CN110416735A - 具有传输零点的柔性多层频率选择表面 - Google Patents

具有传输零点的柔性多层频率选择表面 Download PDF

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吴边
李慧玲
宋蕾
赵雨桐
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Abstract

本发明是一种具有传输零点的柔性多层频率选择表面，主要解决现有频率选择表面重量大、外形适应性差和带外选择性差的问题，其包括顶层金属贴片谐振层(1)、开缝耦合金属贴片中间层(2)和底层金属贴片谐振层(3)，顶层金属贴片谐振层和底层金属贴片谐振层均由多个Jerusalem十字(11)和分形(14)构成，开缝耦合金属贴片中间层由多个正方形金属表面(21)构成，其四条边设有矩形缝隙(22)，顶层金属贴片谐振层与开缝耦合金属贴片中间层之间设有两种介质(4,5)，开缝耦合金属贴片中间层与底层金属贴片谐振层之间设有三种介质(6,7,8),本发明表面外形适应性强，带外选择性好，结构轻便，可用于天线罩和电磁屏蔽。

Description

具有传输零点的柔性多层频率选择表面
技术领域
本发明属于天线隐身技术领域，主要涉及频率选择表面，可用于天线罩和电磁屏蔽。
背景技术
频率选择表面FSS是由金属贴片或金属屏上的孔径单元排列形成的二维周期性结构，可以看作具有带阻或带通特性的广义空间滤波器。频率选择表面对电磁波具有频率选择和极化选择特性，能够有效地控制电磁波的传输和反射。在过去的几年中，频率选择表面FSS已广泛研究用于各种应用，从天线罩、微波电磁屏蔽到电路模拟吸波器、反射器、高阻抗表面和电磁带隙谐振器。由于频率选择表面FSS的带通滤波特性，使得频率选择表面FSS的研究已经覆盖了电磁波的微波、红外以及可见光等波段，无论在军事上还是民用上都得到了很多关注，应用非常广泛。在微波波段，频率选择表面FSS在军事上最重要的一个应用是带通频率选择表面隐身天线罩。在天线工作频率范围之内具有良好的透射性能，保证天线的正常工作；在天线的工作频段之外，天线罩将反射信号，电磁波信号被散射到空间各个方向，从而有效的降低了飞行器前向散射截面RCS，大幅度提升了雷达隐身性能。
与微波滤波器不同的是，频率选择表面FSS结构的频率响应不仅是频率的函数，也是电磁波入射角和极化的函数，这就意味着频率选择表面FSS结构在实际应用中会受到很多外界因素的影响。以带通频率选择表面FSS为例，它一般由单层的并联谐振组成，结构简单，便于设计和分析。但是，这种单层频率选择表面FSS仅限于窄带空间滤波，单频点通带可能导致在实际应用中通带的工作频率不稳定同时带外选择性差的问题。因此，研究人员通过将多个单层频率选择表面FSS进行层叠级联，层与层之间用介质层隔开的方法来拓展通带带宽。传统的频率选择表面制造技术是用刚性介质基板制造印刷电路板PCB工艺，这将导致结构非常重且刚性结构难以随不同外形的应用设备产生形变。例如，2017年M.Hussein等在IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters期刊(vol.16,no.99,pp.2791-2794,Aug.2017)上发表了“A Low-Profile Miniaturized Second-Order Bandpass FrequencySelective Surface”，论文中采用三层金属相结合以及弯折环绕的方法实现了二阶带通频率选择表面的设计，该结构克服频率选择表面尺寸大和厚度大的问题且在通带的右侧具有两个传输零点，提高了带外选择特性，但是该频率选择表面很难应用到很多现代应用中，例如雷达天线罩、微波天线和电磁屏蔽这一类对灵活，轻量化以及共形的要求高的设备。2016年M.Nauman等人在IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility期刊(vol.58,no.2,pp.419-428,Feb.2016)上发表了“A Miniaturized Flexible FrequencySelective Surface for X-Band Applications”，论文中采用绕折金属条带增大电容电感的方法实现了X波段的小型化柔性频率选择表面的设计，其频率选择表面FSS通过印在Rogers/Duroid 5880柔性层压板的单面上实现共形结构，同时其尺寸的小型化为不同的极化和入射角度提供很好的稳定性，但是这种频率选择表面FSS是使用压层板以一定的弯曲曲率进行制造，一旦成形就不能再恢复或者重新弯曲成其他曲率，即不可恢复型柔性。