CN108767486A - 小型化双层单元及含有该单元的频率选择表面 - Google Patents

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李伟
索莹
杨强
蔡柏雯
王洪永
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers

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Abstract

小型化双层单元及含有该单元的频率选择表面，涉及微波技术领域。本发明是为了解决现有频率表面设计的多层结构较为复杂，单层小型化方法无法进一步减小单元尺寸的问题。小型化双层单元包括介质基板和上、下两层金属贴片组，金属贴片组包括两个金属贴片，金属贴片由两个呈矩形走向缠绕的金属带条构成，两个金属带条呈镜像对称设置且末端相连；金属贴片组的两个金属贴片为镜像对称排布，两层金属贴片组中金属贴片的排布方向相互垂直；上、下两层相对应的两个金属贴片的首端通过介质基板上的金属过孔连接。含有小型化双层单元的频率选择表面，包括多个呈矩形阵列紧密排布的小型化双层单元。本发明可以应用于反射面天线、室内电磁波屏蔽等领域。

Description

小型化双层单元及含有该单元的频率选择表面
技术领域
本发明属于微波技术领域。
背景技术
在频率表面的设计与应用中，单元的小型化是一个非常重要的特性，因为频率选择表面单元的小型化可以使谐振频率远离自由空间栅瓣或介质表面波，改善频率响应对入射角稳定性的影响，在有限大尺寸的应用中可以增加单元的数量从而改善其传输特性，在曲面应用中还可以减小因单元形状扭曲带来的传输特性恶化。
频率选择表面能够对电磁波的传输进行频率选择，这种结构由介质基板和金属周期结构层组成。传统频率选择表面的电磁周期结构主要是二维平面型的，但单层二维平面结构具有带宽窄、宽角度频率选择性较差等缺点，为此提出了多层设计方法改善其选择性，提出多种小型化方法改善宽角度入射特性。一般来说，常见的小型化方法是卷曲技术和交指技术，这两种技术本质上都是通过图形的弯曲折转来增加电长度，实现单元尺寸的有效缩减。但是，现有的多层技术结构较为复杂，单层小型化方法无法进一步减小单元尺寸。
发明内容
本发明是为了解决现有频率表面设计的多层结构较为复杂，单层小型化方法无法进一步减小单元尺寸的问题，现提供小型化双层单元及含有该单元的频率选择表面。
小型化双层单元包括介质基板和上、下两层金属贴片组，每层金属贴片组包括两个金属贴片，金属贴片由两个呈矩形走向缠绕的金属带条构成，两个金属带条呈镜像对称设置且末端相连；
金属贴片组的两个金属贴片为镜像对称排布，上、下两层金属贴片组中金属贴片的排布方向相互垂直；
上、下两层相对应的两个金属贴片的首端通过介质基板上的金属过孔连接。
含有上述小型化双层单元的频率选择表面，包括多个呈矩形阵列紧密排布的小型化双层单元。
本发明涉及一种小型化的双层结构单元以及由该单元构成的带阻频率选择表面，为了进一步减小单元尺寸，通过金属过孔连接的小型化双层单元构成频率选择表面，具有宽角度频率稳定性好，带宽宽等优点。本发明可以应用于反射面天线、室内电磁波屏蔽等领域。
附图说明
图1为小型化双层单元的主视图；
图2为小型化双层单元的后视图；
图3为图1的A-A向剖视图；
图4为含有小型化双层单元的频率选择表面的主视图；
图5为0度角入射时的仿真传输系数曲线图，其中TE波和TM波曲线重合；
图6为15度角入射时的仿真传输系数曲线图；
图7为30度角入射时的仿真传输系数曲线图；
图8为45度角入射时的仿真传输系数曲线图；
图9为60度角入射时的仿真传输系数曲线图；
图10为0度角入射时的测量传输系数曲线图；
图11为15度角入射时的测量传输系数曲线图；
图12为30度角入射时的测量传输系数曲线图；
图13为45度角入射时的测量传输系数曲线图；
图14为60度角入射时的测量传输系数曲线图；
图15为频率选择表面的电流分布图；其中(a)表示TE波入射，(b)表示TM波入射；
图16为小型化双层单元的立体示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至3和图16具体说明本实施方式，本实施方式所述的小型化双层单元，包括介质基板1和上、下两层金属贴片组，所述介质基板1上、下两面均为正方形，每层金属贴片组包括两个金属贴片2，金属贴片2由两个金属带条构成，金属带条由其首端为起始点在平面内向外呈正方形走向缠绕，该正方形的两条边分别与介质基板1两条边平行，两个金属带条呈镜像对称设置且末端相连。
金属贴片组的两个金属贴片2为向镜像对称排布，上、下两层金属贴片组中金属贴片2的排布方向相互垂直；上、下两层相对应的两个金属贴片2的首端通过介质基板1上的金属过孔3连接。
以图1中金属贴片2中左上角的金属带条为例具体说明，设金属带条缠绕的周期数为T，当T＝1时，金属带条从上表面金属过孔3为起始，首先向左延伸一段距离S11，然后垂直向上延伸距离S12，再次垂直向右延伸距离S13，最后垂直向下延伸距离S14，此时完成一个周期的缠绕，该周期中S14＞S12，S13＞S11。然后重复上述周期，依次按照垂直向左、垂直向上、垂直向右、垂直向下的路线缠绕，且每次延伸的距离依次为ST1、ST2、ST3、ST4，且ST1＞S(T-1)1、ST2＞S(T-1)2、ST3＞S(T-1)3、ST4＞S(T-1)4，即每增加一个周期，每一段延伸的距离都不断增加。图1中左上角的金属带条延伸2.25个周期，然后与其上下镜像对称的另一个金属带条的末端相连，共同组成一个金属贴片2，该金属贴片2与其左右镜像对称的另一个金属贴片2共同组成上层金属贴片组。如图2所示，下层金属贴片组中金属贴片2的排布方向与上层金属贴片组的排布方向相互垂直。
本实施方式中，以图1右侧金属贴片2为例，尺寸参数如下表1：
表1尺寸参数
g 0.15mm a 0.3mm b 5.1mm
c 0.15mm d1 2.1mm d2 2.1mm
d3 1.6mm d4 1.6mm d5 1.0mm
d6 1.0mm d7 0.5mm d8 0.5mm
介质板1采用FR4材料，介电常数为4.3，厚度为1.6mm。
具体实施方式二：参照图4体说明本实施方式，本实施方式所述的含有具体实施方式一所述的小型化双层单元的频率选择表面，包括8×8个呈矩形阵列紧密排布的小型化双层单元。
在实际应用中，选择80×80个呈矩形阵列紧密排布的小型化双层单元构成频率选择表面，总尺寸为410mm×410mm，且该频率选择表面中小型化双层单元的尺寸如表1所示，该频率选择表面采用PCB工艺制成。本实施方式对该频率选择表面进行了仿真，通过不同角度值(0、15、30、45、60度)入射的平面波对该频率选择表面的传输特性进行仿真，不同入射角和极化方式(TE和TM模式)的仿真传输系数曲线如图5至9所示。
中心频率对应的波长为134mm，那么单元边长和波长之比为0.038，实现了小型化设计。可以看出：
入射角为0度时该频率选择表面的阻带带宽(-10dB带宽)为：2.071GHz～2.38GHz；
入射角为15度时该频率选择表面的阻带带宽为：2.059GHz～2.383GHz；
入射角为30度时该频率选择表面的阻带带宽为：2.023～2.389GHz；
入射角为45度时该频率选择表面的阻带带宽为：1.966GHz～2.419GHz；
入射角为60度时该频率选择表面的阻带带宽为：1.813GHz～2.461GHz。
表2显示了入射角为0度、15度、30度、45度、60度时阻带带宽的具体数值。
表2不同角度入射时的阻带带宽
入射角 0 15 30 45 60
-10dB带宽 0.309GHz 0.324GHz 0.366GHz 0.453GHz 0.648GHz
图15所示为仿真所得到的频率选择表面的电流分布图，图示的是当入射波垂直入射时表面电流的分布。
本实施方式还制作并测试了一个包含80×80个单元，尺寸为410mm×410mm的频率选择表面，来验证仿真结果。如图10至14所示，在TE和TM模式条件下，电磁波以不同角度入射频率选择表面测出的传输系数。

