CN110600886A - 一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线 - Google Patents

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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/002—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices being reconfigurable or tunable, e.g. using switches or diodes
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands

Abstract

本发明公开了一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线，包括介质基板组、液晶层和谐振环贴片组，介质基板组包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的数量为两个，第二介质基板位于两个第一介质基板之间，液晶层的数量为两个，两个液晶层分别位于第二介质基板的两侧，且分别位于第一介质基板和第二介质基板之间，谐振环贴片组包括第一谐振环、第二谐振环、第三谐振环和第四谐振环，第一谐振环和第四谐振环分别位于第一介质基板和液晶层之间，第二谐振环和第三谐振环分别位于液晶层和第二介质基板之间。通过对加载在介质基板组之间的液晶层施加偏置电压实现频率选择表面的可调谐功能。

Description

一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种对空间电磁波产生频率选择效应的周期结构，由相同的贴片或缝隙单元按一维或二维周期性排列构成的无限大结构，它对具有不同工作频率、极化方式和入射角度的电磁波具有选择特性。在与电磁波相互作用时，表现出明显的带通或带阻滤波特性，因此被广泛应用于军事及无线通信领域。但是传统的频率选择表面具有不可调谐的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线，旨在解决传统的频率选择表面具有不可调谐的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线，包括介质基板组、液晶层和谐振环贴片组，所述介质基板组包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的数量为两个，所述第二介质基板位于两个所述第一介质基板之间，所述液晶层的数量为两个，两个所述液晶层分别位于所述第二介质基板的两侧，且分别位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，所述谐振环贴片组包括第一谐振环、第二谐振环、第三谐振环和第四谐振环，所述第一谐振环和所述第四谐振环分别位于所述第一介质基板和所述液晶层之间，所述第二谐振环和所述第三谐振环分别位于所述液晶层和所述第二介质基板之间。
其中，所述第一谐振环包括第一圆形金属贴片和第一圆环贴片，所述第一圆形金属贴片和所述第一圆环贴片同心，且所述第一圆形金属贴片的半径小于所述第一圆环贴片的内径。
其中，所述第二谐振环包括第二圆环贴片和第三圆环贴片，所述第二圆环贴片和第三圆环贴片同心，且所述第二圆环贴片的外径小于所述第三圆环贴片的内径。
其中，所述第一谐振环与所述第二谐振环互补。
其中，所述第三谐振环与所述第二谐振环镜面对称，所述第四谐振环与所述第一谐振环镜面对称，且所述第三谐振环与所述第四谐振环互补。
其中，所述第一介质基板的厚度为0.254mm，所述第二介质基板的厚度为1.27mm，所述液晶层的厚度为0.254mm，所述第一介质基板、第二介质基板和所述液晶层的长度均为4.8mm，宽度均为4.8mm。
其中，所述第一圆形金属贴片的半径为1mm，所述第一圆环贴片的内径为2.8mm，外径为3.6mm；所述第二圆环贴片的内径为2mm，外径为2.8mm，所述第三圆环贴片的内径为3.6mm，外径为4.4mm。
本发明的一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线，通过所述第二介质基板位于两个所述第一介质基板之间，两个所述液晶层分别位于所述第二介质基板的两侧，且分别位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，所述第一谐振环和所述第四谐振环分别位于所述第一介质基板和所述液晶层之间，所述第二谐振环和所述第三谐振环分别位于所述液晶层和所述第二介质基板之间。基于液晶材料，通过谐振环的前后级联层叠，在Ku以及K波段内实现多频带的宽带小型化频率选择表面天线设计；通过对加载在介质基板组之间的液晶层施加偏置电压实现频率选择表面的可调谐功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明多频带的宽带小型化频率选择表面天线的结构示意图；
图2是本发明级联层叠的双互补谐振环贴片组的结构示意图；
图3是本发明第一谐振环和第二谐振环互补的俯视图；
图4是本发明双互补谐振环结构仿真结果图；
图5是本发明液晶调谐仿真结果示意图；