2016年M.Haghzadeh等在Journal of Applied Physics期刊(vol.120,no.18,pp.1-18,Aug.2016)上发表了“All-printed,flexible,reconfigurable frequency selectivesurfaces”，论文中采用了一种新型全面印刷技术和新型数字化电容器实现了柔性带通频率选择表面FSS和静态调谐通带的设计。频率选择表面FSS由油墨印刷的方法直接印刷在柔性聚酰亚胺薄膜两侧，但是，这种频率选择表面FSS是单层柔性结构，窄带带宽使得通带在应用中不稳定且带外选择性不理想。
随着基于频率选择表面的空间滤波结构在天线罩以及电磁屏蔽中的应用越来越广泛，这就要求这种频率选择表面具备更加轻便的重量、能够适应各种外形的设备的柔韧性、更加稳定的通带以及更加好的带外选择性。而现有技术设计的这类频率选择表面一方面多为PCB工艺制造的刚性板结构，难以满足不同外形的设备的需求；另一方面在满足柔性的条件下多为单层结构，单频点通带不稳定且带外选择性差，影响使用效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种具有传输零点的柔性多层频率选择表面，以降低频率选择表面的重量，提高频率选择表面在不同外形设备的应用中的外形形变适应性能，拓宽并控制通带带宽，提高通带稳定性和带外选择特性。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的技术思路是通过薄膜介质和超薄支撑介质叠加实现可弯曲可恢复型柔性，降低频率选择表面重量，提高频率选择表面的形变适应性能；通过特殊图案的金属表面结构拓宽并控制带宽，提高通带稳定性；通过上下层之间的容性耦合引入传输零点，提高带外选择特性。
根据上述思路，本发明具有传输零点的柔性多层频率选择表面，包括自上而下依次层叠的顶层金属贴片谐振层、开缝耦合金属贴片中间层和底层金属贴片谐振层，顶层金属贴片谐振层与开缝容性耦合金属贴片中间层之间设有第一介质基板和第二介质基板，开缝耦合金属贴片中间层与底层金属贴片谐振层之间设有第三介质基板、第四介质基板和第五介质基板，其特征在于：
所述的顶层金属贴片谐振层和底层金属贴片谐振层均由m×n个完全相同的Jerusalem十字结构和位于Jerusalem十字结构中心的分形结构组合而成，其中m≥2，n≥2；
所述的开缝耦合金属贴片中间层，由m×n个完全相同的正方形金属表面构成，每个正方形金属表面的四条边边缘区域分别蚀刻有完全相同的矩形耦合缝隙，以产生容性耦合，进而在通带右侧产生两个传输零点；
所述的第一介质基板、第三介质基板、第五介质基板均采用薄膜型柔性介质；
所述第二介质基板、第四介质基板均采用超薄柔性支撑介质。
进一步，其特征在于，所述Jerusalem十字结构，由十字交叉金属条和十字交叉金属条顶部的矩形金属条构成，矩形金属条的长度l2取值范围为1.5mm≤l2≤1.8mm，宽度w2取值范围为0.1mm≤w2≤0.3mm，十字交叉金属条的长度l1取值范围为2.2mm≤l1≤2.5mm，宽度w1取值范围为0.05mm≤w1≤0.2mm。
进一步，其特征在于，所述分形结构，由正方形金属贴片在其四条边边缘分别蚀刻完全相同的第一级阶梯状矩形凹槽和第二级阶梯状矩形凹槽构成，第一级矩形凹槽宽度d1取值范围为0mm≤d1≤1.1mm，第二级矩形凹槽宽度d2取值范围为0mm≤d2≤0.7mm，d1＞d2，通过调整分形结构的矩形凹槽宽度d1和d2控制通带的带宽。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明使用Jerusalem十字形和分形相结合的顶层和底层结构，Jerusalem十字形结构有助于单元尺寸的减小，进而降低对不同极化和不同入射角度敏感度，同时分形结构的金属面积大小可控制通带带宽，这种结构使得频率选择表面的设计过程更加灵活、方便。
2.本发明使用上下两层金属贴片谐振层与矩形缝隙容性耦合金属中间层相叠加的设计，在通带右侧引入两个传输零点，极大地提高了通带的带外选择特性。
3.本发明使用多层薄型介质相叠加的方式实现了整体结构的可弯曲可恢复型柔性，提高了频率选择表面在不同外形设备的应用中的外形形变适应性能。
4.本发明使用表面蚀刻金属图案的薄膜介质，加工工艺简单，超薄支撑介质成本低，可大规模生产，同时多层之间的组装简单，易实现，超薄支撑介质的使用避免了仅使用薄膜介质导致的易损坏的问题，延长了频率选择表面的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明中的顶层和底层表面结构示意图；