Claims (6)

1.小型化双层单元，其特征在于，包括介质基板(1)和上、下两层金属贴片组，每层金属贴片组包括两个金属贴片(2)，金属贴片(2)由两个呈矩形走向缠绕的金属带条构成，两个金属带条呈镜像对称设置且末端相连；
金属贴片组的两个金属贴片(2)为镜像对称排布，上、下两层金属贴片组中金属贴片(2)的排布方向相互垂直；
上、下两层相对应的两个金属贴片(2)的首端通过介质基板(1)上的金属过孔(3)连接。
2.根据权利要求1所述的小型化双层单元，其特征在于，介质基板(1)上、下两面均为正方形，所述金属带条由其首端为起始点在平面内向外呈正方形走向缠绕，该正方形的两条边分别与介质基板(1)两条边平行。
3.根据权利要求2所述的小型化双层单元，其特征在于，介质基板(1)厚度为1.6mm，边长为5.1mm。
4.根据权利要求2所述的小型化双层单元，其特征在于，金属过孔(3)直径为0.3mm。
5.根据权利要求2所述的小型化双层单元，其特征在于，金属带条最外圈与介质基板(1)边缘的距离为0.15mm。
6.含有权利要求1所述的小型化双层单元的频率选择表面，其特征在于，包括多个呈矩形阵列紧密排布的小型化双层单元。
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