CN109103552B - 加载集总元件频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加载集总元件频率选择表面，包括介质基板和紧贴于介质基板上表面的内环金属贴片、外环金属贴片；内环金属贴片包括四片第一L型金属贴片，相邻两个第一L型金属贴片留有间隙，每个间隙设置有一个第一集总电感；外环金属贴片包括四片第二L型金属贴片，相邻两个第二L型金属贴片留有间隙，其中两个相邻的间隙设置有集总电容，另外两个相邻的间隙设置有第二集总电感。本发明通过集总元件实现更高的小型化指标和更灵活的谐振频点设计，从而拓宽了谐振频率的设计范围。

Description

加载集总元件频率选择表面
技术领域
本发明属于无线通信FSS技术领域，特别是一种加载集总元件频率选择表面。
背景技术
传统小型化的实现方式主要有弯折结构加载，集总元件加载等方式。
目前，FSS在小型化，多频带和低剖面等方面都有重大进展。FSS的实现方案主要有金属加载，其周期单元大致可分为两种类型，一种是金属贴片，另一种是与之互补的在金属平板上开槽缝隙结构。
频率选择表面本身不吸收能量，它的响应特性随频率而变化，对某些频带内的入射电磁波几乎全透明，而对另一些频带内的入射波则呈现接近全反射的特性。其频率特性主要取决于谐振单元的结构、周期性排列方式以及加载的介质。当频率选择表面的谐振单元达到谐振状态时,处于谐振频率的电磁波被全反射贴片型或全透射缝隙型。由于低频段频率选择表面谐振频率接近，且电尺寸大，因此实现难度很大，
发明内容
本发明的目的在于提供一种加载集总元件频率选择表面，同时实现小型化和双频段。
实现本发明目的的技术方案为：一种加载集总元件频率选择表面，包括介质基板和紧贴于介质基板上表面的内环金属贴片、外环金属贴片；
内环金属贴片包括四片第一L型金属贴片，每个第一L型金属贴片的两条边垂直且边长相等，相邻两个第一L型金属贴片留有间隙，每个间隙设置有一个第一集总电感；四个第一L型金属贴片围成正方形金属环；
外环金属贴片包括四片第二L型金属贴片，每个第二L型金属贴片的两条边垂直且边长相等，相邻两个第二L型金属贴片留有间隙，其中两个相邻的间隙设置有集总电容，另外两个相邻的间隙设置有第二集总电感，四个第二L型金属贴片围成正方形金属环。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明金属结构的尺寸可以根据设计的频率和选取板材的介电常数快速计算出来，设计过程简单；(2)通过加载集总元件的方法能够为频率选择表面引入新的自由度，方便双频FSS的设计，为FSS在低频段应用提供了完美的解决方案，相比于金属加载，本发明采用的集总元件加载结构可大大提升FSS的小型化指标；(3)本发明可以用集总元件来实现更高的小型化指标和更灵活的谐振频点设计，从而拓宽了谐振频率的设计范围。
附图说明
图1是加载集总元件频率选择表面俯视图。
图2是加载集总元件频率选择表面的尺寸图。
图3是介质基板的尺寸图。
图4是双频FSS采用CST仿真的S11图。
图5是双频FSS采用CST仿真的S21图。
图6是双频FSS结构的不同角度入射S21传输曲线图。
具体实施方式
一种加载集总元件频率选择表面，主要由介质板、金属结构和集总元件组成。金属结构和集总元件加载在介质板表面。介质板表面结构部分是本发明的核心部分，合适地选择金属结构尺寸和集总元件实现FSS在两个频点上的增强效应。
结合图1，一种加载集总元件频率选择表面，包括介质基板2和紧贴于介质基板2上表面的内环金属贴片1-1、外环金属贴片1-2；
内环金属贴片1-1包括四片第一L型金属贴片，每个第一L型金属贴片的两条边垂直且边长相等，相邻两个第一L型金属贴片留有间隙，每个间隙设置有一个第一集总电感L2；四个第一L型金属贴片围成正方形金属环；
外环金属贴片1-2包括四片第二L型金属贴片，每个第二L型金属贴片的两条边垂直且边长相等，相邻两个第二L型金属贴片留有间隙，其中两个相邻的间隙设置有集总电容C，另外两个相邻的间隙设置有第二集总电感L1，四个第二L型金属贴片围成正方形金属环。
相邻两个第一L型金属贴片的间隙大小相同，相邻两个第二L型金属贴片的间隙大小相同。
进一步的，第一L型金属贴片和第二L型金属贴片的宽度相同。
进一步的，介质基板的介电常数为2.2。
进一步的，内外环之间的缝隙电容为：
Figure GDA0002622506050000021
式中，ε0为真空中的介电常数，εeff为介质板的有效介电系数，D为外环金属贴片围成正方形的边长，M为内环金属贴片围成正方形的边长，L为第一L型金属贴片和第L型金属贴片的宽度。
下面结合附图和实施例具体说明本发明内容。
实施例
如图2、图3所示，本发明主要由金属结构、集总元件和介质基板组成，实现两个频率的辐射。该表面满足以下特性：
Figure GDA0002622506050000031
Figure GDA0002622506050000032
Figure GDA0002622506050000033
Figure GDA0002622506050000034
Figure GDA0002622506050000035
式中，L内环为结构内环的等效电感，L外环左为结构外环左侧等效电感，L外环右为结构外金属环右侧等效电感。L1、L2为集总电感L1、L2的电感值，εeff为介质板的有效介电系数。μ0为真空中的磁导率，ε0为真空中的介电常数，εr为介质板介电系数，C缝隙为内外环之间的缝隙电容，S为外环金属贴片中相邻两个第二L型金属贴片间隙距离。
Figure GDA0002622506050000036
Figure GDA0002622506050000037
Figure GDA0002622506050000038
Figure GDA0002622506050000039
其中，f1为双频频率选择表面结构的低频谐振频率，f2为高频谐振频率，f1-stop为低频截止频率，f2-stop为高频截止频率，C为外环金属贴片中两个相邻第二L型金属贴片间隙加载的集总电容电容值。
本实施例中两个频率选取2.4GHz和5.25GHz，基板选取介电常数为2.2，厚度h为0.508mm的4003板材。
FSS主要尺寸参数如下：
D＝10mm,L＝1mm,S＝0.8mm,M＝6mm,h＝0.508mm,C＝1pF,L1＝2nH,L2＝5.6nH。
图4为设计的FSS在电磁仿真软件CST下仿真的S参数，在2.4G和5.25G两频点，S11都小于-20dB。
图5为设计的FSS在电磁仿真软件CST下仿真的S参数，在2.4G和5.25G两频点，S21都大于-0.1dB。
图6为设计的FSS在电磁仿真软件CST下仿真的角度扫描参数，在2.4G和5.25G两频点，倾斜入射对FSS性能影响不大。