图3为本发明中的中间层的结构示意图；
图4为用本发明实施例3仿真1的频率选择表面的传输系数和反射系数曲线图；
图5为用本发明实施例3仿真2的频率选择表面分别在TE极化和TM极化下不同入射角度对应的传输系数曲线图。
图6为用本发明实施例3仿真3的频率选择表面分别在TE极化和TM极化下不同入射角度对应的传输系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步描述：
由于频率选择表面空间滤波结构在微波天线以及电磁屏蔽中的应用越来越广泛，对于频率选择表面的外形结构、重量、带外选择性以及通带带宽也就有了更高的要求。而现有技术设计的此类频率选择表面的外形为刚性结构，重量大，带外选择性有待提高，且外形为柔性结构的通带多为单频点通带，极大影响了频率选择表面的使用效果。针对现有技术的缺陷，本发明经过实验与研究提出一种具有传输零点的柔性多层频率选择表面。
参照图1，本发明包括依次层叠的顶层金属贴片谐振层1、开缝耦合金属贴片中间层2和底层金属贴片谐振层3，该顶层金属贴片谐振层1和底层金属贴片谐振层3均为呈周期分布的m×n个金属图案单元，其中m≥2，n≥2，开缝耦合金属贴片中间层2为呈周期分布的m×n个正方形金属单元。
所述顶层金属贴片谐振层1与开缝耦合金属贴片中间层2之间设有两个介质基板，其中，第一介质基板4采用厚度h1＝0.05mm，相对介电常数εr1＝3.5的薄膜介质，第二介质基板5采用厚度h2＝0.3mm，相对介电常数εr2＝2.04的超薄支撑介质；
所述开缝耦合金属贴片中间层2与底层金属贴片谐振层3之间设有三个介质基板，其中，第三介质基板6采用厚度h3＝0.05mm，相对介电常数εr3＝3.5的薄膜介质，第四介质基板7采用厚度h4＝0.3mm，相对介电常数εr4＝2.04的超薄支撑介质，第五介质基板8采用厚度h5＝0.05mm，相对介电常数εr5＝3.5的薄膜介质；
参照图2，本发明的顶层金属贴片谐振层1和底层金属贴片谐振层3上的每个金属图案单元均由Jerusalem十字11和在Jerusalem十字中心的分形结构14组合成，Jerusalem十字由交叉十字金属条13和位于交叉十字金属条13顶部的矩形金属条12构成，分形结构14由正方形金属贴片15在其四条边边缘分别蚀刻完全相同的两级阶梯状矩形凹槽构成，分别为第一级阶梯状矩形凹槽16和第二级阶梯状矩形凹槽17；
参照图3，本发明的开缝耦合金属贴片中间层2上的每个单元均为正方形金属表面21，每个正方形金属表面21的四条边边缘区域分别蚀刻有完全相同的矩形耦合缝隙22。
顶层金属贴片谐振层1和底层金属贴片谐振层3上的每个金属图案所在的单元均为正方形，其边长p与开缝耦合金属贴片中间层2上的每个正方形单元边长p相同，其取值范围为3mm≤p≤4mm，交叉十字金属条13的长度l1取值范围为2mm≤l1≤2.4mm，宽度为w1的取值范围为0.1mm≤w1≤0.2mm，十字交叉金属条顶部的矩形金属条12长度l1的取值范围为1mm≤l2≤2mm，宽度w2的取值范围为0.15mm≤w2≤0.25mm；分形结构14中正方形金属贴片边长l3的取值范围为1.5mm≤l3≤2mm，第一级矩形凹槽16宽度d1的取值范围为0mm≤d1≤1.1mm，第二级矩形凹槽17宽度d2的其取值范围为0mm≤d2≤0.7mm，d1＞d2；矩形缝隙22的长度g取值范围为1.6mm≤g≤2mm，宽度gw的取值范围，0.2mm≤gw≤0.4mm，g＞l2，gw＞w2，相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4的取值范围为1.5mm≤l4≤2.5mm。
以下给出三种实施例：
实施例1
本实例中顶层金属贴片谐振层1与底层金属贴片谐振层3上每个单元的边长p与开缝耦合金属贴片中间层2上的每个正方形单元边长p相同，即边长p＝3mm，矩形缝隙22的长g＝2mm，宽gw＝0.4mm，相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4＝2mm，第一介质基板4厚度h1＝0.05mm，第二介质基板5厚度h2＝0.3mm，第三介质基板6厚度h3＝0.05mm，第四介质基板7厚度h4＝0.3mm，第五介质基板8厚度h5＝0.05mm。
本实例对Jerusalem十字形11和分形结构14的参量设计分为以下两种特殊情况：
