CN109149118B - 一种新型多频段频率选择表面单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频全金属频率选择表面单元，其为全金属3D结构，由其周期性排列构成的全金属阵列结构则具有Ku频段低Q值带通特性，而在X、Ka频段表现为带阻特性。该单元主要由波导栅格、振子结构组成，其中波导栅格结构构成了该单元的整体包络结构，并提供了该单元的低频(X频段)截止特性，而所嵌入的振子结构使该单元具有了脊波导传输线特征与折子谐振特性，实现了Ku频段的带通特性与Ka频段的带阻特性。波导栅格与振子结构通过中心支撑振子直接连接，实现了该单元的全金属化与自支撑一体化，而其特殊的3D全金属结构，实现了大频率跨度的双阻带性能与宽带带通特性的频率选择性能。
Description
技术领域
本发明属于天线、微波技术领域，尤其涉及一种新型多频段频率选择表面单元。
背景技术
随着天线技术、卫星应用的不断发展，以及相关空间科学与应用不断广泛和深入，对无线系统所能完成的功能要求越来越多，这就要求系统中的天线具有能够实现多种功能的能力或能够根据不同应用实现对应的性能指标，仅仅通过增加天线数量来增加天线功能或性能已经无法满足越来越复杂的空间任务要求，且系统对多频段天线性能的需要越发迫切，而发展多频段频率选择表面技术是实现多频工作天线、增强天线能力以及应对复杂系统应用挑战的一种办法。
为了满足特殊的功率工作模式，常要求天线器件不能应用介质材料，需要天线器件为全金属结构，且各部分为自支撑结构设计，以满足功率系统对天线的高效传输与辐射功率的需要。功率系统对大频率跨度频率选择响应的特殊要求，传统的平面(2D)结构频率选择表面很难实现4倍频跨度的频率选择性能，所以要求该器件需要增加一维的设计自由度，即具有3D结构。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型多频段频率选择表面单元，实现了振子结构的自支撑，同时实现了所需要的频率选择特性，消除了传统频率选择表面中的介质材料在温变或功率条件下发生表面施气进而导致功率击穿的风险。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种新型多频段频率选择表面单元，包括：波导栅格和振子结构；其中，所述振子结构由四个E型振子组成，四个E型振子设置于所述波导栅格内，并且四个E型振子并以波导栅格中心线为中心进行对称排列。
上述新型多频段频率选择表面单元中，每个E型振子包括第一外侧振子、第二外侧振子、中心振子和连接臂；其中，每个E型振子通过中心振子的末端与波导栅格的相对应的波导壁相连接；第一外侧振子和第二外侧振子分别处于波导栅格的双向开口方形波导结构的外侧；第一外侧振子、第二外侧振子和中心振子均与连接臂相连接，连接臂与波导壁平行；第一外侧振子、第二外侧振子和中心振子相互平行。
上述新型多频段频率选择表面单元中，振子结构中的4个E型振子在波导栅格中心区域构成了间隙。
上述新型多频段频率选择表面单元中，波导栅格的双向开口方形波导结构构成了该单元的整体包络结构，并提供了该单元的低频截止特性，波导栅格内嵌入的振子结构使该单元具有了脊波导传输线特征与折子谐振特性，进而获得了Ku频段的带通特性与Ka频段的带阻特性。
上述新型多频段频率选择表面单元中，波导栅格中的方形波导结构尺寸a使方形波导结构与振子结构组成的脊波导在X频段为截止，且a为λKu/2，其中，λKu为Ku频段自由空间波长。
上述新型多频段频率选择表面单元中，波导栅格的长度L为方形波导结构与振子结构组成的脊波导在Ku频段的四分之一基模波导波长λg。
上述新型多频段频率选择表面单元中，第一外侧振子的长度L1、第二外侧振子长度L2和中心振子的长度L3均为λKu/5，其中，λKu为Ku频段自由空间波长。
上述新型多频段频率选择表面单元中，所述E型振子的宽度b小于λKa/20。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用频率选择表面单元中的波导栅格振子结构一体化实现了频率选择表面的全金属化，消除了传统频率选择表面中的介质材料在温变或功率条件下发生表面施气进而导致功率击穿的风险；
