CN110034408A - 一种宽通带3d频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽通带3D频率选择表面，旨在提高宽通带3D频率选择表面的角度稳定性，包括m×n个无源谐振单元；每个谐振单元包括五层介质板和四层金属层，金属层包括上层介质板上表面和下层介质板下表面的四个梯形环状结构，中间层介质板上下表面围绕介质板四边边缘所构成的方形金属环结构，以及方形金属环内部的两组2×2方形环状结构，第一组方形环状结构的中心在介质板四个对角位置，第二组环状的中心在相邻第一组环状中心连线的中点上，上层介质板上表面和下层介质板下表面的各梯形环状结构通过导线对应相连接。该结构在实现边缘陡降宽通带的同时，提高了角度稳定性，使其可应用于大入射角情形下，可用于通讯与雷达方面。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种频率选择表面，具体涉及一种角度稳定的3D结构宽通带频率选择表面，可用于无线通讯技术领域。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种由谐振单元周期排列组成的二维周期结构，本身并不吸收能量，但却能起到滤波的作用，本质上是一种空间滤波器。它的响应特性随频率而变化，对某些频段内的入射电磁波呈现透射特性，而对于另一些频段内的入射电磁波呈现阻碍的特性。频率选择表面所呈现的这种在开放空间的电磁波滤波器功能，使其在科学和工程等领域具有很大的应用价值，一直是微波和天线学者们研究的一个重要方向。
角度稳定性和传输系数是描述频率选择表面工作性能的重要指标，角度稳定性是指频率选择表面在不同电磁波的入射角度下，表现出的透射和反射特性维持不变的一种性能。传输系数(S21)是用来表述穿过频率选择表面电磁波透射程度的指标，通常认为传输系数大于-3dB的频段为通带，小于-10dB的频段为阻带。
随着天线技术的发展，宽带天线技术的带宽也随之不断展宽，为保证宽带天线在工作频段内正常工作，而不受非工作频段电磁波的影响，研究人员通过设计宽通带频率选择表面来实现。针对宽通带频率选择表面的设计，目前实现方式分为平面宽通带频率选择表面形式和3D型宽通带频率选择表面的形式。平面型宽通带频率选择表面具有较高的角度稳定特性，但没有边缘陡降特性，其中陡降是描述从通带到阻带所需的相对带宽大小的一种特性，相对带宽越小则认为陡降特性越好；3D型宽通带频率选择表面具有边缘陡降特性，但角度稳定性较差，目前3D型宽通带频率选择表面所能达到的最大稳定入射角为20°，当入射角进一步增大，其宽通带内的透射特性以及高频的谐振特性将变差。
例如期刊文献Tianhao He,Weiming Li,Wu Ren,Zhenghui Xue,Design andAnalysis of 3D Circular Waveguide Frequency Selective Structure[C]Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation(APCAP).IEEE,2017:1-3,公开了一种3D型宽通带频率选择表面。其目的在于设计一种边缘陡降且具有一定角度稳定性的宽通带频率选择表面，其单元结构为，在正六边形的介质板中间开一个与该介质板等高的圆柱，该圆柱部分用介电常数与空气相等的介质填充，正六边形的剩余部分为PEC金属结构，称为金属壁结构，在圆柱介质上下表面各有四个相互夹角为90°的贴片，且圆柱下表面的四个贴片与圆柱上表面四个贴片在圆柱下表面的投影位置相重合，上下的四个金属贴片通过金属导线对应相连接，其S21的-3dB带宽为5.07-10.14GHz,相对带宽为66.7％，左右-3dB到-10dB带宽分别为5％与2％，具有边缘陡降特性。