CN111009734B - 具有紧密间隔频率响应特性的双频fss及其单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FSS及其单元结构，所述单元结构包括金属层和介质基板，所述金属层设置在所述介质基板上；所述金属层包括弓字型环状金属贴片和方环型金属贴片，其中，所述方环型金属贴片围绕在所述弓字型环状金属贴片的外周，且所述方环型金属贴片的中心与所述弓字型环状金属贴片的中心重合；所述弓字型环状金属贴片由多个弓字型金属单元首尾连接，形成中心对称的环状结构。所述双频FSS包括M×N个周期性排布的所述单元结构。该双频FSS具有双频段带阻特性，可以实现在‑10dB深度下频段5.59‑6.51GHz和7.43‑9.61GHz上的带阻效果，具有优异的极化稳定性和角度稳定性，且尺寸很小，满足器件小型化需求。

Description

具有紧密间隔频率响应特性的双频FSS及其单元结构

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FSS及其单元结构。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，能有效地控制电磁波的反射和传输，当电磁波入射到频率选择表面上时，表现出带通或者带阻的特性。频率选择表面实质上是一种空间滤波器。FSS的结构主要是由介质基底以及覆盖在介质表面的金属阵列构成，介质基底主要起到一个支撑作用，用来增强整个FSS结构的机械强度，而金属阵列通过与电磁波的感应使得整个结构对电磁波产生特定的选择透过性。FSS由于其独特的特性具有很强的研究价值，在军事工业上具有很好的应用前景，尤其是在隐身技术的研究方面。在实际工程应用中也得到了巨大发展，可应用于滤波器、耦合器、天线、极化鉴定器等方面。

随着电子通信和无线通信设备的发展，多频系统的设计变得越来越重要，对具有多波段性能的FSS的需求也越来越大。在实际应用中，多频带FSS用于需要多个独立传输频带的场合。在多频段FSS设计中，谐振响应间隔是一个重要的参数。现有的多频系统，谐振响应间隔过大，不能满足FSS在实际应用中的需求；且现有的多频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，本发明提供了一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FSS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构，包括金属层和介质基板，所述金属层设置在所述介质基板上；

所述金属层包括弓字型环状金属贴片和方环型金属贴片，其中，所述方环型金属贴片围绕在所述弓字型环状金属贴片的外周，且所述方环型金属贴片的中心与所述弓字型环状金属贴片的中心重合；

所述弓字型环状金属贴片由多个弓字型金属单元首尾连接，形成中心对称的环状结构。

在本发明的一个实施例中，所述方环型金属贴片为正方形环。

在本发明的一个实施例中，所述弓字型环状金属贴片由结构和尺寸均相同的八个弓字型金属单元首尾连接形成，其中，每个所述弓字型金属单元在靠近所述方环型金属贴片的一侧包括四个凸出部。

在本发明的一个实施例中，相邻所述弓字型金属单元之间的夹角为45°。

在本发明的一个实施例中，所述金属层由铜金属制成，所述介质基板由相对介电常数为4.4、电切损耗为0.02的耐热材料制成。

在本发明的一个实施例中，所述介质基板的上表面为正方形结构，边长为8mm。

在本发明的一个实施例中，所述方环型金属贴片的四条边分别与所述介质基板的对应边平行。

在本发明的一个实施例中，所述方环型金属贴片的边长为7mm，贴片宽度为0.1mm。

在本发明的一个实施例中，所述弓字型金属单元的贴片宽度为0.1mm，相邻所述凸出部之间的间距为0.1mm。

本发明的另一方面提供了一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS，包括M×N个周期性排布的如上述实施例中任一项所述的双频FFS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、本发明具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构尺寸很小，其单元结构的表面尺寸仅为8mm*8mm，能够满足如今器件追求小型化的需求。

2、本发明的双频FFS具有双频段带阻特性，可以实现在-10dB深度下频段5.59-6.51GHz和7.43-9.61GHz上的带阻效果。

3、该双频FFS的谐振频率为6.27GHz和8.31GHz，谐振频率比为1.32，具有紧密间隔特性。

4、该双频FFS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，始终具有紧密间隔特性。

5、该双频FFS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，始终具有紧密间隔特性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构的立体图；

