CN111541044A - 一种双极化三通带三维频率选择表面 - Google Patents

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钱建波
于正永
董进
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种双极化三通带三维频率选择表面。该频率选择表面由若干个相同的单元结构周期排列而成，每个单元结构由一个方形金属筒和一个方形介质块组合而成。方形介质块的上下端面结构相同，均刻有两个金属方环；方形介质块的中间层刻有一个金属方环；方形介质块上下端面的金属方环与中间层的金属方环为同心环。由于单元结构内部的电磁耦合作用，产生了多个传输零极点，形成了三个通带。由于多个传输零点的引入，使得本发明具有良好的频率选择性能。通过尺寸十分接近的金属方环的设计，实现了小通带比性能。此外，该频率选择表面具有较小的电尺寸，在双极化模式下具有良好的角度稳定性。

Description

一种双极化三通带三维频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种双极化三通带三维频率选择表面。
背景技术
近年来，频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)已经被广泛研究和应用于各种系统，诸如天线罩、天线副反射器、吸波体以及电磁屏蔽等领域。一方面，多频FSS可以用于设计多频天线反射器，实现在不同频段共享主反射器；另一方面，多频FSS能够增强卫星通信性能，因此，随着频谱资源的开发，各种多频微波与天线系统对于三通带FSS的需求越来越大。在实际应用中，往往要求三通带FSS具有平坦带通响应、良好的频率选择性、良好的角度稳定性、双极化、小通带比以及较小的电尺寸。
研究人员通过盘绕、互补、分形等结构设计，提出了一系列的三通带FSS，但是这些一阶FSS由于缺少多个传输零极点，导致其通带不够平坦和阻带带宽较窄等问题。后来也有研究人员通过堆叠多层金属方环阵列，提出了一种高选择性的三通带FSS，得到了两个二阶通带和两个二阶阻带；在此基础上，其他研究人员通过将金属方环替换六边形金属环，拓宽了第二通带的工作带宽。但是这两种FSS随着入射角度的增加，在高频段均出现了栅瓣效应，影响了FSS的滤波性能。新加坡南洋理工大学沈忠祥教授团队首次提出了三维FSS的概念，基于阶梯阻抗和均匀阻抗两种谐振器结构，采用多层印刷电路板设计了一种新型的二阶三通带三维FSS，但是它仅能够工作在单极化模式，同时，带外引入没有任何传输零点，其频率选择性能一般。为了实现双极化，研究人员运用不同大小的圆形金属贴片，借助中间层的圆形孔径耦合，提出了一种双极化、二阶三通带FSS，但是带外也无法引入传输零点，其频率选择性能需要进一步提升，同时，由于其单元结构的电尺寸很大，导致角度稳定性较差。此外，现有的三通带FSS相邻通带的通带比相对较大，影响了其实际应用。综合现有三通带FSS存在的不足，设计一种具有平坦通带、高频率选择性、良好的角度稳定性、小通带比、双极化、较小的电尺寸的三通带FSS十分必要。
发明内容
本发明提供一种双极化三通带三维频率选择表面，它在不同极化模式和不同入射角度条件下具有稳定的频率响应，同时，具有平坦通带、高频率选择性、小通带比以及较小的电尺寸。
本发明提供一种双极化三通带三维频率选择表面，该频率选择表面由若干个相同的单元结构周期排列而成，每个单元结构由一个方形金属筒和一个方形介质块组合而成。方形介质块的上下端面结构相同，均刻有两个金属方环；方形介质块的中间层刻有一个金属方环；方形介质块上下端面的金属方环与中间层的金属方环为同心环。
本发明所提供的一种双极化三通带三维频率选择表面，由于单元结构内部的电磁耦合作用，产生了多个传输零极点，形成了三个通带。由于多个传输零点的引入，使得本发明具有良好的频率选择性能。通过尺寸十分接近的金属方环的设计，实现了小通带比性能。在双极化模式下，当0°，30°，60°角度入射时具有良好的角度稳定性。相比于现有三带通FSS来说，该频率选择表面具有平坦的通带、高的频率选择性、小通带比、双极化、良好的角度稳定性以及较小的电尺寸等优势。
附图说明
图1为本发明提出的双极化三通带三维频率选择表面的单元结构三维示意图。
图2为构成本发明单元结构的部件示意图(a)方形金属筒；(b)方形介质块。
图3为本发明提出的双极化三通带三维频率选择表面的单元结构尺寸标注示意图(a)透视图及参数标注；(b)上下端面示意图及参数标注；(c)中间层示意图及参数标注。
