CN110931983A - 一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面，属于天线工程技术领域，涉及一种双极化频率选择表面。该频率选择表面由频率选择表面单元阵列拼接组合而成,频率选择表面单元为金属正方形环状结构，环状结构的每条边都设置有两条向内伸出的条带状偶极子：第一偶极子和第二偶极子，第一偶极子的高度大于第二偶极子，各偶极子与其对应的环状结构边的夹角相同且不为90°，各偶极子与其对应的环状结构边所夹的锐角开口方向一致。传统的环形单元不适合一体化连接结构，需要介质支撑；传统的偶极子形单元通带带宽较小，带内损耗较高。本发明通过采用变形的方环形单元，获得了和传统环形单元相似的带宽和更低的带内损耗，且可以通过金属加工实现。

Description

一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种双极化频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(FSS)可以对空间中的电磁波进行空间滤波。通常是由二维周期结构而设计的空间滤波表面。可以分为贴片型和缝隙型两类，分别是对应带阻和带通选择特性的结构。其可以被应用在天线罩中，实现天线的低雷达散射截面(RCS)特性。如在文献“Thin 3-D Bandpass Frequency-Selective Structure Based on Folded Substratefor Conformal Radome Applications”中提出了一种多层三维结构的频率选择表面，可用于天线罩中实现RCS缩减的效果。
此外，通过将频率选择表面以准周期的形式排布组阵，即相邻单元尺寸不同，实现不同的透射/反射幅度和相位，可以成为新形式的超材料天线，即透射/反射阵列天线。如在文献“Low-RCS Reflectarray with Phase Controllable Absorptive Frequency-Selective Reflector”中，提出了基于频率选择表面的低RCS反射阵天线。在文献“Designof Wideband,FSS-Based MultiBeam Antennas Using the Effective Medium Approach”中提出了一种基于频率选择表面的多波束透镜天线。这类基于频率选择表面的超材料天线具有高增益、低剖面、不需要复杂馈电结构、结构简单等优点。
文献“Frequency Selective Surface：Theory and Design”中提出并归纳了几种不同特性的频率选择表面单元。按照单元类型，大致可以分为中心连接单元、环形单元、实心单元、组合组合单元四类。其中，环形单元通常被用于天线罩，实现带通特性。大部分频率选择表面均采用介质基板加金属作为材料，用印制电路板工艺加工而成。然而，在毫米波频段，介质板损耗较大；在一些高功率、高温度环境下，介质基板的介电常数等电特性随温度上升而变化，此时的频率选择表面天线罩性能将极大恶化。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出一种新型的双极化带通环形条带加载单元，采用金属材料(不需要介质板)，且具有与常规有介质存在的环形单元相似的宽带、更低的带内损耗特性，易于实现共形，可以更好地工作在毫米波频段，尤其是高温环境下。
本发明采用的技术方案为：一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面,该频率选择表面由频率选择表面单元阵列拼接组合而成,频率选择表面单元为金属正方形环状结构，环状结构的每条边都设置有两条向内伸出的条带状偶极子：第一偶极子和第二偶极子，第一偶极子的高度大于第二偶极子，各偶极子与其对应的环状结构边的夹角相同且不为90°，各偶极子与其对应的环状结构边所夹的锐角开口方向一致。
进一步的，所述第一偶极子和第二偶极子与其对应的环状结构边的夹角为85°；所述频率选择表面单元的金属正方形环状结构的尺寸为0.55λ×0.55λ，边的宽度为0.032λ，厚度为0.063λ；第二偶极子的宽度为0.063λ，长边高度为0.146λ，第二偶极子到正方形环状结构的相邻边的间隙为0.215λ；第一偶极子的宽度为0.063λ，短边高度为0.127λ，第一偶极子与第二偶极子之间的间隙为0.063λ，其中λ为中心频率f0对应的真空中波长。
进一步的，所述频率选择表面材料为钨铜，工作在W波段。
进一步的，采用多层频率选择表面的叠加实现频率的反射或透射。
本发明采用金属材料，重量轻、剖面极低，没有介质损耗，适用于毫米波频段尤其是高温环境平台中，且有共形的潜力。传统的环形单元不适合一体化连接结构，需要介质支撑；传统的偶极子形单元通带带宽较小，带内损耗较高。本发明通过采用变形的方环形单元，获得了和传统环形单元相似的带宽和更低的带内损耗，且可以通过金属加工实现。
附图说明
图1为本发明频率选择表面俯视图。
图2为本发明频率选择表面单元俯视图。
图3为本发明频率选择表面和两种传统频率选择表面透射率随频率变化曲线。
图4为W波段喇叭天线照射本发明频率选择表面示意图。
图5为加载/无加载本发明频率选择表面时喇叭天线的E面和H面方向图。
图6为加载/无加载本发明频率选择表面时喇叭天线的增益曲线。
图7为本发明频率选择表面缩比到X波段的透射率随频率变化曲线。
图中：1为第一偶极子，2为第二偶极子。
具体实施方式
本实施例中频率选择表面结构如图1，由该频率选择表面单元在二维平面上周期性排布组阵构成，单元结构如图2。频率选择表面材料为钨铜，厚度为0.063λ，λ为中心频率f0对应的真空中波长。由金属环和8个加载条带组成。单元尺寸为0.55λ×0.55λ，工作在W波段，中心频率为f0。该频率选择表面通过金属正方形环状结构及环状结构的每条边都设置有两条向内伸出的条带状偶极子围成的槽状结构来实现特定频率透射或频率反射。采用激光切割工艺在整块金属平面上进行开槽加工；当用于较低频段时，采用CNC工艺或者PCB腐蚀工艺加工。
如图2，该频率选择表面单元结构尺寸参数如下：l1＝0.146λ,w1＝0.063λ，d1＝0.063λ，l2＝0.127λ，w2＝0.063λ，d2＝0.215λ。当工作频率f0较高，比如毫米波频段，且在高功率耐受、高环境温度时，由于频率太高，对介质板介电常数、厚度的变化过于敏感，因而可以使用金属材料并且采用激光切割的工艺加工制造，能保证精度和使用性能；当工作频率f0较低，如X波段，且环境温度等条件限制不多时，可以使用介质板材料，PCB工艺加工，能在保证加工精度的同时，降低加工和材料成本。单元层数也可根据实际频率响应的需求，采取多层结构、混合结构，将该频率选择表面作为其中一层或多层。
图3给出了本发明频率选择表面和传统的偶极子形、双方环形的频率选择表面透射率的性能对比。从图中可见，本发明中单元结构具有比双方环形结构更宽的通带带宽，且远高于的传统的偶极子形频率选择表面；所提出单元的带内损耗也比后两者更低，在0.89f0～1.11f0频带范围内低于-0.45dB。
将该频率选择表面结构加载在W波段喇叭天线口径上方，喇叭天线口径尺寸为2λ×1.6λ，频率选择表面尺寸为8.25λ×4.95λ，二者距离0.9λ，见图4。加载前与加载后在中心频点f0处的E、H面方向图见图5(a)和图5(b)，加载频率选择结构(FSS)后天线增益下降约0.01dB，方向图并无显著变化，主瓣几乎重合，且在±90°辐射范围内，波束较为一致。加载FSS前后增益随频率变化的曲线见图6，可见该频率选择表面作为天线罩对天线辐射特性几乎没有影响。
图7给出了本发明中的频率选择表面设计应用在X波段时，使用PCB工艺加工的单元透射性能。从图中可见，本发明中的单元缩比到X波段后，依然具备良好性能。其通带中心频率为9.1GHz，带内损耗低；0.5dB通带范围为7.37GHz～10.53GHz，带宽即34.7％。