图2是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构的侧视图；

图3是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构的金属层的尺寸标注图；

图4是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS的立体图；

图5是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图。

附图标记如下：

1-金属层；11-弓字型环状金属贴片；111-弓字型金属单元；1111-凸出部；12-方环型金属贴片；2-介质基板。

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一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FSS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。

实施例一

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构的立体图；图2是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构的侧视图。该双频FFS单元结构包括金属层1和介质基板2，金属层1设置在介质基板2上。在本实施例中，介质基板2的上表面由正方形结构，尺寸为8mm*8mm。另外，金属层1的厚度在0.017mm-0.035mm范围内，介质基板2的厚度为1mm。相比于现有的FFS单元，本实施例的双频FFS单元结构的尺寸很小，满足如今器件追求小型化的趋势。

进一步地，金属层1包括弓字型环状金属贴片11和方环型金属贴片12，其中，弓字型环状金属贴片11和方环型金属贴片12均贴合在介质基板2的上表面。方环型金属贴片12围绕在弓字型环状金属贴片11的外周，且方环型金属贴片12的中心与弓字型环状金属贴片11的中心重合。在本实施例中，方环型金属贴片12为正方形环。方环型金属贴片12的四条边分别与所述介质基板2的对应边平行。方环型金属贴片12的边长为7mm*7mm。也就是说，方环型金属贴片12的四条边与介质基板2的对应边的间距均为1mm。

弓字型环状金属贴片11可以由多个弓字型金属单元111首尾连接，形成中心对称的环状结构。优选地，如图1和图3所示，弓字型环状金属贴片11由结构和尺寸均相同的八个弓字型金属单元111首尾连接形成。进一步地，每个弓字型金属单元111在靠近方环型金属贴片12的一侧包括四个凸出部1111。

此外，金属层1由铜金属制成，介质基板2由相对介电常数为4.4、电切损耗为0.02的耐热材料制成。优选地，介质基板2可以由FR4材料制成。需要说明的是，FR-4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级。

请一并参见图3和表1，其中，图3是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构的金属层的尺寸标注图，表1是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	7.0mm	0.1mm	1.0mm	0.3mm
参数	W1	W2	W3	W4
					值	7.0mm	0.1mm	0.1mm	0.7mm
参数	DX	DY	θ
					值	8.0mm	8.0mm	45°

如图3和表1所示，在本实施例中，相邻弓字型金属单元111之间的夹角为45°。弓字型金属单元111的贴片宽度为0.1mm，相邻凸出部1111之间的间距为0.1mm。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS。请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS的立体图。该双频FFS包括M×N个周期性排布的如实施例一所述的双频FFS单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。在本实施例中，该双频FFS包括6×6个单元结构，在其他实施例中，所述双频FFS还可以包括其他数量的单元结构，例如10×10，20×20，40×40，甚至更多。

如上所述，该双频FFS由实施例一所述的双频FFS单元结构周期性排列形成，即相邻的介质基板2紧密贴合。由于本实施例的方环型金属贴片12的四条边与介质基板2的对应边的间距均为1mm，则可以得出，在该双频FFS中，相邻两个双频FFS单元结构的方环型金属贴片12的间距为2mm。

需要说明的是，在双频FFS的实际制备过程中，其介质基板层还可以是一整块的材料，并在该介质基板层上按照上述尺寸参数制备周期性排列的金属层图案。

为了验证本发明实施例的双频FFS结构的性能，以下利用商业仿真软件HFSS对该双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS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层表面时，入射光与金属层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，从传输系数曲线(S21)可以看出，本实施例的双频FFS的第一谐振频率为6.27GHz，带宽在-10dB处为920MHz，插入损耗为-27.49dB；第二谐振频率为8.31GHz，带宽在-10dB处为2180MHz，插入损耗为-35.44dB。从图5中的反射系数曲线(S11)可以看出，在两个谐振频率处的回波损耗接近于0dB，即反射效率接近于1。也就是说，在TE极化模式下，该双频FFS对频率为6.27GHz和8.31GHz周围的信号具有完美的带阻效果。