但是，随入射电磁波入射角的增大，结构的等效电长度变小，在高频的谐振效果会衰弱，且入射角的增大后，正六边形金属壁结构影响通带内的透射，在30°入射的入射波照射下，通带内出现明显的传输参数下凹，S21小于-3dB，不能满足大入射角，两边阻带中间宽通带的工作特性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出了一种宽通带3D频率选择表面，旨在保证边缘陡降特性的同时，提高角度稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种宽通带3D频率选择表面，包括m×n个周期性排布的频率选择表面单元，m≥5，n≥5，所述频率选择表面单元包括自上而下依次层叠且形状为正方形的第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4和第五介质板5；所述第一介质板1的上表面和第五介质板5的下表面分别印制有四个中心对称的金属贴片6，相邻金属贴片6之间的夹角为90°，且第一介质板1上表面印制的每个金属贴片6，与该第一介质板1上表面印制的每个金属贴片6在第五介质板5下表面投影位置印制的金属贴片6之间，通过导线7连接；所述第二介质板2和第四介质板4的相对介电常数与空气的介电常数相等；
所述第三介质板3的上表面和下表面的边缘位置印制有条形金属贴片，形成方形金属环8；所述方形金属环8内印制有2×2个等距离排布成正方形的第一金属环9，相邻第一金属环9之间印制有第二金属环10。
上述的一种宽通带3D频率选择表面，所述金属贴片6，采用等腰梯形环状结构。
上述的一种宽通带3D频率选择表面，所述四个中心对称的金属贴片6，其中心对称轴与所在介质板的中心法线重合，且该四个金属贴片6的对称轴分别与所在介质板的两条中线重合，上底靠近所在介质板的中心。
上述的一种宽通带3D频率选择表面，所述第一金属环9和第二金属环10，均采用方形环状结构，且第一金属环9的边长大于第二金属环10的边长。
上述的一种宽通带3D频率选择表面，所述2×2个第一金属环9，其中心与第三介质板3板面中心重合，且该四个第一金属环9一条对角线位于第三介质板3表面的两条对角线上。
上述的一种宽通带3D频率选择表面，所述第二金属环10，其中心位于与该第二金属环10相邻的两个第一金属环9中心连接线的中点位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明，通过在第三介质板上下表面边缘位置印制条形金属贴片，形成方形金属环，方形金属环为一种电感结构，在低频表现为阻带特性，该电感结构相对于金属壁电感结构，对通带传输特性影响较小，能够避免大入射角下宽通带内传输特性变差的现象，提高了通带内的角度稳定性；同时在方形金属环内印制等距离排布的2×2个方形第一金属环，相邻方形第一金属环之间印制方形第二金属环，第一金属环与第二金属环在高频产生谐振，增强了谐振特性，解决了高入射角下3D结构在高频谐振效果衰弱的问题，使3D频率选择表面在45°电磁波入射角下仍可实现两边阻带中间宽通带的特性，提高了高频阻带内的角度稳定性。
附图说明
图1为本发明频率选择表面单元的结构示意图；
图2为本发明频率选择表面单元第一介质板上表面的俯视图；
图3为本发明频率选择表面单元第三介质板上表面的俯视图；
图4为本发明实施例的S21结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
本发明包括m×n个周期性排布的频率选择表面单元，m＝100，n＝100。
参照图1，频率选择表面单元包括自上而下依次层叠且形状为正方形的第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4和第五介质板5。正方形介质板的边长P＝10mm，其中第一介质板1、第三介质板3和第五介质板5的介电常数ε＝2.2，高度h＝1mm；第二介质板2和第四介质板4的介电常数与空气的介电常数相同，高度h1＝3.9mm，主要用以增大第一介质板1上表面和第五介质板5下表面的金属贴片与第三介质板3上下表面贴片之间的距离，以避免贴片之间的相互耦合，影响结构的特性，选取与空气介电常数相同的介质板能提高电磁波的透射特性。