Claims (4)

1.一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面,该频率选择表面由频率选择表面单元阵列拼接组合而成,频率选择表面单元为金属正方形环状结构，环状结构的每条边都设置有两条向内伸出的条带状偶极子：第一偶极子和第二偶极子，第一偶极子的高度大于第二偶极子，各偶极子与其对应的环状结构边的夹角相同且不为90°，各偶极子与其对应的环状结构边所夹的锐角开口方向一致。
2.如权利要求1所述的一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面,其特征在于所述第一偶极子和第二偶极子与其对应的环状结构边的夹角为85°；所述频率选择表面单元的金属正方形环状结构的尺寸为0.55λ×0.55λ，边的宽度为0.032λ，厚度为0.063λ；第二偶极子的宽度为0.063λ，长边高度为0.146λ，第二偶极子到正方形环状结构的相邻边的间隙为0.215λ；第一偶极子的宽度为0.063λ，短边高度为0.127λ，第一偶极子与第二偶极子之间的间隙为0.063λ，其中λ为中心频率f0对应的真空中波长。
3.如权利要求2所述的一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面,其特征在于所述频率选择表面材料为钨铜，工作在W波段。
4.如权利要求2所述的一种用于平面双极化毫米波宽带频率选择表面,其特征在于采用多层频率选择表面的叠加实现频率的反射或透射。
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