CN110137685B - 一种应用于5g通信的频率选择表面结构及其单元结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于5G通信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介质基板、金属层和第二介质基板，其中，所述金属层上开设有改进型耶路撒冷型缝隙和改进型方环型缝隙；所述改进型方环型缝隙围绕在所述改进型耶路撒冷型缝隙的外周，且所述改进型耶路撒冷型缝隙的中心、所述改进型方环型缝隙的中心均与所述金属层的中心重合。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具有在28GHz和39GHz的双频段带通特性，且具有良好的滤波效果；具有优异的极化稳定性和角度稳定性，入射波在不同的极化模式下以不同的角度入射时，谐振频率始终处于5G频段之内。

Description

一种应用于5G通信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5G通信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(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可以应用于天线罩，通过加载频率选择表面，可以减小雷达截面以实现隐身效果。另外，通过将FSS应用于吸收材料，可以实现吸收结构的小型化，并且可以获得更大带宽的吸收特性。例外还广泛应用于滤波器、谐振器、偏振器、天线等方面。
第五代移动通信技术(简称5G)作为下一代移动通信技术，主要特点是波长为毫米级，超宽带、超高速、超低延迟等。它将使得互联网的发展从移动互联网时代进入智能互联网时代。目前，5G的频率范围分为两种：一种是低于6GHz的频段，与目前的2/3/4G所用频段相差不大；另一种是指24GHz以上的高频段，例如，一些国家已采用28GHz(27.5-28.35GHz)，39GHz(37GHz-40GHz)等主流频段。虽然更高的频段意味着可以使用的频率资源更多更丰富，传输速率也就更高，然而电磁波的显著特征是频率越高，波长越短，越接近于线性传播，因此，其绕射和穿透墙壁的能力也就更差。此外，频率越高，传播过程中的衰减也越大。因此，对于5G信号，需要更好的信号传输保护，防止其他信号的电磁干扰。
为了解决上述问题，可以将频率选择表面(FSS)应用于5G信号，以确保信号的可靠传输并防止频率干扰。目前，已经有将FSS应用于5G信号传输的研究，但研究主要集中于单频段研究，并不能满足当今多频段传输的发展趋势。此外，现有的应用于5G频段的FSS结构也有稳定性较差的问题，导致结构的滤波特性较差，且现有的应用于5G频段的FSS结构单元尺寸较大，不满足如今追求小型化结构的趋势和需求。
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5G通信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：
本发明的一个方面提供了一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构，自上而下依次包括第一介质基板、金属层和第二介质基板，其中，
所述金属层上开设有改进型耶路撒冷型缝隙和改进型方环型缝隙；
所述改进型方环型缝隙围绕在所述改进型耶路撒冷型缝隙的外周，且所述改进型耶路撒冷型缝隙的中心、所述改进型方环型缝隙的中心均与所述金属层的中心重合。
在本发明的一个实施例中，所述改进型方环型缝隙为正方形环，其外侧边与内侧边均与所述金属层的侧边呈45°夹角。
在本发明的一个实施例中，所述改进型耶路撒冷型缝隙为中心对称结构，包括从其中心延伸的十字形部以及均与所述十字形部交叉设置的四个横向部，四个所述横向部彼此分离。
在本发明的一个实施例中，所述十字形部的两条边上分别设置有两个横向部，并且所述十字形部的一条边与两个横向部将所述十字形部的另一条边平均分割为三段。
在本发明的一个实施例中，所述改进型方环型缝隙的每条内侧边与所述十字形部的两条边均呈45°夹角。
在本发明的一个实施例中，所述横向部与所述十字形部垂直交叉，且所述横向部的宽度大于所述十字形部的宽度。
在本发明的一个实施例中，所述第一介质基板由泡沫材料制成，所述第二介质基板由耐燃材料制成。
在本发明的一个实施例中，所述金属层由Cu金属制成。
在本发明的一个实施例中，所述第一介质基板、所述金属层和所述第二介质基板的表面尺寸均为6mm*6mm。
本发明的另一方面提供了一种应用于5G通信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5G通信的频率选择表面结构尺寸很小，其单元结构的表面尺寸仅为6mm*6mm，满足如今器件追求小型化的趋势。
2、该频率选择表面结构具有双频段带通效果，可以实现在5G通信频段27.5-28.35GHz和37-40GHz上的滤波效果，使得频段内信号通过，频段外信号被阻隔，能够保护5G通信信号不被其他频率电磁信号所干扰。
3、该频率选择表面结构具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波照射时谐振频率偏差属于可接受范围之内，始终处于5G通信信号频段内。
4、该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第一谐振频率偏差和第二谐振频率偏差都在可接受范围之内，始终处于5G通信信号频段内。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构的立体透视图；
图2是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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金属层的主视图；
