CN109599679B - 一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，包括有介质支撑层，介质支撑层的两侧面分别贴附有第一金属单元层和第二金属单元层，第一金属单元层包括至少一个第一金属单元结构，第二金属单元层包括至少一个第二金属单元结构。本发明的一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，能在形状简单、面积小的同时在UWB(3.1GHz‑10.6GHz)频段内实现反射，其他频段内实现透射。

Description

一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构。
背景技术
频率选择表面(FSS)由周期性排列的金属贴片或孔径单元组成。针对不同频率的电磁波，具有反射或透射作用，可看做是一种空间滤波器。当电磁波入射到其表面时，在其频率通带内，电磁波通过频率选择表面；在其阻带范围内，电磁波被反射回去，完成频率和极化的选择特性。利用其频率选择性，FSS在滤波器、天线增益增强、雷达散射截面积(RCS)缩减、超宽带多入多出(UWB–MIMO)天线阵列等领域得到了广泛的应用。
FSS结构对不同频率的电磁波入射表现出不同的选择作用，其最基本的因素是对于FSS形状的选择，以及尺寸的控制，要求FSS结构能够在形状简单、面积小的同时在指定频段具有良好的频率选择特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，能在形状简单、面积小的同时在UWB(3.1GHz-10.6GHz)频段内实现反射，其他频段内实现透射。
本发明所采用的技术方案是，一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，包括有介质支撑层，介质支撑层的两侧面分别贴附有第一金属单元层和第二金属单元层，第一金属单元层包括至少一个第一金属单元结构，第二金属单元层包括至少一个第二金属单元结构。
本发明的特征还在于，
第一金属单元结构包括贴附在介质支撑层一侧面的第一正四边形环状内贴片和第一正四边形环状外贴片，第一正四边形环状内贴片和第一正四边形环状外贴片中心相同且第一正四边形环状外贴片将第一正四边形环状内贴片包围在其内侧，第一正四边形环状外贴片和第一正四边形环状内贴片的四个侧边彼此相对应且不接触设置，第一正四边形环状外贴片和第一正四边形环状内贴片每对对应的边之间均设置有第一矩形贴片，每个第一矩形贴片的两侧边分别与第一正四边形环状内贴片外壁和第一正四边形环状外贴片内壁相接，且四个第一矩形贴片均设置在第一正四边形环状内贴片和第一正四边形环状外贴片边长的中心位置处，第一矩形贴片贴附在介质支撑层一侧面。
若第一金属单元层包括有多个第一金属单元结构，则多个第一金属单元结构的排列方式为：按照N*M周期性矩阵式一个紧挨一个排列在设定的介质支撑层上，N＞1,M＞1。
第二金属单元结构包括贴附在介质支撑层一侧面的第二正四边形环状内贴片和第二正四边形环状外贴片，第二正四边形环状内贴片和第二正四边形环状外贴片中心相同且第二正四边形环状外贴片将第二正四边形环状内贴片包围在其内侧，第二正四边形环状外贴片和第二正四边形环状内贴片的四个侧边彼此相对应且不接触设置，第二正四边形环状外贴片和第二正四边形环状内贴片每对对应的边之间均设置有第二矩形贴片，每个第二矩形贴片的两侧边分别与第二正四边形环状内贴片外壁和第二正四边形环状外贴片内壁相接，且四个第二矩形贴片均设置在第二正四边形环状内贴片和第二正四边形环状外贴片边长的中心位置处，第二矩形贴片贴附在介质支撑层一侧面。
若第二金属单元层包括有多个第二金属单元结构，则多个第二金属单元结构的排列方式为：按照N*M周期性矩阵式一个紧挨一个排列在设定的介质支撑层上，N＞1,M＞1。
第一金属单元层包括的第一金属单元结构的数量与第二金属单元层包括的第二金属单元结构的数量相同，第一金属单元层的所有第一金属单元结构的组合和第二金属单元层的所有第二金属单元结构的组合的谐振频率与UWB频率相同，均为：3.1GHz～10.6GHz。
介质支撑层的厚度不超过超宽带天线所发射电磁波四分之一的波长，介质支撑层采用介电常数为10.2的材料。
本发明的有益效果是：