第一种情况中十字交叉金属条顶部的矩形金属条12长l2＝1.9mm，宽w2＝0.2mm，交叉十字金属条13长l1＝2.4mm，宽w1＝0.2mm，分形结构14的正方形金属贴片15的边长l3＝1.9mm，第二级矩形凹槽17宽d2＝0.7mm，第一级矩形凹槽16宽d1＝1.2mm；
第二种情况中十字交叉金属条顶部的矩形金属条12长l2＝1.7mm，宽w2＝0.2mm，交叉十字金属条13长l1＝2.4mm，宽w1＝0.2mm，分形结构14的正方形金属贴片15的边长l3＝1.9mm，第二级矩形凹槽17宽d2＝0mm，第一级矩形凹槽16宽d1＝0mm。
对比上述Jerusalem十字形11和分形结构14的两种参量情况可知：一方面，通过减小第一级矩形凹槽16的宽度d3和第二级矩形凹槽17的宽度d2，能够展宽频率选择表面的通带带宽，另一方面，通过增长矩形金属条12的长度l2，能够降低频率选择表面通带的中心频率。
实施例2
本实例中顶层金属贴片谐振层1与底层金属贴片谐振层3上每个单元的边长p与开缝耦合金属贴片中间层2上的每个正方形单元边长p相同，即边长p＝3mm，十字交叉金属条顶部的矩形金属条12长l2＝1.7mm，宽w2＝0.2mm，交叉十字金属条13长l1＝2.4mm，宽w1＝0.2mm，分形结构14中的正方形金属贴片15的边长l3＝1.9mm，第二级矩形凹槽17宽d2＝0.7mm，第一级矩形凹槽16宽d1＝1.2mm，第一介质基板4厚度h1＝0.05mm，第二介质基板5厚度h2＝0.3mm，第三介质基板6厚度h3＝0.05mm，第四介质基板7厚度h4＝0.3mm，第五介质基板8厚度h5＝0.05mm。
本实例对相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4和矩形缝隙22长度g、宽度gw的参量设计分成以下两种特殊情况：
第一种情况中，矩形缝隙22长g＝1.6mm，宽gw＝0.4mm，相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4＝2mm；
第二种情况中，矩形缝隙22长g＝1.8mm，宽gw＝0.5mm，相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4＝1.6mm。
对比上述相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4和矩形缝隙22长度g、宽度gw参量的两种情况可知：一方面，通过增大矩形缝隙22的长度g和宽度gw，能够使频率选择表面的通带带宽变宽且通带中间塌陷；另一方面，通过减小相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4，能够改变频率选择表面通带的右侧传输零点的位置。
实施例3
本实例中顶层金属贴片谐振层1与底层金属贴片谐振层3上每个单元的边长p与开缝耦合金属贴片中间层2上的每个正方形单元边长p相同，即边长p＝3mm，交叉十字金属条13长l1＝2.2mm，宽w1＝0.15mm，十字交叉金属条顶部的矩形金属条12长l2＝1.5mm，宽w2＝0.2mm，分形结构14中的正方形金属贴片15的边长l3＝1.8mm，第一级矩形凹槽16宽d1＝1mm，第二级矩形凹槽17宽d2＝0.6mm，矩形缝隙22长g＝1.7mm，宽gw＝0.4mm，相邻两个矩形缝隙22之间的距离l4＝2mm，第一介质基板4厚度h1＝0.05mm，相对介电常数εr1＝3.5，第二介质基板5厚度h2＝0.3mm，相对介电常数εr2＝3.5，第三介质基板6厚度h3＝0.05mm，相对介电常数εr3＝3.5，第四介质基板7厚度h4＝0.3mm，相对介电常数εr4＝3.5，第五介质基板8厚度h5＝0.05mm，相对介电常数εr5＝3.5。顶层金属贴片谐振层1、开缝耦合金属贴片中间层2和底层金属贴片谐振层3，均采用电导率σ＝6.1×107S/m的沉银表面。
下面通过仿真和实验对本实例的技术效果进行验证性说明。
1.仿真条件：
利用商业仿真软件HFSS_15.0对本实例3的传输系数和反射系数进行仿真。
2.仿真内容与结果：
仿真1，在正常入射条件下对本实例的频率选择表面进行仿真，得到传输系数曲线和反射系数曲线，如图4所示。由图4可知：频率选择表面的通带中心频率为21.5GHz，3-dB带宽范围为20.2GHz～22.8GHz，3-dB相对带宽为12.1％，通带的插入损耗为0.3dB，在通带右侧有两个传输零点。
仿真2，在TE极化以不同角度入射情况下对本实例频率选择表面进行仿真，得到传输系数曲线，如图5所示。由图5可知：入射角度范围为0°≤θ≤40°时，频率选择表面的通带性能和带外传输零点位置均比较稳定。
