CN109411894A - 一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，该频率选择表面是由介质基板加工而成的三维周期结构，包含一个方形同轴线波导和一个平行平板波导。其介质基板的表面有金属贴片，金属贴片在电磁波传播方向上的两端开有矩形槽，介质基底内的金属过孔连接两侧的金属贴片。平行平板波导形成了一个双模谐振器，产生一个包含两个传输极点的通带，并且由于两波导之间的相互作用，在通带附近产生了一个包含两个传输零点的宽阻带。本发明在双极化工作模式下具有低极化敏感性，可以通过改变其相关物理参数来控制通带和阻带的频率范围，实现双极化应用并且具有良好的入射角稳定性。

Description

一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面

技术领域

本发明属于电磁场与微波装置和结构，具体涉及一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)作为一种周期阵列，在过去的数十年间广泛应用于诸多领域。特别是在军事领域，FSS可以作为天线罩，有效减小各类配备有雷达传感器的飞机、导弹、卫星等的雷达散射截面，达到隐身目的，也可以作为卡塞格伦天线副反射器，减小星载天线的体积，构建多频段复用天线系统；还可以作为海军舰艇的隐身桅杆，将各类雷达、通信天线集成在其内部。在民用领域，FSS可以作为空间滤波器集成在建筑物中，提高室内无线的安全性、优化无线局域网的覆盖范围；还可以应用于新兴的射频能量采集和无线充电领域中。传统的具有简单结构的FSS很难做到陡峭的频率选择特性和宽的带外抑制特性，对通信质量有一定的影响，因此为有效保证频段内的信号低损耗传输，在通带外增加宽阻带来提升陡峭的频率选择特性和宽的带外抑制特性的FSS作为一种解决方案被提出。

目前大多数带通频率选择表面主要围绕多层二维频率选择表面级联、不同频率单元混合排列结构、分形结构以及互补结构展开设计，在实现频率选择特性的同时也存在一些问题，例如几何结构偏大、角度稳定性差和较高的加工精度要求等。因此，需要进一步设计一种具有陡峭的频率选择特性和宽的带外抑制特性的三维带通频率选择表面结构。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，实现了双极化应用并且具有良好的入射角稳定性。

技术方案：一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，包括具有片状金属贴片和片状介质基底的片状介质基板，内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板和金属过孔，所述频率选择表面包括具有两个传输极点的通带和具有两个传输零点的宽阻带，通过改变其物理参数来控制通带和阻带的频率范围。

进一步的，所述方形介质基板由金属方形槽孔和方形介质基底构成，片状介质基底的中间位置为金属过孔，所述金属过孔连接相邻单元的片状金属贴片；

进一步的，所述片状金属贴片两端开有相同尺寸的矩形缝隙。

进一步的，所述片状介质基板的周期单元之间设有高度为片状介质基板高度的二分之一且宽度等于片状介质基板厚度的矩形槽口；

进一步的，所述片状介质基底和方形介质基底为具有相同的相对介电常数的同种材质，其周期单元某一固定方向上的片状介质基板上端的中部开设小方槽，方形介质基板通过与方形介质基底相同的材料连接成长条形状；

更进一步的，所述频率选择表面中连接成长条形状且内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板与片状介质基板组合安装后具有对称的物理结构。

本发明中双面具有片状金属贴片的片状介质基板构成了平行平板波导并由此提供了一条电磁波传输路径，内壁镀有金属方形槽孔的介质基板提供了一条电磁波反射路径，这为通带和阻带的实现提供了基础。借助在片状介质基板的金属贴片两端开有适当尺寸和形状的缝隙，并且在片状介质基底的中间位置插入金属过孔，可以得到一个支持半波长谐振和四分之一波长谐振的双模谐振器，从而产生一个含两个传输极点的通带。

进一步，内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板与片状介质基板的金属贴片构成了方形同轴线波导并由此提供了一条电磁波反射路径，电磁波在这条路径末端发生反射从而产生一个传输零点。此外平行平板波导中的电磁波通过片状介质基板上所开缝隙与反射路径中的电磁波具有180°的相位差，电磁波在开缝处相互抵消产生另外一个传输零点，借助这两个传输零点可以在通带外产生了一个较宽的阻带，从而改善了带外抑制特性，大大提高了通带的频率选择性。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著效果在于，第一、利用结构对称性使其适用于双极化应用；第二、借助在片状介质基板的金属贴片两端开缝和在片状介质基板的中间位置插入金属过孔的方式增加了谐振模式，使得一条传输路径能产生含有两个传输极点的通带，这便于调整通带所处的频率范围；第三、本发明属于三维结构，不是将多层二维频率选择表面进行级联，而是在二维的基础上增加了一个方向的设计自由度；第四，本发明实现了结构的小型化，具有较高的角度稳定性，即在改变入射角角度的情况下仍具有较稳定的通带特性；第五，本发明在形成通带的同时也在带外产生了一个很宽的阻带，这大大提高了频率选择性和带外抑制特性；第五，本发明的物理结构可以使用PCB工艺实现，在保证各项性能的前提下加工简单、成本低廉，适用于工程应用。

附图说明

图1(a)为本发明以4×4单元为例的三维结构的斜上方视角图；

图1(b)为本发明以4×4单元为例的三维结构的斜下方视角图；

图2(a)为本发明的周期单元结构俯视图；

图2(b)为本发明的周期单元结构侧视图；

图3(a)为本发明双面具有片状金属贴片的片状介质基板进行组装示意图；

图3(b)为本发明内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板组装示意图；

图3(c)为本发明双面具有片状金属贴片的片状介质基板和内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板组装完成后的示意图；

