CN111430929A - 一种宽阻带频率选择表面的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽阻带频率选择表面的设计方法，属于电磁场与微波技术领域。依据本发明设计方法的频率选择表面由复合周期单元周期排列构成，该复合周期单元由第一FSS周期子单元和第二FSS周期子单元相邻排布构成，两种周期子单元均由至少两层FSS构成，且各层FSS间具有电磁耦合作用，它们沿x方向的周期相同，沿y方向的周期相同。两种周期子单元均具有带通滤波特性，工作频率分别为f1和f2，且在f1与f2间它们的透射相位反相，相位差满足±（180°±50°）。依据本发明设计方法的频率选择表面具有周期单元结构简单、剖面低、易于随形贴敷、超宽的阻带带宽、阻带顶部平坦、阻带边缘陡直性好，同时具有良好的入射角度稳定性。

Description

一种宽阻带频率选择表面的设计方法
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种宽阻带频率选择表面的设计方法。
背景技术
频率选择表面（FSS）是一种能够对电磁波进行调控的人工电磁材料，具有独特的滤波功能，广泛地应用于雷达隐身、航空航天、卫星通信等领域。频率选择表面也是新型武器装备隐身性能以及现有武器装备隐身性能改良的主要技术，被广泛地应用于可见光、红外、毫米波、微波等波段。
随着宽带和超宽带雷达的研发与应用，宽带通信需求增加，FSS的宽带特性需求也越来越迫切。在以往的研究中，为了获得FSS的宽频带特性，一般采用卷曲、交指技术或多层FSS阵列级联技术，但是这两种技术均会导致设计变量增加，不仅带来设计上的困难，还易导致宽带FSS剖面高，使FSS在实际应用中遇到无法随形、难于贴覆的瓶颈。同时在应用空间受限、大曲率的情况下，难以获得稳定的电磁传输特性始终是FSS在实际应用中的技术难题。因此，如何利用低剖面结构实现稳定传输和宽工作带宽是一个有待突破的技术瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种宽阻带频率选择表面的设计方法，在保证频率选择表面结构低剖面的前提下，有效地展宽频带带宽，实现宽频带稳定传输，具体设计步骤如下：
本发明提供了一种宽阻带频率选择表面的设计方法，频率选择表面的周期单元是一种由第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2构成的复合FSS周期单元U。
第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2均为耦合型FSS结构，由至少两层FSS构成，且各层FSS间具有电磁耦合作用。
构成频率选择表面的各层金属结构材料均为铜箔。
第一FSS周期子单元U1沿x方向的周期D1和第二FSS周期子单元U2沿x方向的周期D2相同，即D1=D2。
第一FSS周期子单元U1沿y方向的周期和第二FSS周期子单元U2沿y方向的周期相同，均为Dy。
由第一FSS周期子单元U1周期排列构成的频率选择表面具有带通滤波特性，其工作频率为f1，由第二FSS周期子单元U2周期排列构成的频率选择表面具有带通滤波特性，其工作频率为f2。
在f1与f2间的频率范围内，所述第一FSS周期子单元U1的透射相位φ1与第二FSS周期子单元U2的透射相位φ2反相，即第一FSS周期子单元U1与第二FSS周期子单元U2间的透射相位差Δ满足Δ=φ2-φ1=±（180°±50°）。
与现有设计方法相比，本发明具有以下有益效果，基于本发明一种宽阻带频率选择表面的设计方法的频率选择表面结构具有以下优势。
（1）低剖面，剖面高度在0.1 mm -0.5mm范围内，易于随形贴覆。
（2）宽阻带，且阻带顶部平坦，阻带边缘陡直性好。
（3）良好的入射角度稳定性，在电磁波入射角度为60°时，阻带带宽较为稳定，具有较为稳定的传输特性。
附图说明
图1（a）为本发明实施例提供的第一FSS周期子单元U1；
图1（b）为本发明实施例提供的第二FSS周期子单元U2；
图2为本发明实施例的第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2的仿真结果图；
图3为本发明实施例提供的复合FSS周期单元U；
图4为本发明实施例的复合FSS周期单元U的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明提供的一种宽阻带频率选择表面的设计方法进行具体说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
设计一种宽阻带频率选择表面，其实施步骤如下：
首先，设计FSS周期子单元。图1（a）为本实施例提供的第一FSS周期子单元U1，图1（b）为本实施例提供的第二FSS周期子单元U2，第一FSS周期子单元U1在x方向的周期为D1=4.0mm，在y方向的周期为Dy=4.2mm，第二FSS周期子单元U2在x方向的周期为D2=4.0mm，在y方向的周期为Dy=4.2mm，且满足D2=D1。
FSS周期子单元U1和U2从上到下依次包括Y型金属贴片、介质层、Y型孔径，其中介质层厚度h=0.2mm，Y型贴片与Y型孔径均有三个等长的臂，臂长为2.0mm，臂宽为0.5mm，相邻两个臂之间成120°夹角。由于介质层厚度小，Y型贴片阵列与Y型孔径阵列间具有强烈的电磁耦合作用。
其次，FSS周期子单元的全波数值仿真分析。图2为本实施例的第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2的仿真结果图。由第一FSS周期子单元U1周期排布构成的频率选择表面具有带通滤波特性，其工作频率为19.07GHz，由第二FSS周期子单元U2周期排布构成的频率选择表面具有带通滤波特性，其工作频率为13.18GHz。第一FSS周期子单元U1的透射相位为φ1，第二FSS周期子单元U2的透射相位φ2，在13.5GHz~18.5GHz范围内，它们之间的相位差为Δ≈130°，满足反相条件。
再次，构建复合FSS周期单元。图3为本实施例提供的复合FSS周期单元U，该复合FSS周期单元U由第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2相邻排布构成，且该复合FSS周期单元U在x方向的周期满足D=D1+D2=8.0mm，在y方向的周期为Dy=4.2mm。
最后，复合FSS周期单元的全波数值仿真分析。图4为本实施例提供的复合FSS周期单元U周期排列构成的频率选择表面的仿真结果图，图4（a）和（b）分别是TE极化波入射角度从0°变化到60°的反射系数和透射系数曲线，可以看出该实施例提供的由复合FSS周期单元周期排列构成的频率选择表面结构在14-19GHz范围内产生了顶部极为平坦，边缘陡直性较好的阻带，且该频率选择表面具有良好的入射角度稳定性。该频率选择表面的剖面厚度接近于介质层厚度，具有极低的剖面高度，易于随形贴敷。
本发明提出的一种宽阻带频率选择表面的设计方法能够解决利低剖面结构难以实现稳定传输和宽工作带宽的技术难题。