(2)本发明使用的结构中新增的E型振子的中心振子，实现了振子结构的自支撑，同时实现了所需要的频率选择特性，实现了工程需要的良好的超宽频带内的频率选择特性，技术优势明显，所应用的基本技术合理可行，具有工程化应用价值。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的新型多频段频率选择表面单元的结构示意图1；
图1-1是本发明实施例提供的新型多频段频率选择表面单元的结构示意图2；
图2(a)是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的结构剖视图1；
图2(b)是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的结构剖视图2；
图3是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元组成的频率选择表面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的多频段频率选择表面的频率选择特性示意图；
图5是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的三元阵结构示意图；
图6是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的立体示意图；
图7是本发明实施例提供的振子结构的立体示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的新型多频段频率选择表面单元的结构示意图；图1-1是本发明实施例提供的新型多频段频率选择表面单元的另一结构示意图；图6是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的立体示意图。如图1、图1-1和图6所示，该新型多频段频率选择表面单元包括：波导栅格1和振子结构2；其中，振子结构2由四个E型振子21组成(如图7所示)，四个E型振子21设置于波导栅格1内，并以波导栅格1中心线为中心进行对称排列。
图2(a)是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的结构剖视图；图2(b)是本发明实施例提供的多频段频率选择表面单元的另一结构剖视图。如图2(a)和图2(b)所示，每个E型振子21由第一外侧振子211、第二外侧振子212、中心振子213和连接臂214组成。其中，
每个E型振子21通过中心振子213的末端与波导栅格1的相对应的波导壁相连接；第一外侧振子211和第二外侧振子212分别处于波导栅格1的双向开口方形波导结构的外侧；第一外侧振子211、第二外侧振子212和中心振子213均与连接臂214相连接，连接臂214与波导壁平行；第一外侧振子211、第二外侧振子212和中心振子213相互平行。
波导栅格1的口径尺寸由低端的所要反射频率和带通频率来决定。在本设计实例中，X、Ka频段为阻带，Ku频段为通带。波导栅格1中的方形波导结构尺寸a应使方形波导结构与振子结构2组成的脊波导在X频段为截止，且a应约为λKu/2，而波导栅格1的长度则约(一般为略小)为方形波导结构与振子结构2组成的脊波导在Ku频段的四分之一基模波导波长λg。第一外侧振子211、第二外侧振子212和中心振子213的长度则均由Ku频段来决定，约略小于λKu/4，而连接臂214中连接第一外侧振子211与中心振子213的长度要求略小于λKa/4，而连接臂214中连接第二外侧振子212与中心振子213的长度则由波导栅格1的长度和连接外侧振子突出高度来确定，并通过优化结构参数实现了在Ku频段具有较宽带宽的通带，而在X、Ka频段为阻带。振子结构2的方形横截面要求远远小于工作波长，约为λKa/20。
图3是以本发明的新型多频段频率选择表面单元按照M×N栅格式排列组成的多频段频率选择表面结构示意图，该频率选择表面在Ku频段具有一定带宽(较低Q值)的通带特性，并能实现在X、Ka频段的阻带，见图4。由于该全金属3D-FSS基于波导栅格结构，其低频截止特性保证了不仅能够实现X、Ka频段的带阻特性，且对于X频段(约9GHz)以下的C、S、L等频段都具有带阻特性，所以该全金属3D-FSS是具有多频段特性的全金属频率选择表面。