图4为本发明在电磁波垂直入射时经电磁全波仿真得到的传输系数和反射系数图；

图5(a)为本发明在TE入射波的不同入射角度下经电磁全波仿真得到的传输系数和反射系数图；

图5(b)为本发明在TM入射波的不同入射角度下经电磁全波仿真得到的传输系数和反射系数图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明功公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。

本具体实施方式公开了一种以4×4单元为例的一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其三维结构的斜上方视角图和斜下方视角图分别如图1(a)和图1(b)所示，包括双面具有金属贴片的片状介质基板1，内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板2和片状介质基板1上的金属过孔3，很明显，该周期结构具有对称性。本频率选择表面采用PCB工艺进行加工，两种介质基板中介质基底的相对介电常数ε_r＝3.55。

如图2(a)和图2(b)所示的分别是本发明一个周期单元的俯视图和侧视图，平行平板波导介质基板的导体由片状介质基板1上的片状金属贴片101构成，该路径的介质层为片状介质基底102。片状金属贴片101两端开有相同尺寸的矩形缝隙，片状介质基底102的中间位置插入了一个连接相邻单元片状金属贴片101的金属过孔3。方形同轴线路径的内导体由方形介质基板2上的金属方形槽孔201构成，该路径的介质层为方形介质基底202。双面具有金属贴片的片状介质基板1的高度h＝26mm，厚度p＝2.5mm，片状金属贴片101两端所开矩形缝隙的高度h₁＝6.7mm、宽度w＝2.4mm,金属过孔3的直径Φ＝1.5mm。方形介质基板2的外圈边长a＝8mm，内圈方形金属槽孔201的边长b＝5mm，高度h₂＝2.8mm。

本发明还公开了一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面的实现方法，该方法包括：

(1)根据需要的周期数在一定尺寸的双面具有金属贴片的片状介质基板1上完成钻孔和镀金属工艺，并将金属贴片在电磁波传播方向上的两端开出所需尺寸的矩形槽；

(2)如图3(a)所示，为方便后期的安装，须在周期单元之间留有高度为h/2，宽度与片状介质基板1厚度p相等的矩形槽口，安装时卡紧并保证端口平齐；

(3)片状介质基底102和方形介质基底202为同种材料且具有相同的相对介电常数，故可以选取周期单元某一固定方向上的片状介质基板，在其上端的中部开一个小方槽，便于方形介质基板2的安装。

(4)由于片状介质基板1上这一对小方槽的设计，可以沿某一方向通过与方形介质基底202相同的材料将方形介质基板2连接成如图3(b)所示的长条形状，这不仅节省了将方形介质基板2分成每一个小部件进行安装的时间，也减少了安装带来的误差和所需零件的相对数量。

(5)按如图3(b)所示的方式将内壁镀有金属方形槽孔的方形介质基板2安装到组装好的片状介质基板1上。

(6)完成组装之后的示意图如图3(c)所示。

图4为本发明在电磁波垂直入射时经电磁全波仿真得到的传输系数和反射系数图。通过该图可以看出，构成通带的两个传输极点分别位于2.84GHz和3.09GHz，中心频率为2.96GHz。在3.81GHz到7.13GHz频段内阻带的抑制深度超-15dB(S₂₁<-15dB)，相对带宽达61％，具有较强的实用性。

图5(a)和图5(b)为本发明在不同极化模式和不同入射角度下经电磁全波仿真得到的传输系数和反射系数图。图5(a)是TE极化模式下，入射角角度分别为0°，20°和40°时的传输系数和反射系数图；图5(b)是TM极化模式下，入射角角度分别为0°，20°和40°时的传输系数和反射系数图。通过对比可以看出，在双极化模式下和一定的角度范围内，本发明产生的通带和阻带都具有较为稳定的特性。

本发明以方形同轴线波导和平行平板波导为基础设计了一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，可以实现一个具有较高频率选择性的通带和一个低极化敏感性的宽阻带，且可以通过改变相关物理参数来控制通带和阻带所处的频率范围。本发明通过设计和组合部件实现了三维频率选择表面的物理结构，在双极化工作模式实现了更稳定的阻带特性、更陡峭的频率选择特性，同时满足小型化、简单化和轻量化的需求。

Claims (6)

1.一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其特征在于：包括具有片状金属贴片(101)和片状介质基底(102)的片状介质基板(1)，内壁镀有金属方形槽孔(201)的方形介质基板(2)和金属过孔(3)，所述频率选择表面包括具有两个传输极点的通带和具有两个传输零点的宽阻带，通过改变其物理参数来控制通带和阻带的频率范围。

2.根据权利要求1所述的一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其特征在于：所述方形介质基板(2)由金属方形槽孔(201)和方形介质基底(202)构成，片状介质基底(102)的中间位置为金属过孔(3)，所述金属过孔(3)连接相邻单元的片状金属贴片(101)。

3.根据权利要求2所述的一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其特征在于：所述片状金属贴片(101)两端开有相同尺寸的矩形缝隙。

4.根据权利要求1所述的一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其特征在于：所述片状介质基板(1)的周期单元之间设有高度为片状介质基板(1)高度的二分之一且宽度等于片状介质基板(1)厚度的矩形槽口。

5.根据权利要求1所述的一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其特征在于：所述片状介质基底(102)和方形介质基底(202)为具有相同的相对介电常数的同种材料，其周期单元任一固定方向上的片状介质基板(1)上端的中部开设小方槽，方形介质基板(2)通过与方形介质基底(202)相同的材料连接成长条形状。

6.根据权利要求1或5所述的一种双极化宽带外抑制三维频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面的长条形状且内壁镀有金属方形槽孔(201)的方形介质基板(2)与片状介质基板(1)组合安装后具有对称的物理结构。