图4是本发明实施例提供的一种应用于5G通信的频率选择表面结构的立体透视图；
图5是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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6是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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7是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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8是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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-第一介质基板；2-金属层；3-第二介质基板；4-改进型耶路撒冷型缝隙结构；41-十字形部；42-横向部；5-改进型方环型缝隙结构。
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5G通信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3，图1是本发明实施例提供的一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构的立体透视图；图2是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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介质基板1、金属层2和第二介质基板3，在本实施例中，第一介质基板1、金属层2和第二介质基板3的表面尺寸均为6mm*6mm。另外，第一介质基板1的厚度为0.17mm，第二介质基板3的厚度为0.08mm，金属层2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，其单元结构的表面尺寸仅为6mm*6mm，满足如今器件追求小型化的趋势。
进一步地，金属层2上开设有一个改进型耶路撒冷型缝隙4和一个改进型方环型缝隙5，其中，改进型方环型缝隙5围绕在改进型耶路撒冷型缝隙4的外周，且改进型耶路撒冷型缝隙4的中心、改进型方环型缝隙5的中心均与金属层2的中心重合。在本实施例中，改进型耶路撒冷型缝隙结构4是通过将传统的耶路撒冷型结构的四条横向结构向结构中心平移相同尺寸的距离，且互不交叉所得到；而改进型方环型缝隙结构5是通过将传统的方环型结构旋转45°所得到。
具体地，改进型方环型缝隙5为正方形环，其外边与内边均与金属层2的侧边呈45°夹角。改进型耶路撒冷型缝隙4为中心对称结构，包括从其中心延伸的十字形部41以及均与十字形部41交叉设置的四个横向部42，四个横向部42彼此间隔开。也就是说，四个横向部42彼此之间没有联通。
进一步地，十字形部41的两条边上分别设置有两个横向部42，并且十字形部41的一条边与两个横向部42将所述十字形部41的另一条边平均分割为三段。改进型方环型缝隙5的每条内侧边与十字形部41的两条边均呈45°夹角。
在本实施例中，横向部42与十字形部41垂直交叉，且横向部42的宽度W3大于十字形部41的宽度W4。
进一步地，第一介质基板1由泡沫材料制成。第二介质基板3由耐燃材料制成，所述耐燃材料的相对介电常数为2.5，电切损耗为0.0016。金属层2由Cu金属制成。
请参见图3和表1，表1是本发明实施例提供的金属层的详细几何参数。
表1.金属层详细几何参数
参数 L1 L2 L3 L4
值 4.0mm 2.2mm 0.8mm 2.4mm
参数 L5 W1 W2 W3
值 0.43mm 4.0mm 2.2mm 0.29mm
参数 W4 DX DY θ
值 0.14mm 6.0mm 6.0mm 45°
进一步地，本发明的另一实施例提供了一种应用于5G通信的频率选择表面结构，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种频率选择表面结构的立体透视图。该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，甚至更多的单元结构。
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。
请一并参见图5和图6，图5是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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6是本发明实施例提供的一种应用于5G通信的频率选择表面结构在TM极化模式下的滤波性能仿真图。首先需要了解的是，当一束光入射到金属的表面时，入射光和金属表面的法线所在的平面为入射面。入射光波的电矢量可以分解为相互正交的两个偏振光分量。电矢量垂直于入射面的偏振光称为TE波，电矢量平行于入射面偏振光称为TM波。