Claims (2)

1.一种加载集总元件频率选择表面，其特征在于，包括介质基板(2)和紧贴于介质基板(2)上表面的内环金属贴片(1-1)、外环金属贴片(1-2)；
内环金属贴片(1-1)包括四片第一L型金属贴片，每个第一L型金属贴片的两条边垂直且边长相等，相邻两个第一L型金属贴片留有间隙，每个间隙设置有一个第一集总电感(L2)；四个第一L型金属贴片围成正方形金属环；
外环金属贴片(1-2)包括四片第二L型金属贴片，每个第二L型金属贴片的两条边垂直且边长相等，相邻两个第二L型金属贴片留有间隙，其中两个相邻的间隙设置有集总电容(C)，另外两个相邻的间隙设置有第二集总电感(L1)，四个第二L型金属贴片围成正方形金属环；
相邻两个第一L型金属贴片的间隙大小相同，相邻两个第二L型金属贴片的间隙大小相同，第一L型金属贴片和第二L型金属贴片的宽度相同；
该表面满足以下特性：
Figure FDA0002622506040000011
Figure FDA0002622506040000012
Figure FDA0002622506040000013
Figure FDA0002622506040000014
Figure FDA0002622506040000015
Figure FDA0002622506040000016
Figure FDA0002622506040000017
Figure FDA0002622506040000018
Figure FDA0002622506040000019
式中，L内环为内环金属贴片的等效电感，L外环左为外环金属贴片左侧的等效电感，L外环右为外环金属贴片右侧的等效电感；L1、L2分别为第二集总电感、第一集总电感的电感值，εeff为介质基板的有效介电系数；μ0为真空磁导率，ε0为真空介电常数，εr为介质基板的介电系数，C缝隙为内外环之间的缝隙电容；D为外环金属贴片围成正方形的边长，M为内环金属贴片围成正方形的边长，L为第一L型金属贴片和第二L型金属贴片的宽度；f1为双频频率选择表面结构的低频谐振频率，f2为双频频率选择表面结构的高频谐振频率，f1-stop为双频频率选择表面结构的低频截止频率，f2-stop为双频频率选择表面结构的高频截止频率；S为外环金属贴片中相邻两个第二L型金属贴片间隙距离，C为外环金属贴片中两个相邻第二L型金属贴片间隙加载的集总电容电容值。
2.根据权利要求1所述的加载集总元件频率选择表面，其特征在于，介质基板的介电常数为2.2。
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