CN110137684B

CN110137684B - 一种应用于Ku波段的频率选择表面结构及其单元结构

Info

Publication number: CN110137684B
Application number: CN201910244583.5A
Authority: CN
Inventors: 相征; 李毅; 任鹏
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN110137684A

Abstract

本发明涉及一种应用于Ku波段的频率选择表面结构及其单元结构，所述单元结构自上而下依次包括第一金属层、介质基板和第二金属层，其中，所述第一金属层上开设有第一星型缝隙，所述第一星型缝隙包括位于中心处的第一多边形缝隙部和围绕所述第一多边形缝隙部的多个第一三角形缝隙部；所述第二星型缝隙包括位于中心处的第二多边形缝隙部和围绕所述第二多边形缝隙部的多个第二三角形缝隙部。频率选择表面结构包括M×N个周期性排布的单元结构。该频率选择表面结构在12GHz频段附近处具有极强的滤波特性，能够有效保护卫星在下行链路的广播信号不被其他频率信号所干扰。

Description

一种应用于Ku波段的频率选择表面结构及其单元结构

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于Ku波段的频率选择表面结构及其单元结构。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种空间电磁滤波结构，可在特定频段使电磁无损耗或低损耗通过，而使该频段外的电磁波被滤掉。FSS实质上是由特定单元结构按照特定排列顺序组成的周期性表面，其可以在特定频段上表现出全反射或全透射特性，相当于空间滤波器的作用。FSS可以广泛应用于滤波器、谐振器、偏振器、天线等方面。

广播卫星是向公众直接转播电视信号或广播声音信号的通信卫星，它直接向用户转播音频、视频和数据等信息，具有信息单向传输、一发多收等特点。目前应用于广播卫星的频段主要为C波段和Ku波段，其中，C波段广播卫星遭受地面微波等干扰源的同频干扰比较严重，而Ku波段的地面干扰很小，且频率高，不易受微波辐射干扰，大大地降低了对接收环境的要求，且接收Ku波段的天线口径尺寸小，便于安装也不易被发现。此外， Ku频段宽，能传送多种业务与信息。

为了保证在Ku波段广播卫星信息的可靠传输，可以将FSS结构加载于用户接收天线上，以增强Ku波段下行链路频段，即用户接收频段 (11.7-12.75GHz)的防干扰能力。现有的用于Ku波段的FSS结构的不足之处在于其结构稳定性较差，导致滤波特性较差，不能满足更高性能的要求，并且现有的用于Ku波段的FSS结构单元尺寸较大，已不能满足当下追求小型化结构的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于Ku波段的频率选择表面结构及其单元结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一方面提供了一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，自上而下依次包括第一金属层、介质基板和第二金属层，其中，

所述第一金属层上开设有第一星型缝隙，所述第一星型缝隙包括位于中心处的第一多边形缝隙部和围绕所述第一多边形缝隙部的多个第一三角形缝隙部，每个所述第一三角形缝隙部的中心处均设置有第一圆形金属贴片，所述多边形缝隙部的至少一部分由多边形金属贴片覆盖，所述多边形金属贴片的中心开设有第一十字型缝隙；

所述第二金属层上开设有第二星型缝隙，所述第二星型缝隙包括位于中心处的第二多边形缝隙部和围绕所述第二多边形缝隙部的多个第二三角形缝隙部，每个所述第二三角形缝隙部的中心处均设置有三角形金属贴片，所述第二多边形缝隙部的一部分由第二圆形金属贴片覆盖，所述第二圆形金属贴片的中心开设有第二十字型缝隙。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属层和第二金属层均为中心对称结构。

在本发明的一个实施例中，所述第一星型缝隙和所述第二星型缝隙均为四角星型缝隙结构；所述第一星型缝隙包括一个第一正方形缝隙部和四个第一三角形缝隙部，且所述多边形金属贴片为正方形金属贴片；所述第二星型缝隙包括一个第二正方形缝隙部和四个第二三角形缝隙部。

在本发明的一个实施例中，所述第一星型缝隙在所述第二金属层上的投影与所述第二星型缝隙重合。

在本发明的一个实施例中，所述第一十字形缝隙的两条边分别平行或垂直于所述第一金属层的相应边；所述第二十字形缝隙的两条边分别平行或垂直于所述第二金属层的相应边。

在本发明的一个实施例中，所述第一十字形缝隙的中心与所述第一金属层的中心重合，所述第二十字形缝隙的中心与所述第二金属层的中心重合。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属层、所述介质基板和所述第二金属层均为正方形结构。