频率选择表面直接在介质支撑层上蚀刻金属单元层，通用加工工艺即可满足，且介质板材为市场通用基板，成本较低，易批量生产；本发明中的金属单元层采用新型的金属单元结构，该金属单元结构的结构简单、工整，易于建模，加工难度低，通用加工工艺即可满足精度要求；频率选择表面尺寸很小，介质支撑层为6.25mm×6.25mm，贴附金属单元层，金属单元层尺寸约为0.14波长(对应频率6.5GHz)，工作带宽满足UWB频率范围要求；频率选择表面能够在较少的重复结构内完成频率选择效果，在特定频率(UWB，3.1GHz-10.6GHz)频段内实现电磁波反射，其他频段内实现透射，进而改善超宽带天线各方面的性能。
附图说明
图1是本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构的上表面结构示意图；
图2是本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构的下表面结构示意图；
图3是本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构中第一金属单元结构的一种排布图；
图4是本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构中第二金属单元结构的一种排布图；
图5是实施例的频率选择表面结构的频率响应曲线。
图中，1.介质支撑层，2.第一金属单元层，3.第一金属单元结构，4.第一正四边形环状内贴片，5.第一正四边形环状外贴片，6.第一矩形贴片，7.第二金属单元层，8.第二金属单元结构，9.第二正四边形环状内贴片，10.第二正四边形环状外贴片，11.第二矩形贴片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，如图1-图2所示，包括有介质支撑层1，介质支撑层1的两侧面分别贴附有第一金属单元层2和第二金属单元层7，第一金属单元层2包括至少一个第一金属单元结构3，第二金属单元层7包括至少一个第二金属单元结构8。
第一金属单元结构3包括贴附在介质支撑层1一侧面的第一正四边形环状内贴片4和第一正四边形环状外贴片5，第一正四边形环状内贴片4和第一正四边形环状外贴片5中心相同且第一正四边形环状外贴片5将第一正四边形环状内贴片4包围在其内侧，第一正四边形环状外贴片5和第一正四边形环状内贴片4的四个侧边彼此相对应且不接触设置，第一正四边形环状外贴片5和第一正四边形环状内贴片4每对对应的边之间均设置有第一矩形贴片6，每个第一矩形贴片6的两侧边分别与第一正四边形环状内贴片4外壁和第一正四边形环状外贴片5内壁相接，且四个第一矩形贴片6均设置在第一正四边形环状内贴片4和第一正四边形环状外贴片5边长的中心位置处，第一矩形贴片6贴附在介质支撑层1一侧面。
如图3所示，若第一金属单元层2包括有多个第一金属单元结构3，则多个第一金属单元结构3的排列方式为：按照N*M周期性矩阵式一个紧挨一个排列在设定的介质支撑层1上，N＞1,M＞1。
第二金属单元结构8包括贴附在介质支撑层1一侧面的第二正四边形环状内贴片9和第二正四边形环状外贴片10，第二正四边形环状内贴片9和第二正四边形环状外贴片10中心相同且第二正四边形环状外贴片10将第二正四边形环状内贴片9包围在其内侧，第二正四边形环状外贴片10和第二正四边形环状内贴片9的四个侧边彼此相对应且不接触设置，第二正四边形环状外贴片10和第二正四边形环状内贴片9每对对应的边之间均设置有第二矩形贴片11，每个第二矩形贴片11的两侧边分别与第二正四边形环状内贴片9外壁和第二正四边形环状外贴片10内壁相接，且四个第二矩形贴片11均设置在第二正四边形环状内贴片9和第二正四边形环状外贴片10边长的中心位置处，第二矩形贴片11贴附在介质支撑层1一侧面。
如图4所示，若第二金属单元层7包括有多个第二金属单元结构8，则多个第二金属单元结构8的排列方式为：按照N*M周期性矩阵式一个紧挨一个排列在设定的介质支撑层1上，N＞1,M＞1。
第一金属单元层2包括的第一金属单元结构3的数量与第二金属单元层7包括的第二金属单元结构8的数量相同，第一金属单元层2的所有第一金属单元结构3的组合和第二金属单元层7的所有第二金属单元结构8的组合的谐振频率与UWB频率相同，均为：3.1GHz～10.6GHz。
