙，所以呈现很好的反射特性。而十字形金属贴片302与方环形金属贴片303之间的缝隙可组成“田字形”缝隙(如图5中右下角的田字形实线所示)，“田字形”缝隙可以等效为电容，田字形缝隙之间的金属可以等效为电感，周期排列之后，该FSS结构可以等效为电容电感并联。因为“田字形”缝隙尺寸大，所以其等效电路对低频段(例如20GHz左右的频段)产生并联谐振，等效为不存在，所以呈现很好的透射特性。
进一步地，本发明实施例中，每个FSS单元300包括的方环形金属贴片303的数量是4的正整数次方，可以保证方环形金属贴片303均匀贴在由十字形金属贴片分出的介质板301第一表面的四部分区域；确保所有缝隙宽度在设计范围内，即可在低频段和高频段都发生谐振，使本发明实施例提供的FSS具有高频反射，低频透射特性。
可选地，介质板301的厚度为第一波长的一半，其中，第一波长为该FSS的透射频段的中心频点在介质板301中对应的波长。采用厚度为第一波长一半的介质板301，由于正面反射和背面反射的幅度相等且相位相反，可以使透射电磁波从其正面和背面的反射相互抵消，增加该FSS的透射带宽。
进一步地，可以在介质板301中设计N个孔304，如图3(a)和3(b)所示，该N个孔304分别与N个方环形金属贴片303一一对应，可以起到降低低频段的带通等效电路(串联谐振)Q值的效果，从而进一步增加该FSS的透射带宽。优选地，N个孔304的中心分别位于N个方环形金属贴片303覆盖的介质板301的中心位置，从垂直于介质板301的第一表面的方向观察，孔304的中心和方环形金属贴片303的中心是重合的。
应理解，孔304的形状以圆形最为容易实现，但其他形状也可以起到增加FSS透射带宽的功能，因此，本发明实施例对孔304的形状不做限定。
可选地，为了在双频天线普遍工作的高频段(80GHz左右)和低频段(18GHz左右)上，得到更好的高频反射性能和低频透射性能，分别针对FSS单元300包括4个或16个方环形金属贴片303这两种典形的情况，对方环形金属贴片303和十字形金属贴片302的尺寸以及两者之间的位置关系做了进一步地限定：
(1)在FSS单元300包括4个方环形金属贴片303时，十字形金属贴片302在互相垂直的两个方向的长度相等，每个方向的长度为第一波长的0.3-0.6倍；方环形金属贴片303的中心线周长是第二波长的1.0-1.5倍，相邻的贴片之间的缝隙宽度均为第二波长的0.02-0.06倍。
(2)在FSS单元300包括16个方环形金属贴片303时，十字形金属贴片302在互相垂直的两个方向的长度相等，每个方向的长度为第一波长的0.4-0.7倍；方环形金属贴片303的中心线周长是第二波长的0.7-1.3倍，相邻的贴片之间的缝隙宽度均为第二波长的0.02-0.06倍。
需要说明的是，第一波长为该FSS的透射频段的中心频点在介质板301中对应的波长；第二波长为该FSS的反射频段的中心频点在真空中对应的波长；方环形金属贴片303的中心线如图6中虚线所示，位于方环形金属贴片303的外环和内环的中间位置。
另外，我们可以通过调节方环形金属贴片303的中心线周长，相邻的方环形金属贴片303之间的中心距离(即相邻贴片的缝隙宽度加上方环形金属贴片303的边长)以及十字形金属贴片302的总长度(互相垂直的两个方向的长度和)，相邻贴片之间的缝隙宽度这四个参数，来更好地适应具体的反射频段中心频点和透射频段中心频点。例如，仍以在FSS单元300包括16个方环形金属贴片303为例，并工作在反射频段中心频点为80GHz，透射频段中心频点为18GHz的条件下，此时，采用如下设定方式效果更好：设定方环形金属贴片303的中心线周长为0.96λ1，相邻的方环形金属贴片303之间的中心距离为0.33λ1，十字形金属贴片302的总长度是1.09λ2，相邻贴片之间的缝隙宽度为0.015λ2；其中，λ1为80GHz对应的真空波长，具体为3.75mm，λ2为18GHz对应的介质波长，假设介质板301的相对介电常数为2.8，λ2的值具体为9.69mm。
在同样条件下，如果反射频段中心频点不变，透射频段中心频点变为15GHz，则采用如下设定方案效果更好：方环形金属贴片303的中心线周长为1.28λ1，相邻的方环形金属贴片303之间的中心距离为0.41λ1，十字形金属贴片302的总长度是1.09λ2，相邻贴片之间的缝隙宽度为0.013λ2；此时，λ1仍为3.75mm，假设介质板301的相对介电常数仍为2.8，λ2的值具体变为11.95mm。
进一步地，以在FSS单元300包括16个方环形金属贴片303为例，采用的介质板301厚度为第一波长的一半，在介质板301中设计N个孔304，该N个孔304的位置分别与N个方环形金属贴片303相对应，且N个孔304的中心分别位于N个方环形金属贴片303覆盖的介质板301的中心位置，此时该FSS的低频透射，高频反射性能分别如图7(a)和7(b)所示，图7(a)和7(b)是本发明实施例的仿真结果。从图7(a)中可以看出，反射系数小于-10dB的工作频带为16.22-21.26GHz，其绝对带宽为21.26-16.22＝5.04GHz，中心频点为18.74GHz，则其相对带宽可以达到26.9％(5.04/18.74)，远大于现有技术在低频段透射的相对带宽。从图7(b)中可以看出，传输系数小于-15dB的工作频带为60-110GHz，其绝对带宽为110-60＝50GHz，中心频点为85GHz，则其相对带宽可以达到58.8％(50/85)，也优于现有技术在高频段反射的相对带宽。