进一步地，如图6所示，从传输系数曲线(S21)可以看出，本实施例的双频FFS的第一谐振频率为6.24GHz，带宽在-10dB处为900MHz，插入损耗为-27.54dB；第二谐振频率为8.38GHz，带宽在-10dB处为2160MHz，插入损耗为-35.39dB。从图6中的反射系数曲线(S11)可以看出，在两个谐振频率处的回波损耗接近于0dB，即反射效率接近于1。也就是说，在TM极化模式下，该双频FFS对频率为6.24GHz和8.38GHz周围的信号具有完美的带阻效果。综合图5和图6可以看出，本发明实施例的双频FFS在TE模式和TM模式下，谐振频率和带阻频段的误差控制在可接受范围(10％)之内，即具有出色的极化稳定性。

进一步地，为了研究本发明实施例的双频FFS的角度稳定性，其在TE模式和TM模式下分别以入射角度为0°、15°、30°、45°、60°的入射波照射，可以获得该双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS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具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图。

如图7所示，该双频FFS在TE模式下，在6.27GHz(5.59-6.51GHz)和8.31GHz(7.43-9.61GHz)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(10％)之内，具有出色抗干扰能力，且谐振频率比保持稳定，具有紧密间隔特性。进一步地，请参见表2，表2是本发明实施例的双频FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。

表2.本发明实施例的FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真参数

进一步地，如图8所示，本实施例的FSS结构在TM模式下，在6.24GHz(5.60-6.50GHz)和8.38GHz(7.45-9.61GHz)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(10％)之内，具有出色的抗干扰能力，且谐振频率比保持稳定，具有紧密间隔特性。进一步地，请参见表3，表3是本发明实施例的FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。

表3.本发明实施例的FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真参数

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°、15°、30°、45°、60°的入射波照射时，谐振频率和通带频段误差在可接受范围(10％)之内，依然具有出色的滤波性能，且谐振频率比保持稳定，具有紧密间隔特性。即确定此结构具有优秀的角度稳定性。

综上，本发明实施例的双频FFS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，始终具有紧密间隔特性。此外，该双频FFS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，始终具有紧密间隔特性。

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 (4)

1.一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构，其特征在于，包括金属层(1)和介质基板(2)，所述金属层(1)设置在所述介质基板(2)上；

所述金属层(1)包括弓字型环状金属贴片(11)和方环型金属贴片(12)，其中，所述方环型金属贴片(12)围绕在所述弓字型环状金属贴片(11)的外周，且所述方环型金属贴片(12)的中心与所述弓字型环状金属贴片(11)的中心重合；

所述弓字型环状金属贴片(11)由多个弓字型金属单元(111)首尾连接，形成中心对称的环状结构；

所述弓字型环状金属贴片(11)由结构和尺寸均相同的八个弓字型金属单元(111)首尾连接形成，其中，每个所述弓字型金属单元(111)在靠近所述方环型金属贴片(12)的一侧包括四个凸出部(1111)，相邻所述弓字型金属单元(111)之间的夹角为45°，所述八个弓字型金属单元(111)中四个间隔的弓字型金属单元的凸出部(1111)的外侧均平行于所述介质基板(2)的对应边，所述八个弓字型金属单元(111)中另外四个间隔的弓字型金属单元的凸出部(1111)的外侧与所述介质基板(2)的对应边具有一定的夹角；

所述方环型金属贴片(12)为正方形环；所述金属层(1)由铜金属制成，所述介质基板(2)由相对介电常数为4.4、电切损耗为0.02的耐热材料制成；所述方环型金属贴片(12)的四条边分别与所述介质基板(2)的对应边平行；所述弓字型金属单元(111)的贴片宽度为0.1mm，相邻所述凸出部(1111)之间的间距为0.1mm。

2.根据权利要求1所述的具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构，其特征在于，所述介质基板(2)的上表面为正方形结构，边长为8mm。

3.根据权利要求1所述的具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS单元结构，其特征在于，所述方环型金属贴片(12)的边长为7mm，贴片宽度为0.1mm。

4.一种具有紧密间隔频率响应特性的双频FFS，其特征在于，包括M×N个周期性排布的如权利要求1至3中任一项所述的双频FFS单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。

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