介质支撑层1的厚度不超过超宽带天线所发射电磁波四分之一的波长，介质支撑层1采用介电常数为10.2的材料。
本发明在使用将本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构布置于超宽带天线的下方，具体距离超宽带天线的远近视具体超宽带天线决定，整个频率选择表面结构内第一金属单元结构3和第二金属单元结构8的数量视具体超宽带天线所决定设置一对或者多对。
实施例
本发明一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，如图1-图2所示，包括有介质支撑层1，介质支撑层1的两侧面分别贴附有第一金属单元层2和第二金属单元层7，第一金属单元层2包括一个第一金属单元结构3，第二金属单元层7包括一个第二金属单元结构8。
第一金属单元结构3包括贴附在介质支撑层1一侧面的第一正四边形环状内贴片4和第一正四边形环状外贴片5，第一正四边形环状内贴片4和第一正四边形环状外贴片5中心相同且第一正四边形环状外贴片5将第一正四边形环状内贴片4包围在其内侧，第一正四边形环状外贴片5和第一正四边形环状内贴片4的四个侧边彼此相对应且不接触设置，第一正四边形环状外贴片5和第一正四边形环状内贴片4每对对应的边之间均设置有第一矩形贴片6，每个第一矩形贴片6的两侧边分别与第一正四边形环状内贴片4外壁和第一正四边形环状外贴片5内壁相接，且四个第一矩形贴片6均设置在第一正四边形环状内贴片4和第一正四边形环状外贴片5边长的中心位置处，第一矩形贴片6贴附在介质支撑层1一侧面。
第二金属单元结构8包括贴附在介质支撑层1一侧面的第二正四边形环状内贴片9和第二正四边形环状外贴片10，第二正四边形环状内贴片9和第二正四边形环状外贴片10中心相同且第二正四边形环状外贴片10将第二正四边形环状内贴片9包围在其内侧，第二正四边形环状外贴片10和第二正四边形环状内贴片9的四个侧边彼此相对应且不接触设置，第二正四边形环状外贴片10和第二正四边形环状内贴片9每对对应的边之间均设置有第二矩形贴片11，每个第二矩形贴片11的两侧边分别与第二正四边形环状内贴片9外壁和第二正四边形环状外贴片10内壁相接，且四个第二矩形贴片11均设置在第二正四边形环状内贴片9和第二正四边形环状外贴片10边长的中心位置处，第二矩形贴片11贴附在介质支撑层1一侧面。
介质支撑层1的长度为6.25mm±0.1mm，宽度为6.25mm±0.1mm，厚度为0.635mm±0.01mm
第一正四边形环状内贴片4的外边长为5.25mm±0.1mm，内边长为4.75mm±0.1mm，第一正四边形环状外贴片5的外边长为6.15mm±0.1mm，内边长为5.85mm±0.1mm，第一矩形贴片6的长为1mm±0.1mm，宽为0.3mm±0.1mm。
第二正四边形环状内贴片9的外边长为4.6mm±0.1mm，内边长为4.1mm±0.1mm，第二正四边形环状外贴片10的外边长为6.0mm±0.1mm，内边长为5.2mm±0.1mm，第二矩形贴片11的长为1mm±0.1mm，宽为0.3mm±0.1mm。
第一金属单元层2包括的第一金属单元结构3的数量与第二金属单元层7包括的第二金属单元结构8的数量相同，第一金属单元层2的第一金属单元结构3和第二金属单元层7的第二金属单元结构8的谐振频率与UWB频率相同，均为：3.1GHz～10.6GHz。
介质支撑层1采用介电常数为10.2的材料。
对本实施例提供的一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构性能进行仿真试验，得到如图5所示频率选择表面结构频率响应曲线，可以看出，在设计的超宽带频带3.1GHz～10.6GHz上，反射系数S11幅度接近于0，表示在该频带具有优越的反射性能；传输系数S21幅度体现了设计的频率选择表面的超宽频带的带阻性能；反射系数S11相位随频率线性变化，表明了设计的频率选择表面在超宽带频带上可满足同向反射，达到宽频带辐射增强的效果。

Claims (5)

1.一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，其特征在于，包括有介质支撑层(1)，所述介质支撑层(1)的两侧面分别贴附有第一金属单元层(2)和第二金属单元层(7)，所述第一金属单元层(2)包括至少一个第一金属单元结构(3)，所述第二金属单元层(7)包括至少一个第二金属单元结构(8)；