综上所述，本发明实施例可以提供更宽的低频透射带宽和高频反射带宽，性能优于现有的双频板方案，而且FSS设计在介质板301的单面，结构简单，采用传统印刷电路板工艺即可实现，具有加工难度低和加工成本低的优势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种频率选择表面FSS，所述FSS由多个FSS单元均匀排列构成，其特征在于，每个所述FSS单元包括：介质板和N个方环形金属贴片，所述N个方环形金属贴片贴在所述介质板的第一表面，所述FSS单元还包括十字形金属贴片，
所述十字形金属贴片贴在所述介质板的所述第一表面，将所述介质板的所述第一表面分割成面积相等的四部分，每部分有相同数量的所述方环形金属贴片，所述N个方环形金属贴片排列整齐，N为4的正整数次方；
所述十字形金属贴片，在互相垂直的两个方向的长度相等，每个方向的长度为第一波长的0.25－0.75倍，相邻贴片之间的缝隙宽度均为第二波长的0.02－0.06倍，其中，所述第一波长为所述FSS的透射频段的中心频点在所述介质板中对应的波长，所述第二波长为所述FSS的反射频段的中心频点在真空中对应的波长；
其中，所述N等于16时，所述十字形金属贴片的所述每个方向的长度是所述第一波长的0.4－0.7倍；所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的0.7－1.3倍，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间；
或者，
其中，所述N等于4时，所述十字形金属贴片的所述每个方向的长度是所述第一波长的0.3－0.6倍；所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的1.0－1.5倍，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间；
其中，所述介质板具有N个孔，所述N个孔的位置与所述N个方环形金属贴片的位置一一对应，所述孔的面积小于所述方环形金属贴片的内环面积；所述N个孔的中心分别位于所述N个方环形金属贴片覆盖的所述介质板的中心位置。
2.根据权利要求1所述的FSS，其特征在于，所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的0.5－1.5倍，其中，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间。
3.根据权利要求1所述的FSS，其特征在于，所述介质板的厚度为所述第一波长的一半。
4.一种天线，包括主反射面、频率选择表面FSS、高频馈源和低频馈源，所述FSS的虚焦点与所述主反射面的实焦点重合，所述高频馈源位于所述FSS的实焦点，所述低频馈源位于所述FSS的虚焦点，所述FSS包括多个FSS单元，其特征在于，
每个所述FSS单元包括：介质板和N个方环形金属贴片，所述N个方环形金属贴片贴在所述介质板的第一表面，所述FSS单元还包括十字形金属贴片，
所述十字形金属贴片贴在所述介质板的所述第一表面，将所述介质板的所述第一表面分割成面积相等的四部分，每部分有相同数量的所述方环形金属贴片，所述N个方环形金属贴片排列整齐，N为4的正整数次方；
所述十字形金属贴片，在互相垂直的两个方向的长度相等，每个方向的长度为第一波长的0.25－0.75倍，相邻贴片之间的缝隙宽度均为第二波长的0.02－0.06倍，其中，所述第一波长为所述FSS的透射频段的中心频点在所述介质板中对应的波长，所述第二波长为所述FSS的反射频段的中心频点在真空中对应的波长；
其中，所述N等于16时，所述十字形金属贴片的所述每个方向的长度是所述第一波长的0.4－0.7倍；所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的0.7－1.3倍，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间；
或者，
其中，所述N等于4时，所述十字形金属贴片的所述每个方向的长度是所述第一波长的0.3－0.6倍；所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的1.0－1.5倍，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间；
其中，在所述FSS单元中，所述介质板具有N个孔，所述N个孔的位置与所述N个方环形金属贴片的位置一一对应，所述孔的面积小于所述方环形金属贴片的内环面积；所述N个孔的中心分别位于所述N个方环形金属贴片覆盖的所述介质板的中心位置。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述方环形金属贴片的中心线周长是所述第二波长的0.5－1.5倍，其中，所述中心线位于所述方环形金属贴片的外环和内环的中间。
6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述介质板的厚度为所述第一波长的一半。
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