在本发明的一个实施例中，所述介质基板由耐燃材料制成，所述第一金属层和所述第二金属层均由Cu金属制成。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属层、所述介质基板和所述第二金属层的表面尺寸均为10mm*10mm。

本发明的另一方面提供了一种应用于Ku波段的频率选择表面结构，包括M×N个周期性排布的如上述实施例中任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在12GHz频段附近处具有极强的滤波特性，能够保护卫星在下行链路的广播信号不被其他频率信号所干扰。

2、该应用于Ku波段广播卫星的新频率选择表面结构具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波垂直照射时谐振频率偏差仅为30MHz，对结构性能无影响。

3、该应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构具有非常好的角度稳定性，在TE和TM模式下，以不同角度入射波照射时谐振频率始终处于 Ku波段广播卫星的下行链路频段(11.7-12.75GHz)之内。

4、该频率选择表面结构尺寸很小，单元结构的表面尺寸仅为 10mm*10mm，满足小型化结构的趋势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构的主视透视图；

图2是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构的侧视图；

图3是本发明实施例提供的一种频率选择表面单元结构第一金属层的主视图；

图4是本发明实施例提供的一种频率选择表面单元结构第二金属层的主视图；

图5是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段的频率选择表面结构的立体图；

图6是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TE极化模式下的滤波性能仿真图；

图7是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TM极化模式下的滤波性能仿真图；

图8是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TE极化模式下的角度稳定性能仿真图；

图9是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图。

附图标记如下：

1-第一金属层；11-第一星型缝隙；112 -第一多边形缝隙部；111 -第一三角形缝隙部；12-第一圆形金属贴片；13-多边形金属贴片；14-第一十字型缝隙；2-介质基板；3-第二金属层；31-第二星型缝隙；311-第二多边形缝隙部；312-第二三角形缝隙部；32-三角形金属贴片；33-第二圆形金属贴片； 34-第二十字型缝隙。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的应用于Ku波段的频率选择表面结构及其单元结构进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参见图1至图4，图1是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构的主视透视图；图2是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构的侧视图；图3是本发明实施例提供的一种频率选择表面单元结构第一金属层的主视图；图4是本发明实施例提供的一种频率选择表面单元结构第二金属层的主视图。本实施例的频率选择表面单元结构自上而下依次包括第一金属层1、介质基板2和第二金属层3。在本实施例中，介质基板2由相对介电常数为4.4，电切损耗为0.02 的耐燃材料制成。第一金属层1和第二金属层3均由Cu金属制成。第一金属层1、介质基板2和第二金属层3均为正方形结构，表面尺寸均为 10mm*10mm。另外，在本实施例中，介质基板2厚度为0.8mm；第一金属层1和第二金属层3的厚度在0.017mm-0.035mm范围内。本实施例的频率选择表面单元结构尺寸很小，单元结构的表面尺寸仅为10mm*10mm，满足如今器件小型化结构的趋势。

进一步地，第一金属层1和第二金属层3均为中心对称结构。具体地，第一金属层1上开设有第一星型缝隙11，第一星型缝隙11包括位于中心处的第一多边形缝隙部112 和围绕第一多边形缝隙部112 的多个第一三角形缝隙部111 ，每个第一三角形缝隙部111 的中心处均设置有一个第一圆形金属贴片12，多边形缝隙部112 的至少一部分由一个多边形金属贴片13覆盖，多边形金属贴片13的中心开设有第一十字型缝隙14。需要说明的是，所述多边形金属贴片13与位于其周向方向的多个第一圆形金属贴片12互不接触，即相互之间存在缝隙。

第二金属层3上开设有第二星型缝隙31，第二星型缝隙31包括位于中心处的第二多边形缝隙部311和围绕第二多边形缝隙部311的多个第二三角形缝隙部312，每个第二三角形缝隙部312的中心处均设置有一个三角形金属贴片32，第二多边形缝隙部311的一部分由第二圆形金属贴片33覆盖，第二圆形金属贴片33的中心开设有第二十字型缝隙34。需要说明的是，所述第二圆形金属贴片33与位于其轴向方向的多个三角形金属贴片32互不接触，即相互之间存在缝隙。