Claims (7)

1.一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，频率选择表面的周期单元是一种由第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2相邻排布构成的复合FSS周期单元U。
2.根据权利要求1所述的一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，所述第一FSS周期子单元U1和第二FSS周期子单元U2均为耦合型FSS结构，由至少两层FSS构成，且各层FSS间具有电磁耦合作用。
3.根据权利要求1和2任一项所述的一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，构成频率选择表面的各层金属结构材料均为铜箔。
4.根据权利要求1、2和3任一项所述的一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，所述第一FSS周期子单元U1沿x方向的周期D1和第二FSS周期子单元U2沿x方向的周期D2相同，即D1=D2。
5.根据权利要求1、2和3任一项所述的一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，所述第一FSS周期子单元U1沿y方向的周期和第二FSS周期子单元U2沿y方向的周期相同，均为Dy。
6.根据权利要求1、2、3、4和5任一项所述的一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，由第一FSS周期子单元U1周期排列构成的频率选择表面具有带通滤波特性，其工作频率为f1，由第二FSS周期子单元U2周期排列构成的频率选择表面具有带通滤波特性，其工作频率为f2。
7.根据权利要求1、2、3、4 、5和6任一项所述的一种宽阻带频率选择表面的设计方法，其特征在于，在f1与f2间的频率范围内，所述第一FSS周期子单元U1的透射相位φ1与第二FSS周期子单元U2的透射相位φ2反相，即第一FSS周期子单元U1与第二FSS周期子单元U2间的透射相位差Δ满足Δ=φ2-φ1=±（180°±50°）。
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