仿真3，在TM极化以不同角度入射情况下对本实例频率选择表面进行仿真，得到传输系数曲线，如图6所示。由图6可知：入射角度范围为0°≤θ≤40°时，频率选择表面的通带性能和带外传输零点位置均比较稳定。
以上仿真结果说明，本实例的频率选择表面的通带的3-dB相对工作带宽大于10％，通带右侧有两个传输零点，通带插损低，且该频率选择表面在TE极化和TM极化情况下以不同角度入射时均能表现出良好稳定的滤波特性和带外选择特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有传输零点的柔性多层频率选择表面，包括自上而下依次层叠的顶层金属贴片谐振层(1)、开缝耦合金属贴片中间层(2)和底层金属贴片谐振层(3)，顶层金属贴片谐振层(1)与开缝容性耦合金属贴片中间层(2)之间设有第一介质基板(4)和第二介质基板(5)，开缝容性耦合金属贴片中间层(2)与底层金属贴片谐振层(3)之间设有第三介质基板(6)、第四介质基板(7)和第五介质基板(8)，其特征在于：
所述的顶层金属贴片谐振层(1)和底层金属贴片谐振层(3)均由m×n个完全相同的Jerusalem十字结构(11)和位于Jerusalem十字结构中心的分形结构(14)组合而成，其中m≥2，n≥2；
所述的开缝耦合金属贴片中间层(2)，由m×n个完全相同的正方形金属表面(21)构成，每个正方形金属表面(21)的四条边边缘区域分别蚀刻有完全相同的矩形耦合缝隙(22)，以产生容性耦合，进而在通带右侧产生两个传输零点；
所述的第一介质基板(4)、第三介质基板(6)、第五介质基板(8)均采用薄膜型柔性介质；
所述第二介质基板(5)、第四介质基板(7)均采用超薄柔性支撑介质。
2.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，所述Jerusalem十字结构(11)，由十字交叉金属条(13)和十字交叉金属条顶部的矩形金属条(12)构成，矩形金属条(12)的长度l2取值范围为1.5mm≤l2≤1.8mm，宽度w2取值范围为0.1mm≤w2≤0.3mm，十字交叉金属条(13)的长度l1取值范围为2.2mm≤l1≤2.5mm，宽度w1取值范围为0.05mm≤w1≤0.2mm。
3.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，所述分形结构(14)，由正方形金属贴片(15)在其四条边边缘分别蚀刻完全相同的第一级阶梯状矩形凹槽(16)和第二级阶梯状矩形凹槽(17)构成，第一级矩形凹槽(16)宽度d1取值范围为0mm≤d1≤1.1mm，第二级矩形凹槽(17) 宽度d2取值范围为0mm≤d2≤0.7mm，d1＞d2，通过调整分形结构(14)的矩形凹槽宽度d1和d2控制通带的带宽。
4.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，相邻两个矩形缝隙(22)之间的距离l4取值范围为1.5mm≤l4≤2.5mm，用以控制带外零点；矩形耦合缝隙(22)的长度g取值范围为1.6mm≤g≤2mm，宽度gw取值范围为0.2mm≤gw≤0.4mm，g＞l2，gw＞w2，通过调整长度g和宽度gw控制顶层与底层之间的容性耦合大小。
5.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，第一介质基板(4)采用厚度h1＝0.05mm，相对介电常数εr1＝3.5的薄膜介质。
6.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，第三介质基板(6)采用厚度h3＝0.05mm，相对介电常数εr3＝3.5的薄膜介质。
7.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，第五介质基板(8)采用厚度h5＝0.05mm，相对介电常数εr5＝3.5的薄膜介质。
8.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，第二介质基板(5)采用厚度h2＝0.3mm，相对介电常数εr2＝2.04的超薄支撑介质。
9.根据权利要求1所述的具有传输零点的柔性多层频率选择表面，其特征在于，第四介质基板(7)采用厚度h4＝0.3mm，相对介电常数εr4＝2.04的超薄支撑介质。
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