进一步地，第一十字形缝隙14的两条边分别平行或垂直于第一金属层 1的相应的边；第二十字形缝隙34的两条边分别平行或垂直于第二金属层 3的相应的边。第一十字形缝隙14的两条边与第二十字形缝隙34的两条边的长度均相等，但第一十字形缝隙14的两条边的宽度均第二十字形缝隙34 的两条边的宽度。如图1所示，更进一步地，第一星型缝隙11在第二金属层3上的投影与第二星型缝隙31重合。

在本实施例中，第一星型缝隙11和第二星型缝隙31均为四角星型缝隙结构；第一星型缝隙11包括一个第一正方形缝隙部和四个第一三角形缝隙部112，且多边形金属贴片13为正方形金属贴片；第二星型缝隙31包括一个第二正方形缝隙部和四个第二三角形缝隙部312。

也就是说，如图3所示，第一金属层1上开设有第一星型缝隙11，第一星型缝隙11包括位于中心处的第一正方形缝隙部和围绕第一多边形缝隙部的四个第一三角形缝隙部111，每个第一三角形缝隙部111 的中心处均设置有一个第一圆形金属贴片12，所述正方形缝隙部的至少一部分由一个正方形金属贴片13覆盖，正方形金属贴片13的中心开设有第一十字型缝隙 14。

如图4所示，在本实施例中，第二金属层3上开设有第二星型缝隙31，第二星型缝隙31包括位于中心处的第二正方形缝隙部和围绕第二多边形缝隙部的四个第二三角形缝隙部312，每个第二三角形缝隙部312的中心处均设置有一个三角形金属贴片32，所述第二正方形缝隙部的一部分由第二圆形金属贴片33覆盖，第二圆形金属贴片33的中心开设有第二十字型缝隙 34。

此外，第一十字形缝隙14的中心与第一金属层1的中心重合，第二十字形缝隙34的中心与第二金属层3的中心重合。

此外，在本实施例中，第一圆形金属贴片12、多边形金属贴片13、三角形金属贴片32以及第二圆形金属贴片的材料均与第一金属层1和第二金属层3相同，即均由Cu金属制成。

请一并参见图3、图4和表1，表1是实施例提供的第一金属层1和第二金属层3的详细几何参数。

表1.第一金属层和第二金属层的详细几何参数(单位：mm)

参数	W1	W2	W3	W4	W5	W6
							值	0.1	0.3	0.3	1.15	0.3	0.3
参数	W7	W8	L1	L2	L3	L4
							值	0.7	1.35	2.4	2.0	2.4	3.0
参数	L5	L6	L7	R1	R2	DX1
							值	2.0	2.4	3.0	0.85	1.4	10.0
参数	DY1	DX2	DY2
							值	10.0	10.0	10.0

进一步地，本发明的另一实施例提供了一种应用于Ku波段的频率选择表面结构，请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段的频率选择表面结构的立体图。所述频率选择表面结构包括M×N个周期性排布的如上述实施例中任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N 为大于等于1的整数。在本实施例中，该频率选择表面结构包括5×5个单元结构，在其他实施例中，所述频率选择表面结构可以包括10×10，20×20， 40×40，甚至更多的上述单元结构。

进一步地，为了验证本实施例的频率选择表面结构(FSS结构)的性能，利用商业仿真软件HFSS对该FSS结构进行了多项性能仿真分析。

请参见图6和图7，图6是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TE极化模式下的滤波性能仿真图；图7是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TM 极化模式下的滤波性能仿真图。从图6中的反射系数曲线(S11)可以看出，本实施例的FSS结构的谐振频率为12.14GHz，带宽在-10dB处为610MHz，回波损耗为-23.28dB。也就是说，在TE极化模式下，该FFS结构对频率为 12.14GHz周围的信号具有完美的传输效果，并且能够很好地抵抗带外信号的干扰。

进一步地，从图7中的反射系数曲线(S11)可以看出，本实施例的FSS 结构的谐振频率为12.14GHz，带宽在-10dB处为600MHz，回波损耗为

-20.72dB。也就是说，在TM极化模式下，该结构对频率为12.14GHz周围的信号具有完美的传输效果，并且能够很好地抵抗带外信号的干扰。

进一步地，综合图6和图7的性能仿真图，可以看出，此结构在TE模式和TM模式下，谐振频率和通带频段始终处在Ku波段广播卫星的下行链路频段(11.7-12.75GHz)之内，即具有出色的极化稳定性。

