CN111262036B - 一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面 - Google Patents

一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，属于微波滤波技术领域。本发明解决现有现有带阻频率选择表面的单元尺寸比起工作谐振频率波长都不够小，不利于带阻频率选择表面的各项稳定性以及设备集成度的提升问题。本发明基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，由M×N个周期性分布的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成。本发明的可调控带阻频率选择表面小型化程度高，仅相当于工作谐振频率的八分之一，具有较宽的‑10dB阻带带宽，‑10dB相对带宽在30％以上，具有较大的8.04％调谐范围，而且具有很好的入射角稳定性。

Description

一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面
技术领域
本发明涉及一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，属于微波滤波技术领域。
背景技术
液晶材料具有柔软、可连续调谐以及介电常数较小等优点，近年来在各个领域得到了广泛的应用。液晶材料在微波波段下损耗较小，所以液晶材料在10GHz以上的微波波段有很好的应用前景。频率选择表面是一种对入射电磁波具有频率选择效应的平面结构。由于频率选择表面对具有不同工作频率、极化状态、入射角度的入射电磁波具有频率选择特性，所以在电磁学领域具有相当广泛的应用，如用作雷达的天线罩可以很大程度上提升其隐身性能。然而，现有的带阻频率选择表面只是对某个频段的电磁波存在带阻滤波特性，阻带频率是固定不可变的；而且现有的带阻频率选择表面的单元尺寸比起工作谐振频率波长都不够小，这不利于带阻频率选择表面的各项稳定性以及设备集成度的提升。因此，提供一种同时具有连续可调谐性能和小型化的基于液晶的可调控带阻频率选择表面是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有带阻频率选择表面的单元尺寸比起工作谐振频率波长都不够小，不利于带阻频率选择表面的各项稳定性以及设备集成度的提升问题，提供一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面。
本发明的技术方案：
一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，由M×N个周期性分布的边长为a的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成；
所述的第一介质层、第二介质层和第三介质层均为边长为a的正方形结构；所述的a的取值范围为0.1λ﹤a﹤0.15λ，λ为滤波波长；
所述的第二介质层是厚度为hlc的液晶材料；所述的hlc取值范围为0.015λ﹤hlc﹤0.03λ；
所述的第一金属层包括结构I1和结构II2，结构I1和结构II2位于第二介质层一侧；
所述的第二金属层包括结构III3和结构IV4，结构III3和结构IV4位于第三介质层一侧，相邻单元的第一金属层的结构I1和结构II2拼接后图形与相邻单元的第二金属层的结构III3和结构IV4拼接后图形互为镜像。
进一步限定，结构I1的形状为长方形，结构I1的宽度为b，长度为d1。
进一步限定，结构II2包括一个第一矩形5、两个第二矩形6和两个第三矩形7，第一矩形5的一侧长边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形5的另一侧长边分别与两个第二矩形6的一端垂直连接，两个第二矩形6的另一端分别垂直连接两个第三矩形7，所述的两个第二矩形6的长边互相平行，两个第三矩形7的长边互相平行。
进一步限定，第一矩形5的长度为l1，宽度为d1；第二矩形6的长度为l2，宽度为d2；第三矩形7长度为l3，宽度为d3；两个第二矩形6之间的距离为f；两个第三矩形7之间距离为w，第二矩形6上边缘与第一矩形5上边缘的距离为e；第二矩形6上边缘与第三矩形7上边缘的距离为g。
进一步限定，的第一矩形5的一侧宽边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形5的另一侧宽边与结构I1之间距离为c。
进一步限定，l1的取值范围为0.08λ﹤l1﹤0.12λ，d1的取值范围为0.002λ﹤d1﹤0.004λ，l2的取值范围为0.04λ﹤l2﹤0.06λ，d2的取值范围为0.004λ﹤d2﹤0.01λ，l3的取值范围为0.04λ﹤l3﹤0.06λ，d3的取值范围为0.002λ﹤d3﹤0.004λ，f的取值范围为0.04λ﹤f﹤0.07λ，w的取值范围为0.01λ﹤w﹤0.02λ，e的取值范围为0.015λ﹤e﹤0.03λ，g的取值范围为0.03λ﹤g﹤0.05λ，c的取值范围为0.01λ﹤c﹤0.02λ。
进一步限定，结构III3和结构IV4位于第三介质层上与结构I1和结构II2相对的一侧，结构III3和结构IV4的一个侧边与第三介质层边沿重合，结构III3与第三介质层重合的侧边长度为h，结构IV4与第三介质层重合的侧边长度为k，且结构III3和结构IV4与第三介质层重合的侧边之间距离为m。
进一步限定，h的取值范围为0.03λ﹤h﹤0.04λ，k的取值范围为0.06λ﹤k﹤0.1λ，m的取值范围为0.01λ﹤m﹤0.02λ。
