CN110690538A - 一种双频双极化带通三维频率选择表面 - Google Patents

一种双频双极化带通三维频率选择表面 Download PDF

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徐彤
朱东进
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Abstract

本发明公开了一种双频双极化带通三维频率选择表面。该频率选择表面由若干个相同的单元结构周期排列组成。每个单元结构由三层组成；最外层为内表面敷满铜箔的介质方筒，相邻单元结构的最外层之间构成平行板路径；中间层为内表面刻蚀两个相同金属方环的介质方筒，用于提供一个同轴路径；最里层为内表面刻蚀两个相同金属方环的介质方筒，用于提供另一个同轴路径。每个同轴路径由于电磁耦合产生两个传输极点，形成一个通带；由于平行板路径和同轴路径之间信号相位反向，在两个通带间产生两个传输零点，且在低频通带左侧带外和高频通带右侧带外各产生一个传输零点。该频率选择表面具有双极化、良好的角度稳定性、高选择性及较小的电尺寸等优势。

Description

一种双频双极化带通三维频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种双频双极化带通三维频率 选择表面。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种由具有特定形状的周期单元组成的二维阵列结构。过去几十年里，频率选择表面已被广泛应用于空间 滤波、天线罩、电磁屏蔽、反射器以及吸波体等领域。由于卫星通信系统对双频 通信需求的日益增加，具有高选择特性、良好的角度稳定性、较小的电尺寸、双 极化等特点的频率选择表面得到了深入的研究和广泛的应用。
传统的双频双极化带通频率选择表面通常采用互补结构、盘绕等来实现，但 是这类设计的频率选择表面每个通带仅包含一个传输极点，导致通带不够平坦。 后来研究人员通过圆形或方形的口径耦合，将单一的传输极点分裂为奇模和偶模 两个传输极点，通带性能得到了有效的改善，但是由于没有产生任何的传输零点， 因此其频率选择特性较差。为了解决这个问题，出现了采用多层堆叠方式进行电 磁耦合，在带外引入了多个传输零点，但多层技术带来了电尺寸和厚度的大大增 加，导致其入射角度稳定性能变差。除此之外，近年来出现了三维频率选择表面， 相比于传统的二维结构，多了一个维度的设计自由度，其很容易构造出多个谐振 腔，由此可以产生更多的传输零点和极点，从而改善频率选择性能，但仍很难在 低频通带两侧均引入传输零点，此外也由于采用了不对称的单元结构导致很难实 现双极化。就目前研究人员已公开的双频双极化带通频率选择表面来说，尚未发现通带间具有两个传输零点，且低频通带左侧带外和高频通带右侧带外均具有传 输零点的双频双极化带通频率选择表面。
发明内容
本发明提供一种双频双极化带通三维频率选择表面，在TE和TM不同极化 模式和0°-60°入射角下具有稳定的频率响应，此外还具备高频率选择性和较小的 电尺寸。
本发明提供一种双频双极化带通三维频率选择表面，由若干个相同的单元结 构周期排列组成。每个单元结构由三层组成；最外层为内表面敷满铜箔的介质方 筒，相邻单元结构的最外层之间构成平行板路径；中间层为内表面刻蚀两个相同 金属方环的介质方筒，用于提供一个同轴路径；最里层为内表面刻蚀两个相同金 属方环的介质方筒，用于提供另一个同轴路径。
本发明所提供的双频双极化带通三维频率选择表面，每个同轴路径的顶部和 底部各形成一个短同轴结构，由于这两个短同轴之间的电磁耦合作用，短同轴原 有的单个方槽谐振模式分裂为奇模和偶模两种谐振模式，因此每个同轴路径可以 产生两个传输极点，各自形成一个平坦的通带；由于同轴路径和平行板路径之间 信号相位反向，在两个通带间产生两个传输零点，且在低频通带左侧带外和高频 通带右侧带外各产生一个传输零点，有效地提升该频率选择表面的频率选择性能。 由于单元结构的对称性，保证了其具有双极化特性。由于较小的电尺寸设计，确 保了0-60°角度入射下该频率选择表面具有较为稳定的频率响应。因此，本发明 具有较好的实用性和广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提出的双频双极化带通三维频率选择表面的单元结构三维示 意图(a)、俯视图及参数标注(b)和侧视图及参数标注(c)。
