CN109301492A - 宽频带频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带的频率选择表面，主要解决现有技术解决插入损耗大，角度稳定性差的问题。其由多层介质板叠加组成，每层介质板上印制有M×N个谐振单元，这些谐振单元按周期分布组成阵列，其中：第一层介质板(1)、第三层介质板(3)的上表面及第四层介质板(4)的下表面的每个单元谐振为圆形金属贴片；第二层介质层(2)上表面和第四层介质板(4)上表面的每个谐振单元为变形十字形结构金属贴片，该变形十字形结构的中心为圆环形。本发明能够覆盖X波段，具有宽频带、高透波、带外陡降和高截止特性，在5GHZ‑13GHZ的工作频段内，提高了角度的稳定性，减小了工作频带内的插入损耗，可用于雷达罩、通信及隐身场景。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种宽频带频率选择结构，可用于雷达罩、通信及隐身场景。
背景技术
随着通信、雷达罩等新型技术的飞速发展，具有高透波、带外陡降和高截止等特性的宽带频率选择结构已经成为新的研究热点。在通信信息领域，如何降低雷达的反射截面面积成为了雷达设计中的关键问题。随着雷达的发展与进步，雷达可以涉及到多个频段范围，如L频段，S频段，X频段等。基于频率选择表面的雷达罩可以实现在工作频带内高通透，工作频段外高反射的功能，在降低雷达的反射截面面积中扮演着重要的角色。频率选择表面是指由大量无源谐振单元组成的单层或多层周期性阵列结构，无源谐振单元的拓补结构形状决定了频率选择表面对空间电磁波的响应。到目前为止，有大量的研究人员进行了关于宽频带频率选择表面的研究，一款具有宽频带、高透波、带外陡降和高截止等特性，能够覆盖X波段的宽频带频率选择表面成为迫切的需要。
2012年出版的电子期刊中，H.Zhou,S.-B.Qu,J.-F.Wang,B.-Q.Lin,H.Ma,Z.Xu,P.Bai and W.-D.Peng等人在其发表的论文“Ultra-wideband frequency selectivesurface”(ELECTRONICS LETTERS 5th January 2012Vol.48No.1)中公开了一款多介质层叠加的宽频带频率选择表面。该频率选择表面可以很好的覆盖5.85GHZ-18.45GHZ频段，但是其角度稳定性不高，只能入射到30°入射角，工作频带的插入损耗高达-3dB,导致频率选择表面入射波损耗较大，影响其工作频段中通带的性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种宽频带频率选择表面，以在5GHZ-13GHZ的工作频段内，提高角度的稳定性，减小工作频带内的插入损耗，使入射角提高到70°，插入损耗减小到1.3dB以下。
为实现上述目的，本发明是由多层介质板叠加组成，每层介质板均印制有金属贴片，其特征在于：
第一层介质板上表面印制的第一金属贴片为圆形；
第二层介质层上表面印制的第二金属贴片为变形的十字形结构，该十字形结构的竖直分支与水平分支相交中心为圆环形；
第三层介质板上表面印制的第三金属贴片与第一金属贴片相同；
第四层介质板上表面印制的第四金属贴片与第二金属贴片结构相同；下表面印制的第五金属贴片与第一金属贴片相同。
进一步，所述第二金属贴片水平分支的长度L1与其竖直分支的长度L2相同，两分支相交中心圆环形的半径R1为L1的0.24倍，且两分支的宽度与圆环的宽度相同。
进一步，所述第一金属贴片的半径R2为介质板长度D的0.385倍。
进一步，所述第一层介质板(1)、第二层介质层(2)、第三层介质板(3)和第四层介质板(4)均采用厚度t为0.8mm，相对介电常数ε'＝3.55、相对磁导率μ'＝1、电损耗角正切tanδD＝0.0027、磁损耗角正切tanδM＝0的RO4003材料。
进一步，所述第一层介质板、第二层介质层、第三层介质板和第四层介质板自上而下粘合为一体，形成上、下均为圆形金属贴片的宽频带频率选择表面。
本发明具有以下优点：
1、本发明由于第一层圆形金属贴片，第三层圆形金属贴片和第五层金属贴片均采用圆形中心对称的结构，增加了宽频带频率选择表面的角度稳定性。
2、本发明由于第二层金属贴片和第四层金属贴片均采用了变形的十字型贴片，且十字型中心用环形代替十字型分支的交点，可在高频段激励出一个新的谐振点，与现有技术无源谐振单元采用的十字型结构相比，在高频处可出具有带外陡降和高截止的特性。
3、本发明由于多层金属贴片从上而下依次叠加，没有引入空气层的厚度，减小结构厚度，所以使宽频带频率选择表面的插入损耗降低。
仿真结果表面，本发明可将入射角提高到70°，插入损耗减小到1.3dB以下。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1中第一介质层的结构示意图；
图3是图1中第二介质层的结构示意图；
图4是图1中第三介质层的结构示意图；
图5是图1中第四介质层的结构示意图；
图6是图1中第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层的侧面刨分图；
图7是本发明实施例1是从第1端口传输到第2端口的S21传输曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例及效果做进一步详细描述。
参照图1，本实施例是一种具有宽频带特性的频率选择表面，是由第一层介质层1、第二层介质层2、第三层介质层3和第四层介质层4从上到下依次叠加组成，每层介质层采用厚度t为0.8mm、相对介电常数ε'＝3.55、相对磁导率μ'＝1、电损耗角正切tanδD＝0.0027、磁损耗角正切tanδM＝0的RO4003材料；每层介质层上均设有由M×N个谐振单元组成的阵列，谐振单元中心间距即单元周期D为7.8mm～7.9mm，本实例取但不限于D＝7.8mm，其中M≥7，N≥7。