进一步限定，第一介质层和第三介质层均为厚度为h1的FR-4材料，h1取值范围为0.005λ﹤h1﹤0.05λ，所述的第一金属层与第二金属层的厚度均为h2。
更进一步限定，工作频率在16.18GHz-17.48GHz，所述的单元参数为a＝2mm，l1＝1.8mm，l2＝0.925mm，l3＝0.925mm，d1＝0.05mm，d2＝0.1mm，d3＝0.05mm，h1＝0.1mm，h2＝0.035mm，hlc＝0.15mm，b＝0.2mm，c＝0.2mm，e＝0.35mm，f＝0.9mm，g＝0.75mm，h＝0.6mm，k＝1.2mm，m＝w＝0.2mm。
本发明具有以下有益效果：本发明的频率选择表面，在工作频率范围为16.18GHz-17.48GHz频率范围内，频率选择表面具有较宽的阻带以及较好的角度稳定性。并且通过改变频率选择表面的结构参数，可以进一步改变频率选择表面的可调工作频率范围。且该频率选择表面结构的尺寸仅相当于工作谐振频率波长的八分之一，具有较宽的-10dB阻带带宽，-10dB相对带宽在30％以上，具有较大的8.04％调谐范围，而且具有很好的入射角稳定性。
附图说明
图1为第一金属层的单元结构示意图；
图2为第二金属层的单元结构示意图；
图3为结构I的结构示意图；
图4为第一金属层的结构示意图；
图5为第二金属层的结构示意图；
图6为具体实施方式1的频率选择表面的传输系数图；
图7为具体实施方式1的频率选择表面的第二介质层的介电常数ε＝2.5时，电磁波从0°到45°斜入射所得到的传输系数仿真结果；
图8为为具体实施方式1的频率选择表面的第二介质层的介电常数ε＝3.3时，电磁波从0°到45°斜入射所得到的传输系数仿真结果；
图中1-结构I，2-结构II，3-结构III，4-结构IV，5-第一矩形，6-第二矩形，7-第三矩形。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。
具体实施方式1：
本实施例的选择表面结构由M×N个周期性分布的边长为a＝2mm的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成，第一介质层、第二介质层和第三介质层均为边长为2mm的正方形结构，第一介质层和第三介质层均为厚度为0.1mm的相对介电常数ε1＝4.3、相对磁导率μ＝1的FR-4材料。第二介质层是厚度为0.15mm，相对介电常数为ε(ε在2.5-3.3之间任意可调)，相对磁导率μ＝1，电损耗角正切tanδ＝0.0143的GT3-23001液晶材料。
如图1至图5所示，第一金属层包括结构I1和结构II2，第一金属层包括结构I1和结构II2，结构II2包括一个第一矩形5、两个第二矩形6和两个第三矩形7，第一矩形5的一侧长边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形5的另一侧长边分别与两个第二矩形6的一端垂直连接，两个第二矩形6的另一端分别垂直连接两个第三矩形7，所述的两个第二矩形6的长边互相平行，两个第三矩形7的长边互相平行。第一矩形5的长度为l1，宽度为d1；第二矩形6的长度为l2，宽度为d2；第三矩形7长度为l3，宽度为d3；两个第二矩形6之间的距离为f；两个第三矩形7之间距离为w，第二矩形6上边缘与第一矩形5上边缘的距离为e；第二矩形6上边缘与第三矩形7上边缘的距离为g。第一矩形5的一侧宽边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形5的另一侧宽边与结构I1之间距离为c。
第二金属层包括结构III3和结构IV4，结构III3和结构IV4位于第三介质层上与结构I1和结构II2相对的一侧，结构III3和结构IV4的一侧边沿与第三介质层边沿重合，结构III3与第三介质层重合的边沿长度为h，结构IV4与第三介质层重合的边沿长度为k，且结构III3和结构IV4与第三介质层重合的边沿之间距离为m。
其中单元结构参数为：a＝2mm，l1＝1.8mm，l2＝0.925mm，l3＝0.925mm，d1＝0.05mm，d2＝0.1mm，d3＝0.05mm，h1＝0.1mm，h2＝0.035mm，hlc＝0.15mm，b＝0.2mm，c＝0.2mm，e＝0.35mm，f＝0.9mm，g＝0.75mm，h＝0.6mm，k＝1.2mm，m＝w＝0.2mm。
图6为本实施方式的频率选择表面的传输系数图。由图6可知，当第二介质层的相对介电常数为2.5时，液晶可调控带阻频率选择表面的-10dB阻带中心频率为17.48GHz，而当液晶介电常数为3.3时，-10dB阻带中心频率变为16.18GHz，相对低中心频率调谐率为8.04％，而两个介电常数下的-10dB绝对带宽均为4.51GHz。
图7和图8分别为本实施方式的频率选择表面液晶介电常数ε＝2.5和ε＝3.3时，电磁波从0°到45°斜入射所得到的传输系数仿真结果。如图7和图8可知，本具体实施方式的频率选择表面在不同入射波角度下，无论液晶沿电磁波传播方向介电常数ε＝2.5还是ε＝3.3，随着斜入射角度的增加，FSS的中心谐振频点基本保持不变，-10dB带宽略有增大，可见该FSS具有较高的入射角稳定性，斜入射角度可达45°,且滤波特性保持良好。
综上可知，本发明的频率选择表面小型化程度高，仅相当于工作谐振频率的八分之一，具有较宽的-10dB阻带带宽，-10dB相对带宽在30％以上，具有较大的8.04％调谐范围，而且具有很好的入射角稳定性。
此外，本发明的思想同样适用于其他工作频率范围，只需针对于不同的工作频率，利用商业电磁仿真软件(如CST微波工作室)，对本液晶可调控带阻频率选择表面进行建模仿真，调整参数，以适应所需频率即可。