图中：100-多频带的宽带小型化频率选择表面天线、10-介质基板组、20-液晶层、30-谐振环贴片组、101-第一介质基板、102-第二介质基板、301-第一谐振环、302-第二谐振环、303-第三谐振环、304-第四谐振环、3011-第一圆形金属贴片、3012-第一圆环贴片、3021-第二圆环贴片、3022-第三圆环贴片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图3，本发明提供一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线100，包括介质基板组10、液晶层20和谐振环贴片组30，所述介质基板组10包括第一介质基板101和第二介质基板102，所述第一介质基板101的数量为两个，所述第二介质基板102位于两个所述第一介质基板101之间，所述液晶层20的数量为两个，两个所述液晶层20分别位于所述第二介质基板102的两侧，且分别位于所述第一介质基板101和所述第二介质基板102之间，所述谐振环贴片组30包括第一谐振环301、第二谐振环302、第三谐振环303和第四谐振环304，所述第一谐振环301和所述第四谐振环304分别位于所述第一介质基板101和所述液晶层20之间，所述第二谐振环302和所述第三谐振环303分别位于所述液晶层20和所述第二介质基板102之间。
在本实施方式中，小型化频率选择表面(Miniaturized Elements FSS，MEFSS)是FSS发展的一个重要方向，它主要利用单元卷曲和交指技术、集总元件加载技术以及容性表面与感性表面耦合技术等，使FSS单元尺寸突破工作波长的限制，从而减小体积，提高FSS的角度稳定性，并且在有限空间、局部小区域、非平面波照射等特殊情况下，依然能获得优良的滤波特性。基于卷曲、交指技术及元件加载技术虽然能够大幅度降低多波段频率选择表面的单元尺寸，但基于该方法设计的多波段频率选择表面的高频段易出现模式互作用零点和栅瓣，角度稳定性不理想，也不具有高频率选择性和带外抑制特性，且带宽相对较窄。所述多频带的宽带小型化频率选择表面天线100利用容性表面与感性表面耦合技术，在两个所述第一介质基板101和一个所述第二介质基板102的一侧印刷周期性排列的金属贴片，在另一侧印刷于金属贴片相同周期的线栅结构，金属贴片等效为容性表面，储存电场能；线栅层等效为感性表面，存储磁场能，利用所述介质基板组10两侧的容性表面与感性表面的等效电路，利用滤波器的设计原理使频率选择表面实现小型化。所述第一介质基板101和所述第二介质基板102的材料为Rogers RO4350，是高频PCB材料，RO4350系列的材料具有超过280℃(536°F)的TG(热重)，因此其在电路中的所有工艺温度下的膨胀特性保持稳定。所述第一谐振环301和所述第四谐振环304分别位于所述第一介质基板101和所述液晶层20之间，所述第二谐振环302和所述第三谐振环303分别位于所述液晶层20和所述第二介质基板102之间，形成谐振环的级联方式，在实现多频带的同时具有较大带宽。其中一个所述液晶层20位于所述第一谐振环301和所述第二谐振环302之间，另一个所述液晶层20位于所述第三谐振环303和所述第四谐振环304之间，所述液晶层20为液晶材料制成，液晶(LiquidCrystal)是一种介于液体和晶体的高分子材料，同时具有液体的流动性及固态晶体的分子方向性。液晶材料密度小、质量轻加载液晶材料的调谐元件可获得较小的体积、较轻的重量以及较强的多样性；同时在较高频段还保持较高的调谐率，适用于高频微波器件。通过施加偏置电压使得填充在所述第一介质基板101、所述第二介质基板102间液晶分子发生偏转，液晶材料的等效介电常数也随之改变，使得频率选择表面可调谐。此外所述多频带的宽带小型化频率选择表面天线100的阵列排列方式采用矩形排序，一般而言，结构越紧凑，整体尺寸越小但是单元之间耦合越大，难以消除耦合引起的寄生参数；结构越松散，单元之间的耦合越小，寄生参数越小性能越好。
进一步的，所述第一谐振环301包括第一圆形金属贴片3011和第一圆环贴片3012，所述第一圆形金属贴片3011和所述第一圆环贴片3012同心，且所述第一圆形金属贴片3011的半径小于所述第一圆环贴片3012的内径。所述第二谐振环302包括第二圆环贴片3021和第三圆环贴片3022，所述第二圆环贴片3021和第三圆环贴片3022同心，且所述第二圆环贴片3021的外径小于所述第三圆环贴片3022的内径。所述第一谐振环301与所述第二谐振环302互补。所述第一圆形金属贴片3011的半径为1mm，所述第一圆环贴片3012的内径为2.8mm，外径为3.6mm；所述第二圆环贴片3021的内径为2mm，外径为2.8mm，所述第三圆环贴片3022的内径为3.6mm，外径为4.4mm。
在本实施方式中，所述第一圆形金属贴片3011和所述第一圆环贴片3012处于同一平面上，是一个切割圆环的圆形金属贴片，所述第一圆形金属贴片3011的半径为1mm，所述第一圆环贴片3012的内径为2.8mm，外径为3.6mm；所述第二谐振环302为一个割掉所述第一谐振环301的圆形金属贴片，所述第二圆环贴片3021和所述第三圆环贴片3022处于同一平面上，所述第二圆环贴片3021的内径为2mm，外径为2.8mm，所述第三圆环贴片3022的内径为3.6mm，外径为4.4mm；所述第一谐振环301和所述第二谐振环302形成互补的谐振环级联层叠结构，不仅能实现良好的滤波特性，还能在多频带实现选频特性。电磁波入射至频率选择表面，引起互补谐振环谐振进行选频。请参阅图4，在Ku波段内同时存在一个阻带和通带，-15dB相对防护带宽分别约为13％和6％。在K波段内存在一个阻带，-15dB相对防护带宽约为10％。