图4为本发明提出的双极化三通带三维频率选择表面的三维示意图。
图5为本发明提出的双极化三通带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6为本发明提出的双极化三通带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为本发明提出的双极化三通带三维频率选择表面的单元结构三维示意图。每个单元结构包括一个方形金属筒1和一个方形介质块2。方形介质块的上下端面结构相同，均刻有两个金属方环；方形介质块的中间层刻有一个金属方环；方形介质块上下端面的金属方环与中间层的金属方环为同心环。
图2给出了构成本发明单元结构的部件示意图。图2(a)为方形金属筒1；图2(b)为方形介质块2。方形介质块2的上端面刻有金属方环21和22、下端面刻有金属方环23和24、中间层刻有金属方环25。金属方环21和23尺寸相同，金属方环22和24尺寸相同。
图3为本发明提出的双极化三通带三维频率选择表面的单元结构尺寸标注示意图。其中，图3(a)为透视图，图3(b)为上下端面示意图，图3(c)为中间层示意图。该FSS的设计参数为p＝9.6mm，l0＝7.1mm，l1＝7.5mm，l2＝6.7mm，w0＝w1＝w2＝0.2mm，h＝4mm，t＝0.5mm，方形介质块的介质相对介电常数为4.4。
图4为本发明提出的双极化三通带三维频率选择表面的三维示意图，它是由图1所示的单元结构在二维平面方向上周期排列构成。图4仅给出了4×4个单元结构的排列示意图。
图5为本发明在电磁波垂直入射时的传输系数和反射系数仿真曲线。由图可以发现，该FSS在中心频率f1＝5.14GHz，f2＝5.94GHz和f3＝6.97GHz产生了三个通带。第一通带包含一个传输极点，第二通带包含两个传输极点，第三通带包含两个传输极点。同时，在第一通带与第二通带之间引入了一个传输零点，在第二通带与第三通带之间引入了两个传输零点，第三通带右侧带外产生了两个传输零点。该FSS三个通带的3dB带宽分别为0.16GHz(5.06～5.22GHz)，0.34GHz(5.77～6.11GHz)和0.28GHz(6.83～7.11GHz)，相应的相对带宽分别为3.11％，5.72％和4％。此外，通过尺寸十分接近的金属方环的设计，实现了相邻通带之间的小通带比性能。第二通带和第一通带、第三通带和第二通带的通带比分别仅为f2/f1＝1.16和f3/f2＝1.17。该FSS单元结构的电尺寸p×p×h为0.164λ0×0.164λ0×0.068λ0，其中λ0为第一通带中心频率f1＝5.14GHz处的自由空间波长。
图6(a)和图6(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曲线。由图可知，在TE和TM两种极化模式下，电磁波以0°，30°，60°角度入射时具有较好的角度稳定性。
本发明提供一种双极化三通带三维频率选择表面，该频率选择表面由若干个相同的单元结构周期排列而成，每个单元结构由一个方形金属筒和一个方形介质块组合而成。方形介质块的上下端面结构相同，均刻有两个金属方环；方形介质块的中间层刻有一个金属方环；方形介质块上下端面的金属方环与中间层的金属方环为同心环。由于单元结构内部的电磁耦合作用，产生了多个传输零极点，形成了三个通带。由于多个传输零点的引入，使得本发明具有良好的频率选择性能。通过尺寸十分接近的金属方环的设计，实现了小通带比性能。在双极化模式下，当0°，30°，60°角度入射时具有良好的角度稳定性。相比于现有三带通FSS来说，该三维FSS具有平坦的通带、高的频率选择性、小通带比、双极化、良好的角度稳定性以及较小的电尺寸等优势。

Claims (4)

1.一种双极化三通带三维频率选择表面，由若干个相同的单元结构周期排列而成，其特征在于，所述单元结构由一个方形金属筒和一个方形介质块组合而成。
2.根据权利要求1所述的双极化三通带三维频率选择表面，其特征在于，所述方形介质块的上下端面结构相同，均刻有两个金属方环。
3.根据权利要求1所述的双极化三通带三维频率选择表面，其特征在于，所述方形介质块的中间层刻有一个金属方环。
4.根据权利要求2或3所述的双极化三通带三维频率选择表面，其特征在于，所述方形介质块上下端面的金属方环与中间层的金属方环为同心环。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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