Claims (9)

1.一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，由M×N个周期性分布的边长为a的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成；
所述的第一介质层、第二介质层和第三介质层均为边长为a的正方形结构；所述的a的取值范围为0.1λ﹤a﹤0.15λ，λ为滤波波长；
所述的第二介质层是厚度为hlc的液晶材料；所述的hlc取值范围为0.015λ﹤hlc﹤0.03λ；
所述的第一金属层包括结构I（1）和结构II（2），结构I（1）和结构II（2）位于第二介质层上表面的一端；
所述的第二金属层包括结构III（3）和结构IV（4），结构III（3）和结构IV（4）位于第三介质层上表面的另一端，相邻单元的第一金属层的结构I（1）和结构II（2）拼接后图形与相邻单元的第二金属层的结构III（3）和结构IV（4）拼接后图形互为镜像；
所述的结构II（2）包括一个第一矩形（5）、两个第二矩形（6）和两个第三矩形（7），第一矩形（5）的一侧长边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形（5）的另一侧长边分别与两个第二矩形（6）的一端垂直连接，两个第二矩形（6）的另一端分别垂直连接两个第三矩形（7），所述的两个第二矩形（6）的长边互相平行，两个第三矩形（7）的长边互相平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的结构I（1）的形状为长方形，结构I（1）的宽度为b，长度为d1。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的第一矩形（5）的长度为l1，宽度为d1；第二矩形（6）的长度为l2，宽度为d2；第三矩形（7）长度为l3，宽度为d3；两个第二矩形（6）之间的距离为f；两个第三矩形（7）之间距离为w，第二矩形（6）上边缘与第一矩形（5）上边缘的距离为e；第二矩形（6）上边缘与第三矩形（7）上边缘的距离为g。
4.根据权利要求3所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的第一矩形（5）的一侧宽边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形（5）的另一侧宽边与结构I（1）之间距离为c。
5.根据权利要求4所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的l1的取值范围为0.06λ﹤l1﹤0.12λ，d1的取值范围为0.002λ﹤d1﹤0.004λ，l2的取值范围为0.04λ﹤l2﹤0.06λ，d2的取值范围为0.004λ﹤d2﹤0.01λ，l3的取值范围为0.04λ﹤l3﹤0.06λ，d3的取值范围为0.002λ﹤d3﹤0.004λ，f的取值范围为0.04λ﹤f﹤0.07λ，w的取值范围为0.01λ﹤w﹤0.02λ，e的取值范围为0.015λ﹤e﹤0.03λ，g的取值范围为0.03λ﹤g﹤0.05λ，c的取值范围为0.01λ﹤c﹤0.02λ。
6.根据权利要求4所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的结构III（3）和结构IV（4）位于第三介质层上与结构I（1）和结构II（2）相对的一侧，结构III（3）和结构IV（4）的一个侧边与第三介质层边沿重合，结构III（3）与第三介质层重合的侧边长度为h，结构IV（4）与第三介质层重合的侧边长度为k，且结构III（3）和结构IV（4）与第三介质层重合的侧边之间距离为m。
7.根据权利要求6所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的h的取值范围为0.03λ﹤h﹤0.04λ，k的取值范围为0.06λ﹤k﹤0.1λ，m的取值范围为0.01λ﹤m﹤0.02λ。
8.根据权利要求7所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，所述的第一介质层和第三介质层均为厚度为h1的FR-4材料，h1取值范围为0.005λ﹤h1﹤0.05λ，所述的第一金属层与第二金属层的厚度均为h2。
9.根据权利要求7所述的一种基于液晶的可调控带阻小型化频率选择表面，其特征在于，工作频率在16.18 GHz-17.48 GHz，单元参数为a=2mm，l1=1.6mm，l2=0.925mm，l3=0.925mm，d1=0.05mm，d2=0.1mm，d3=0.05mm，h1=0.1mm，h2=0.035mm，hlc=0.15mm，b=0.2mm，c=0.2mm，e=0.35mm，f=0.9mm，g=0.75mm，h=0.6mm，k=1.2mm，m=w=0.2mm。
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