所述第一介质板1的上表面印制有四个中心对称的金属贴片6，对称轴与介质板1中线重合，其结构如图2所示；所述第三介质板3上下表面边缘位置印制有条形金属贴片，形成方形金属环8，在方形金属环8内部印制有2×2个等距离排布成正方形的第一金属环9，相邻第一金属环9之间印制有第二金属环10，其结构如图3所示；所述第五介质板5的下表面印制有与第一介质板1的上表面相同的金属贴片6，其位置位于第一介质板1上表面印制的金属贴片6在第一介质板1下表面的投影位置；所述第一介质板1上表面印制的四个金属贴片6和第五介质板5下表面印制的四个金属贴片6之间，通过导线7分别对应连接，其中导线7半径为r＝0.2mm，导线7长度为H2＝10.8mm；导线7用以实现第一介质板1上表面印制的四个金属贴片6与第五介质板5下表面印制的四个金属贴片6之间的连接，增加了金属贴片6的等效电感，同时改变了贴片之间耦合电容的大小，从而实现了在宽通带左右两边陡降的谐振特性，且上下相连的金属贴片6在高频表现出谐振特性，用以实现高频的阻带特性。
参照图2，第一介质板1上表面印制有四个中心对称的金属贴片6，金属贴片6可以为任意环状结构形式，其结构形式的不同对宽通带左右两边陡降特性谐振点的频点与谐振特性强弱以及高频阻带特性有所影响，采用环状结构形式，其原因在于同种几何方式下，环形结构具有更高的角度稳定性；本实例中采用的金属贴片6由等腰梯形环状结构和与等腰梯形环状结构顶边重叠在一起的圆形贴片所构成；等腰梯形环状结构下底的外边长为T1＝2.8mm，底边所对应的高为T2＝3.6mm，环的宽度为s＝0.2mm，为更好的表达结构的单元形式，将等腰梯形环状结构的对称线放在所在介质板的一条中线上，其中T1与T2的大小影响结构在高频处的谐振特性和陡降谐振频点处谐振效果的强弱；该等腰梯形环状结构的上边靠近其所在介质板的中心，距离为L0＝0.6mm，其中L0的大小影响金属贴片6相互之间耦合电容的大小；以等腰梯形环状结构上边的中点位置为圆心，为一半径R＝0.3mm的圆形金属贴片，和等腰梯形环状结构部分相重叠，且圆形金属贴片的圆心与导线7在圆形金属贴片所在平面投影圆的圆心重合，圆形金属贴片的设计以及其圆心与导线7投影圆圆心位置的重合，有助于上下等腰梯形环状结构连接。
参照图3，所述第三介质板3的上表面和下表面的边缘位置印制有条形金属贴片，形成方形金属环8，方形金属环的外围边长与第三介质板边长相同为P＝10mm，环的宽度为W＝0.65mm，方形金属环8为电感结构，在低频表现阻带特性，在高频表现通带特性，从而实现了宽通带结构低频处的阻带特性，方形金属环8形式的电感结构对宽通带内的影响较小，且在大入射角下仍维持较好的透射特能，这解决了大入射角下宽通带内出现的透射传输参数下凹的问题，从而提高了角度稳定性；若在第三介质板3的上下表面边缘位置印制其他形式的贴片构成环形结构仍视为电感结构，将在低频表现阻带特性而在高频表现宽通带特性，但其它形式的环形结构电感效果没有方环形结构的好。所述方形金属环8内印制有2×2个等距离排布成正方形的第一金属环9，第一金属环9中任一金属环的中心位置距离其最近的第三介质板3的边缘距离为L3＝2.5mm，两相邻第一金属环9中心之间的距离为5mm，这种排布设计形式使每个第一金属环9与方形金属环8边缘之间的耦合电容相同，这有助于高角度入射角下，第一金属环9在高频处谐振的稳定；第一金属环9采用方形环状结构，其中心与第三介质板3板面中心重合，且该四个第一金属环9的一条对角线位于第三介质板3表面的两条对角线上，其外围边长为L1＝1.8mm，金属环的宽度为W1＝0.1mm；相邻第一金属环9之间印制有第二金属环10，第二金属环10的中心位于相邻的两个第一金属环9中心连接线的中点位置，即第二金属环10的中心位置距离其最近的第一金属环9的中心位置之间的距离为2.5mm，其所在位置设计的缘由与第一金属环9位置设计的缘由相同，第二金属环10采用方形环状结构，其外围边长为L2＝1.2mm，金属环的宽度为W2＝0.1mm；第一金属环9和第二金属环10采用特定大小的环状结构均可，其本身为LC谐振结构，当入射角增大时其结构会在高频产生新的谐振以改善高频谐振的衰弱，本实施案例采取方形环状结构。随入射角度的增大，第一介质板1上表面和第五介质板5下表面印制的四个金属贴片6等效电长度变小，在所在高频频段失去谐振特性。第一金属环9和第二金属环10在高频产生新的谐振，这解决了大入射角下高频谐振效果衰弱的问题，从而实现了大入射角下两边阻带中间宽通带特性，提高了3D结构的角度稳定特性。