如图5所示，从反射系数曲线(S11)可以看出，本实施例的FSS结构的第一谐振频率为28.1GHz，带宽在-20dB处为1100MHz，回波损耗为-42.34dB；第二谐振频率为39.5GHz，带宽在-20dB处为500MHz，回波损耗为-33.43dB。从图4中的传输系数曲线(S21)可以看出，在两个谐振频率处的插入损耗接近于0dB，也就是说传输效率接近于1。也就是说，在TE极化模式下，该结构对频率为28.1GHz和39.5GHz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，如图6所示，从反射系数曲线(S11)可以看出，本实施例的FSS结构的第一谐振频率为27.7GHz，带宽在-20dB处为1100MHz，回波损耗为-41.13dB；第二谐振频率为39.9GHz，带宽在-20dB处为550MHz，回波损耗为-36.86dB。从图5中的传输系数曲线(S21)可以看出，在两个谐振频率处的插入损耗接近于0dB，也就是说传输效率接近于1。也就是说，在TM极化模式下，该结构对频率为27.7GHz和39.9GHz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。综合图4和图5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5G通信频段之内，即具有出色的极化稳定性。
进一步地，为了研究本实施例应用于5G通信的频率选择表面结构的角度稳定性，其在TE模式和TM模式下以入射角度为0°、10°、20°、30°的入射波照射，可以获得该结构的频率特性。请一并参见图7和图8，图7是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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8是本发明实施例提供的一种应用于5G通信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。
如图7所示，该FSS结构在28GHz(27.35-28.35GHz)和39GHz(37-40GHz)双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5G通信信号频段之内，具有出色的信号传输能力和抗干扰能力。表2是本发明实施例在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
Figure BDA0002010944840000091
进一步地，如图8所示，本实施例的FSS结构在28GHz(27.35-28.35GHz)和39GHz(37-40GHz)双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5G通信信号频段之内，具有出色的信号传输能力和抗干扰能力。表3是本发明实施例在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
Figure BDA0002010944840000092
进一步地，综合图7和图8的性能仿真图以及表2和表3的仿真参数，可以看出，本实施例的FSS结构在TE模式和TM模式下，以入射角度为0°、10°、20°、30°的入射波照射时，谐振频率和通带频段始终处在5G通信频段之内，依然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。
综上，本发明实施例的频率选择表面结构具有双频段带通效果，可以实现在5G通信频段27.5-28.35GHz和37-40GHz上的滤波效果，使得频段内信号通过，频段外信号被阻隔，能够保护5G通信信号不被其他频率电磁信号所干扰。
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 (6)

1.一种应用于5G通信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介质基板(1)、金属层(2)和第二介质基板(3)，其中，
所述金属层(2)上开设有改进型耶路撒冷型缝隙(4)和改进型方环型缝隙(5)；
所述改进型方环型缝隙(5)围绕在所述改进型耶路撒冷型缝隙(4)的外周，且所述改进型耶路撒冷型缝隙(4)的中心、所述改进型方环型缝隙(5)的中心均与所述金属层(2)的中心重合；
所述改进型耶路撒冷型缝隙(4)为中心对称结构，包括从其中心延伸的十字形部(41)以及均与所述十字形部(41)交叉设置的四个横向部(42)，四个所述横向部(42)彼此分离；所述十字形部(41)的两条边上分别设置有两个横向部(42)，并且所述十字形部(41)的一条边与两个横向部(42)将所述十字形部(41)的另一条边平均分割为三段；
所述改进型方环型缝隙(5)为正方形环，其外侧边与内侧边均与所述金属层(2)的侧边呈45°夹角，所述改进型方环型缝隙(5)的每条内侧边与所述十字形部(41)的两条边均呈45°夹角。
2.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述横向部(42)与所述十字形部(41)垂直交叉，且所述横向部(42)的宽度大于所述十字形部(41)的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一介质基板(1)由泡沫材料制成，所述第二介质基板(3)由耐燃材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述金属层(2)由Cu金属制成。
5.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一介质基板(1)、所述金属层(2)和所述第二介质基板(3)的表面尺寸均为6mm*6mm。
6.一种应用于5G通信的频率选择表面结构，其特征在于，包括个周期性排布的如权利要求1至5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。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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