所述第一金属单元结构(3)包括贴附在介质支撑层(1)一侧面的第一正四边形环状内贴片(4)和第一正四边形环状外贴片(5)，所述第一正四边形环状内贴片(4)和第一正四边形环状外贴片(5)中心相同且第一正四边形环状外贴片(5)将第一正四边形环状内贴片(4)包围在其内侧，所述第一正四边形环状外贴片(5)和第一正四边形环状内贴片(4)的四个侧边彼此相对应且不接触设置，所述第一正四边形环状外贴片(5)和第一正四边形环状内贴片(4)每对对应的边之间均设置有第一矩形贴片(6)，每个第一矩形贴片(6)的两侧边分别与第一正四边形环状内贴片(4)外壁和第一正四边形环状外贴片(5)内壁相接，且四个第一矩形贴片(6)均设置在第一正四边形环状内贴片(4)和第一正四边形环状外贴片(5)边长的中心位置处，所述第一矩形贴片(6)贴附在介质支撑层(1)一侧面；
所述第二金属单元结构(8)包括贴附在介质支撑层(1)一侧面的第二正四边形环状内贴片(9)和第二正四边形环状外贴片(10)，所述第二正四边形环状内贴片(9)和第二正四边形环状外贴片(10)中心相同且第二正四边形环状外贴片(10)将第二正四边形环状内贴片(9)包围在其内侧，所述第二正四边形环状外贴片(10)和第二正四边形环状内贴片(9)的四个侧边彼此相对应且不接触设置，所述第二正四边形环状外贴片(10)和第二正四边形环状内贴片(9)每对对应的边之间均设置有第二矩形贴片(11)，每个第二矩形贴片(11)的两侧边分别与第二正四边形环状内贴片(9)外壁和第二正四边形环状外贴片(10)内壁相接，且四个第二矩形贴片(11)均设置在第二正四边形环状内贴片(9)和第二正四边形环状外贴片(10)边长的中心位置处，所述第二矩形贴片(11)贴附在介质支撑层(1)一侧面；
介质支撑层(1)的长度为6.25mm±0.1mm，宽度为6.25mm±0.1mm，厚度为0.635mm±0.01mm；
第一正四边形环状内贴片(4)的外边长为5.25mm±0.1mm，内边长为4.75mm±0.1mm，第一正四边形环状外贴片(5)的外边长为6.15mm±0.1mm，内边长为5.85mm±0.1mm，第一矩形贴片(6)的长为1mm±0.1mm，宽为0.3mm±0.1mm；
第二正四边形环状内贴片(9)的外边长为4.6mm±0.1mm，内边长为4.1mm±0.1mm，第二正四边形环状外贴片(10)的外边长为6.0mm±0.1mm，内边长为5.2mm±0.1mm，第二矩形贴片(11)的长为1mm±0.1mm，宽为0.3mm±0.1mm。
2.根据权利要求1所述的一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，其特征在于，若第一金属单元层(2)包括有多个第一金属单元结构(3)，则多个第一金属单元结构(3)的排列方式为：按照N*M周期性矩阵式一个紧挨一个排列在设定的介质支撑层(1)上，N＞1,M＞1。
3.根据权利要求1所述的一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，其特征在于，若第二金属单元层(7)包括有多个第二金属单元结构(8)，则多个第二金属单元结构(8)的排列方式为：按照N*M周期性矩阵式一个紧挨一个排列在设定的介质支撑层(1)上，N＞1,M＞1。
4.根据权利要求1所述的一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述第一金属单元层(2)包括的第一金属单元结构(3)的数量与所述第二金属单元层(7)包括的第二金属单元结构(8)的数量相同，所述第一金属单元层(2)的所有第一金属单元结构(3)的组合和所述第二金属单元层(7)的所有第二金属单元结构(8)的组合的谐振频率与UWB频率相同，均为：3.1GHz～10.6GHz。
5.根据权利要求1所述的一种应用于超宽带天线的超宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述介质支撑层(1)的厚度不超过超宽带天线所发射电磁波四分之一的波长，所述介质支撑层(1)采用介电常数为10.2的材料。
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