参照图2，所述第一层介质板1，其上表面设有由7×7个谐振单元11组成的阵列；每个谐振单元11为圆形金属贴片，圆形金属贴片的半径为R1为2.9mm～3.1mm，本实例取但不限于R1＝3mm。
参照图3第二层介质板2，其上表面设有由7×7个谐振单元21组成的阵列，每个谐振单元是由变形的十字金属贴片组成，该变形的十字金属贴片由竖直分支211、水平分支212和中心圆环形金属贴片213组成，圆环形213位于竖直分支211与水平分支212相交中心；水平分支211的长度L1为3.25mm～3.45mm，宽度w1为0.2mm～0.3mm，本实例取但不限于L1＝3.35mm，w1＝0.25mm；竖直分支212的尺寸与水平分支211相同，两分支相交中心圆环形213的半径R2为0.75mm～0.85mm，本实例取但不限于R2＝0.8mm，中心圆环形213的宽度w3与水平分支211的宽度w1相同。
参照图4，所述第三层介质板3，其上表面设有由7×7个谐振单元31组成的阵列，每个谐振单元31为圆形金属贴片，该圆形的金属贴片的半径R3大小与第一层的谐振单元11半径R1的大小相同。
参照图5，第四层介质板4，其上表面设有由7×7个谐振单元41组成的阵列，每个谐振单元是由变形的十字金属贴片组成，该变形的十字金属贴片由竖直分支411、水平分支412和中心圆环形金属贴片413组成，圆环形413位于竖直分支411与水平分支412相交中心；水平分支411的长度为L3，宽度为w4；竖直分支412的长度为L4，宽度为w5；两分支相交中心圆环形413的半径为R4，中心圆环形413的宽度为w6；该变形的十字型金属贴片的大小与第二层的谐振单元21的大小相同，如图5(a)。该第四层介质板4的下表面设有由7×7个谐振单元51组成的阵列，每个谐振单元51为圆形金属贴片，该圆形的金属贴片的半径R5的大小与第一层的谐振单元11半径R1的大小相同，如图5(b)。
参照图6，所述第一层介质板1的下表面与第二层介质层2的上表面相粘，第二层介质板2的下表面与第三层介质板3的上表面相粘，第三层介质板3的下表面与第四层介质板4的上表面相粘，形成上、下面均有7×7个圆形金属贴片周期排列的宽频带频率选择表面。
本发明的效果可结合以下仿真结果作进一步说明：
利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例在不同入射角度下，其插入损耗随着频率变化的曲线，结果如图7所示。从图7可见：
当入射角为0°时，宽频带频率选择表面在1-4.75GHZ与13.59-18.75GHZ的带外工作频率范围内，插入损耗大于等于8dB；在6.6-13.27GHZ的带内工作频率范围内，插入损耗小于等于1dB；
当入射角为30°时，宽频带频率选择表面在1-4.61GHZ与13.73-18.32GHZ的带外工作频率范围内，插入损耗大于等于8dB，在6.62-13.39GHZ的带内工作频率范围内，插入损耗小于等于1dB；
当入射角为50°时，宽频带频率选择表面在1-4.87GHZ与13.61-18.13GHZ的带外工作频率范围内，插入损耗大于等于8dB，在6.6-13.29GHZ的带内工作频率范围内，插入损耗小于等于1dB；
当入射角为70°时，宽频带频率选择表面在1-4.24GHZ与13.69-17.56GHZ的带外工作频率范围内，插入损耗大于等于8dB，在6.8-13.34GHZ的带内工作频率范围内，插入损耗小于等于1.3dB。
仿真结果表明，本实例的宽频带频率选择表面覆盖X波段，具有高透波、带外陡降和高截止的优点。
以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有宽频带特性的频率选择表面，是由多层介质板叠加组成，每层介质板上印制有M×N个谐振单元，其中M≥7，N≥7，这些谐振单元按周期分布组成阵列，其特征在于：
第一层介质板(1)上表面的每个谐振单元(11)为圆形金属贴片；
第二层介质层(2)上表面的每个谐振单元(21)为变形十字形结构金属贴片，该变形十字形结构的竖直分支(211)与水平分支(212)相交中心为圆环形(213)；
第三层介质板(3)上表面的每个谐振单元(31)与第一层介质板的每个谐振单元(11)相同；
第四层介质板(4)上表面的每个谐振单元(41)与第二介质层每个谐振单元(21)结构相同；下表面的每个谐振单元(42)与第一层介质板的每个谐振单元(11)相同。
2.根据权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于：第二金属贴片(21)水平分支(211)的长度L1与其竖直分支(212)的长度L2相同，两分支相交中心圆环形(213)的半径R1为L1的0.24倍，且两分支的宽度与圆环(213)的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于：所述圆形金属片的半径R2为2.9mm～3.1mm。
4.根据权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于：第一层介质板(1)、第二层介质层(2)、第三层介质板(3)和第四层介质板(4)均采用厚度t为0.8mm，相对介电常数ε'＝3.55、相对磁导率μ'＝1、电损耗角正切tanδD＝0.0027、磁损耗角正切tanδM＝0的RO4003材料。
5.根据权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于：每层介质板阵列的谐振单元中心间距即单元周期D为7.8mm～7.9mm。
6.根据权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于：第一层介质板(1)、第二层介质层(2)、第三层介质板(3)和第四层介质板(4)自上而下粘合为一体，形成上、下均为圆形金属贴片的宽频带频率选择表面。
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