此外，为了研究本实施例的FSS结构的角度稳定性，其在TE模式和TM模式下以入射角度为0°、15°、30°、45°和60°的入射波照射，可以获得该结构的频率特性。请参见图8和图9，图8是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TE极化模式下的角度稳定性能仿真图；图9是本发明实施例提供的一种应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图。该FSS结构在 12GHz(11.7-12.75GHz)频段处具有强大的角度稳定性和出色的滤波特性，在不同角度电磁入射波照射下，频率偏差在可接受范围之内，都处于Ku波段广播卫星的下行链路频段之内，具有优异信号传输能力和抗干扰能力。表2 是实施例的FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。

表2.FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真参数

进一步地，从图9中可以看出，该FSS结构在12GHz(11.7-12.75GHz) 频段处依然具有出色的角度稳定性和滤波特性，在不同角度电磁入射波照射下，频率偏差在可接受范围之内，都处于Ku波段广播卫星的下行链路频段之内，具有优异信号传输能力和抗干扰能力。表3是本实施例的FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。

表3.FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真参数

综合图8和图9的性能仿真图以及表2和表3的仿真参数可以看出，此FFS结构在TE模式和TM模式下，以入射角度为0°、15°、30°、45°和 60°的入射波照射时，谐振频率和通带频段始终处在Ku波段广播卫星的下行链路频段(11.7-12.75GHz)之内，具有出色的滤波性能，即确定此结构具有优秀的角度稳定性。

本实施例的应用于Ku波段广播卫星的频率选择表面结构在12GHz频段附近处具有极强的滤波特性，能够保护卫星在下行链路的广播信号不被其他频率信号所干扰。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，自上而下依次包括第一金属层(1)、介质基板(2)和第二金属层(3)，其中，

所述第一金属层(1)上开设有第一星型缝隙(11)，所述第一星型缝隙(11)包括位于中心处的第一多边形缝隙部(112 )和围绕所述第一多边形缝隙部(112 )的多个第一三角形缝隙部(111 )，每个所述第一三角形缝隙部(111 )的中心处均设置有第一圆形金属贴片(12)，所述第一多边形缝隙部(112 )的至少一部分由多边形金属贴片(13)覆盖，所述多边形金属贴片(13)的中心开设有第一十字型缝隙(14)；

所述第二金属层(3)上开设有第二星型缝隙(31)，所述第二星型缝隙(31)包括位于中心处的第二多边形缝隙部(311)和围绕所述第二多边形缝隙部(311)的多个第二三角形缝隙部(312)，每个所述第二三角形缝隙部(312)的中心处均设置有三角形金属贴片(32)，所述第二多边形缝隙部(311)的一部分由第二圆形金属贴片(33)覆盖，所述第二圆形金属贴片(33)的中心开设有第二十字型缝隙(34)；并且，

所述第一星型缝隙(11)和所述第二星型缝隙(31)均为四角星型缝隙结构；

所述第一星型缝隙(11)包括一个第一正方形缝隙部和四个第一三角形缝隙部(111 )，且所述多边形金属贴片(13)为正方形金属贴片；

所述第二星型缝隙(31)包括一个第二正方形缝隙部(311)和四个第二三角形缝隙部(312)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一金属层(1)和第二金属层(3)均为中心对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一星型缝隙(11)在所述第二金属层(3)上的投影与所述第二星型缝隙(31)重合。

4.根据权利要求1所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一十字形缝隙(14)的两条边分别平行或垂直于所述第一金属层(1)的相应边；所述第二十字形缝隙(34)的两条边分别平行或垂直于所述第二金属层(3)的相应边。

5.根据权利要求1所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一十字形缝隙(14)的中心与所述第一金属层(1)的中心重合，所述第二十字形缝隙(34)的中心与所述第二金属层(3)的中心重合。

6.根据权利要求1中所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一金属层(1)、所述介质基板(2)和所述第二金属层(3)均为正方形结构。

7.根据权利要求1所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述介质基板(2)由耐燃材料制成，所述第一金属层(1)和所述第二金属层(3)均由Cu金属制成。

8.根据权利要求1所述的一种应用于Ku波段的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一金属层(1)、所述介质基板(2)和所述第二金属层(3)的表面尺寸均为10mm*10mm。

9.一种应用于Ku波段的频率选择表面结构，其特征在于，包括M×N个周期性排布的如权利要求1至8中任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N为大于1的整数。