进一步的，所述第三谐振环303与所述第二谐振环302镜面对称，所述第四谐振环304与所述第一谐振环301镜面对称，且所述第三谐振环303与所述第四谐振环304互补。
在本实施方式中，所述第三谐振环303和所述第二谐振环302的结构尺寸相同，所述第四谐振环304与所述第一谐振环301的结构尺寸相同，所述第三谐振环303与所述第四谐振环304形成互补的谐振环级联层叠结构，整个所述谐振环贴片组30形成双互补谐振环级联层叠结构，实现较宽带宽的同时具有良好的频带选择性，在不同的频带内分别实现通带和阻带，以满足当今无线通信系统对双频带或多频带频率选择表面日益增长的需求。
进一步的，所述第一介质基板101的厚度为0.254mm，所述第二介质基板102的厚度为1.27mm，所述液晶层20的厚度为0.254mm，所述第一介质基板101、第二介质基板102和所述液晶层20的长度均为4.8mm，宽度均为4.8mm。
在本实施方式中，所述第一介质基板101、所述第二介质基板102、所述液晶层20的厚度以及所述液晶层20的长度和宽度，使整个所述多频带的宽带小型化频率选择表面天线100的整体尺寸减少，同时又能达到滤波选频的效果。将液晶材料加载至两个所述第一介质基板101和所述第二介质基板102之间，紧靠所述液晶层20的所述介质基板组10刻蚀互补谐振环。液晶介电常数的调谐范围有限(仿真取2.2和3.2)，且液晶层20厚度不宜太厚避免响应时间太慢等问题。通过对液晶层20施加偏置电压，实现频率选择表面的可调谐性，频率可调达200Mhz，请参阅图5。
本发明的一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线100，利用所述谐振环贴片组30双互补谐振进行级联层叠，在所述介质基板组10两侧分别印刷容性表面和感性表面，利用滤波器的设计原理使频率选择表面实现小型化，且能在实现滤波功能的同时具有多频带频率选择特性；基于所述液晶层20的液晶材料实现可调谐性，通过对加载在所述介质基板组10之间的液晶材料施加偏置电压，实现频率选择表面的可调谐性。频率选择表面在空间上对电磁波具有选择透过或阻断特性，可用于雷达天线罩、降低天线阵雷达散射截面，使雷达实现“隐身”。结合宽带、多频带、小型化的可调谐频率选择表面能大大降低雷达散射截面，从而大幅提升雷达天线罩的综合作战能力。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
包括介质基板组、液晶层和谐振环贴片组，所述介质基板组包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的数量为两个，所述第二介质基板位于两个所述第一介质基板之间，所述液晶层的数量为两个，两个所述液晶层分别位于所述第二介质基板的两侧，且分别位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，所述谐振环贴片组包括第一谐振环、第二谐振环、第三谐振环和第四谐振环，所述第一谐振环和所述第四谐振环分别位于所述第一介质基板和所述液晶层之间，所述第二谐振环和所述第三谐振环分别位于所述液晶层和所述第二介质基板之间。
2.如权利要求1所述的多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
所述第一谐振环包括第一圆形金属贴片和第一圆环贴片，所述第一圆形金属贴片和所述第一圆环贴片同心，且所述第一圆形金属贴片的半径小于所述第一圆环贴片的内径。
3.如权利要求2所述的多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
所述第二谐振环包括第二圆环贴片和第三圆环贴片，所述第二圆环贴片和第三圆环贴片同心，且所述第二圆环贴片的外径小于所述第三圆环贴片的内径。
4.如权利要求1所述的多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
所述第一谐振环与所述第二谐振环互补。
5.如权利要求1所述的多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
所述第三谐振环与所述第二谐振环镜面对称，所述第四谐振环与所述第一谐振环镜面对称，且所述第三谐振环与所述第四谐振环互补。
6.如权利要求1所述的多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
所述第一介质基板的厚度为0.254mm，所述第二介质基板的厚度为1.27mm，所述液晶层的厚度为0.254mm，所述第一介质基板、第二介质基板和所述液晶层的长度均为4.8mm，宽度均为4.8mm。
7.如权利要求3所述的多频带的宽带小型化频率选择表面天线，其特征在于，
所述第一圆形金属贴片的半径为1mm，所述第一圆环贴片的内径为2.8mm，外径为3.6mm；所述第二圆环贴片的内径为2mm，外径为2.8mm，所述第三圆环贴片的内径为3.6mm，外径为4.4mm。
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