图2为构成本发明单元结构的三层结构示意图(a)最外层；(b)中间层；(c)最 里层。
图3为本发明提出的双频双极化带通三维频率选择表面的三维示意图。
图4为本发明提出的双频双极化带通三维频率选择表面在电磁波垂直入射 时的传输系数和反射系数仿真结果图。
图5为本发明提出的双频双极化带通三维频率选择表面在不同入射角度下 的传输系数仿真结果图(a)TE模式；(b)TM模式。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例 做进一步的阐述。
图1(a)为本发明提出的双频双极化带通三维频率选择表面的单元结构三 维示意图。每个单元包括最外层的介质方筒1、中间层的介质方筒2和最里层的 介质方筒3三层结构。同时，最外层的介质方筒1内表面敷满铜箔11，相邻单 元结构的最外层之间构成平行板路径；中间层的介质方筒2内表面刻蚀两个相同 金属方环21和22，用于提供一个同轴路径；最里层的介质方筒3内表面刻蚀两 个相同金属方环31和32，用于提供另一个同轴路径。
图1(b)和图1(c)分别给出了单元结构的俯视图和侧视图。图中的设计 参数为：p＝12mm，a＝11mm，b＝8mm，c＝6mm，t1＝1.5mm，t2＝1.8mm，t＝11 mm，最外层的介质方筒、中间层的介质方筒和最里层的介质方筒的介质相对介 电常数分别为2.2，7.5，7.5。
如图2所示，本发明提出的双频双极化带通频率选择表面是由图1(a)的 单元结构在二维平面方向上周期排列构成，图2仅给出了4×4个单元结构的排 列示意图，实际加工测试时需要制作上百个单元。
图2给出了构成本发明单元结构的三层结构示意图。图2(a)为最外层， 也就是内表面敷满铜箔11的介质方筒1；图2(b)为中间层，也就是内表面刻 蚀两个相同金属方环21和22的介质方筒2；图2(c)为最里层，也就是内表面 刻蚀两个相同金属方环31和32的的介质方筒3。
图4为本发明提出的双频双极化带通三维频率选择表面在电磁波垂直入射 时的传输系数和反射系数仿真结果图。由图可知，低频通带的两个传输极点分别 位于3.53GHz和3.6GHz，中心频率为3.56GHz，通带3dB带宽为6.5％，两侧 的传输零点分别位于3.11GHz和3.82GHz。高频通带的两个传输极点分别位于 5.08GHz和5.19GHz，中心频率为5.15GHz，通带3dB带宽为7.97％，两侧的 传输零点分别位于4.65GHz和5.82GHz。单元结构的电尺寸为0.14λ0×0.14λ0×0.13λ0，其中λ0为低频通带中心频率处自由空间波长。因此可以看出，该频率 选择表面具有高选择性和较小的电尺寸。
图5(a)和图5(b)分别为本发明在TE和TM两种极化模式下不同入射 角度对应的传输系数仿真结果图。由图可知，在TE和TM两种极化模式下，电 磁波以0°，30°，60°角度入射时具有稳定的频率响应。

Claims (2)

1.一种双频双极化带通三维频率选择表面，由若干个相同的单元结构在二维平面方向上周期排列组成，其特征在于，所述单元结构由三层组成；最外层为内表面敷满铜箔的介质方筒，相邻单元结构的最外层之间构成平行板路径；中间层为内表面刻蚀两个相同金属方环的介质方筒，用于提供一个同轴路径；最里层为内表面刻蚀两个相同金属方环的介质方筒，用于提供另一个同轴路径。
2.根据权利要求1所述的一种双频双极化带通三维频率选择表面，其特征在于，所述同轴路径由于电磁耦合产生两个传输极点，形成一个通带；由于平行板路径和同轴路径之间信号相位反向，在两个通带间产生两个传输零点，且在低频通带左侧带外和高频通带右侧带外各产生一个传输零点。
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