本发明的工作原理是，通过导线7连接第一介质板上表面和第五介质板下表面的四个金属贴片，在宽通带左右两个频点构成陡降的谐振特性，且在高频产生谐振；第三介质板3上下表面边缘位置印制的条形金属贴片以形成方形金属环8为电感结构，在低频表现为阻带特性，在高频表现为通带特性；以上导线7连接的第一介质板1上表面与第五介质板5下表面的四个金属贴片6和第三介质板3上下表面的环形电感贴片共同作用，实现了低频和高频处的阻带特性以及通带和阻带之间的陡降特性，从而实现宽通带边缘陡降的特性。当入射角增大，第三介质板3上下表面的环形电感贴片对通带透射的影响较小，通带内仍可维持较好的透射特性，第一介质板1上表面和第五介质板5下表面的四个金属贴片6等效电长度变小，从而在高频谐振特性衰弱，方形金属环8内的第一金属环9和第二金属环10用以提供入射角增大情形下新的谐振特性，实现了低频、高频的阻带，中间宽通带的特性，从而提高了结构的角度稳定性。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
仿真利用商业软件HFSS_18.0；
仿真1，对本发明实施案例中的TE波从入射角0°～45°的S21进行仿真，其结果如图4；
2、仿真结果分析：
参照图4，对于TE波从入射角0°～45°的S21，可以看到0°入射角下，传输系数S21的-1dB带宽为6.27-13.30GHz，对应带宽为71.4％，宽通带左右两边的-10dB频点分别为5.75GHz和13.64GHz，左右边缘陡降分别为8.6％和2.5％，具有较好的陡降特性；45°入射角下，传输系数S21的-1dB带宽为5.23-14.16GHz，相对带宽为92.1％，左右两边的-10dB频点分别为4.91GHz和15.03GHz，左右陡降分别为6.3％和6.0％。通过以上仿真结果说明，本发明在实现宽通带的同时，实现了左右边缘的陡降特性，并具有较高的角度稳定性。
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，再了解接本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理和结构的情况下，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和保护范围内。
Claims (6)
1.一种宽通带3D频率选择表面，包括m×n个周期性排布的频率选择表面单元，m≥5，n≥5，所述频率选择表面单元包括自上而下依次层叠且形状为正方形的第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)、第四介质板(4)和第五介质板(5)；所述第一介质板(1)的上表面和第五介质板(5)的下表面分别印制有四个中心对称的金属贴片(6)，相邻金属贴片(6)之间的夹角为90°，且第一介质板(1)上表面印制的每个金属贴片(6)，与该第一介质板(1)上表面印制的每个金属贴片(6)在第五介质板(5)下表面投影位置印制的金属贴片(6)之间，通过导线(7)连接；所述第二介质板(2)和第四介质板(4)的相对介电常数与空气的介电常数相等；
其特征在于：
所述第三介质板(3)的上表面和下表面的边缘位置印制有条形金属贴片，形成方形金属环(8)；所述方形金属环(8)内印制有2×2个等距离排布成正方形的第一金属环(9)，相邻第一金属环(9)之间印制有第二金属环(10)。
2.根据权利要求1所述的一种宽通带3D频率选择表面，其特征在于，所述金属贴片(6)，采用等腰梯形环状结构。
3.根据权利要求2所述的一种宽通带3D频率选择表面，其特征在于，所述四个中心对称的金属贴片(6)，其中心对称轴与所在介质板的中心法线重合，且该四个金属贴片(6)的对称轴分别与所在介质板的两条中线重合，上底靠近所在介质板的中心。
4.根据权利要求1所述的一种宽通带3D频率选择表面，其特征在于，所述第一金属环(9)和第二金属环(10)，均采用方形环状结构，且第一金属环(9)的边长大于第二金属环(10)的边长。
5.根据权利要求4所述的一种宽通带3D频率选择表面，其特征在于，所述2×2个第一金属环(9)，其中心与第三介质板(3)板面中心重合，且该四个第一金属环(9)一条对角线位于第三介质板(3)表面的两条对角线上。
6.根据权利要求4所述的一种宽通带3D频率选择表面，其特征在于，所述第二金属环(10)，其中心位于与该第二金属环(10)相邻的两个第一金属环(9)中心连接线的中点位置。
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