具体地，为了验证该全金属3D-FSS在窄脉冲下的功率传输特性，采用波导模拟器方式对该全金属3D-FSS结构模型进行时域分析，模拟其在22.4°入射角下的Ku频段窄脉冲功率传输特性。在背景应用脉冲工作模式下，在Ku频段也具有良好的时域传输特性，时域窗口滤波损失不明显。根据该全金属3D-FSS加工了测试试样(三元阵，见图5)，并通过波导模拟器法对其进行了测试，验证了其频率选择特性与工程可实现性。这样，该新型频全金属频率选择表面单元，通过应用波导栅格振子结构一体化设计，基于3D结构的全金属实现方式，实现了Ku频段为带通特性而在X、Ka频段为带阻特性的频率选择特性，克服了一般频率选择表面中介质材料的应用导致的温变或功率条件下发生表面施气风险的问题。而且由于其特殊的3D全金属结构，实现了大频率跨度的双阻带性能与宽带带通特性，其设计思想与单元结构具有新颖性。
该新型多频段频率选择表面单元可以应用到多种无线系统中，特别是推动和开拓了相关天线应用以及电磁兼容问题解决方案。该新型多频段频率选择表面单元不仅可以作为多频天线的实现手段，用于多频功率合成器件进行天线中多频信号的分离与合成，也能够用于作为频率选择器件根据电磁环境与应用需要进行电磁波的隔离与导通。该发明所涉及的新型多频段频率选择表面单元，由于为全金属结构，只存在金属的欧姆损耗，而不存在介质材料的具有频率依赖性的极化损耗(频率越高，极化损耗越大)，不仅可以作为功率发射系统中的天线部件进行应用，也可以作为应用频率选择表面的多频天线中高频损耗的改进措施。该天线也可以作为星载天线的重要技术手段，应用到有限布局空间下各类通信、SAR天线设计中，是新一代多频空间天线的基础技术支撑。
该新型多频段频率选择表面单元基于自身方案特点，无需介质支撑材料的实现，具有实现方案新颖、微波功率击穿风险低、无孤立导体、性能优良等特点，具有很强的实用性和技术转让竞争力。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种新型多频段频率选择表面单元，其特征在于包括：波导栅格(1)和振子结构(2)；其中，
所述振子结构(2)由四个E型振子(21)组成，四个E型振子(21)设置于所述波导栅格(1)内，并且四个E型振子(21)并以波导栅格(1)中心线为中心进行对称排列；
每个E型振子(21)包括第一外侧振子(211)、第二外侧振子(212)、中心振子(213)和连接臂(214)；其中，
每个E型振子(21)通过中心振子(213)的末端与波导栅格(1)的相对应的波导壁相连接；
第一外侧振子(211)和第二外侧振子(212)分别处于波导栅格(1)的双向开口方形波导结构的外侧；
第一外侧振子(211)、第二外侧振子(212)和中心振子(213)均与连接臂(214)相连接，连接臂(214)与波导壁平行；
第一外侧振子(211)、第二外侧振子(212)和中心振子(213)相互平行；
振子结构(2)中的4个E型振子(21)在波导栅格(1)中心区域构成了间隙。
2.根据权利要求1所述的新型多频段频率选择表面单元，其特征在于：波导栅格(1)的双向开口方形波导结构构成了该单元的整体包络结构，并提供了该单元的低频截止特性，波导栅格(1)内嵌入的振子结构(2)使该单元具有了脊波导传输线特征与折子谐振特性，进而获得了Ku频段的带通特性与Ka频段的带阻特性。
3.根据权利要求1所述的新型多频段频率选择表面单元，其特征在于：波导栅格(1)中的方形波导结构尺寸a使方形波导结构与振子结构(2)组成的脊波导在X频段为截止，且a为λKu/2，其中，λKu为Ku频段自由空间波长。
4.根据权利要求1所述的新型多频段频率选择表面单元，其特征在于：波导栅格(1)的长度L为方形波导结构与振子结构(2)组成的脊波导在Ku频段的四分之一基模波导波长λg。
5.根据权利要求1所述的新型多频段频率选择表面单元，其特征在于：第一外侧振子(211)的长度L1、第二外侧振子(212)长度L2和中心振子(213)的长度L3均为λKu/5，其中，λKu为Ku频段自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的新型多频段频率选择表面单元，其特征在于：所述E型振子(21)的宽度b小于λKa/20。
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