CN111786120A - 一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构 - Google Patents

一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，包括介质基板、液晶层和谐振单元，介质基板的数量为两个，两个介质基板相对设置，液晶层位于两个介质基板之间，液晶层内填充有液晶，谐振单元的数量为两个，每一谐振单元位于每一介质基板上，谐振单元包括分形金属贴片、分形金属环和高阻线，分形金属贴片位于分形金属环内，高阻线与分形金属贴片和分形金属环连接。通过使用高阻线连接分形金属贴片和分形金属环，实现了高陡峭度频率选择表面设计，其矩形系数接近1；将分型技术和加载技术结合使用，实现频率选择表面的小型化设计；通过加载介电常数电控可调的液晶材料，实现频率选择表面可调谐功能。

Description

一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由相同的贴片或孔径单元按二维周期性排列构成的无限大平面结构，它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择特性。它可以用作空间滤波器，与电磁波相互作用并表现出带通或带阻滤波器的特性。它广泛用于电磁隐身，电磁兼容性，军事通信和电子对抗中。目前，隐身技术的研究已成为热点，常规的隐身措施不能在保证自身雷达信号的正常接收和发射的同时，实现飞行器正前方雷达散射截面的有效缩减。采用频率选择表面这一空间滤波材料制备隐身雷达罩，已成为目前解决该类问题的的最佳技术选择。但是传统的频率选择表面具有体积大、不可调谐的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，旨在解决传统的频率选择表面具有体积大、不可调谐的缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，包括介质基板、液晶层和谐振单元，所述介质基板的数量为两个，两个所述介质基板相对设置，所述液晶层位于两个所述介质基板之间，所述液晶层内填充有液晶，所述谐振单元的数量为两个，每一所述谐振单元位于每一所述介质基板上，所述谐振单元包括分形金属贴片、分形金属环和高阻线，所述分形金属贴片位于所述分形金属环内，所述高阻线与所述分形金属贴片和所述分形金属环连接。
其中，所述分形金属贴片的长度和宽度均为3.4mm。
其中，所述介质基板的厚度为0.254mm。
其中，所述液晶层的厚度为0.254mm。
本发明的一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，通过两个所述介质基板相对设置，液晶层位于两个所述介质基板之间，所述液晶层内填充有液晶，每一所述谐振单元位于每一所述介质基板上，所述谐振单元包括分形金属贴片、分形金属环和高阻线，所述分形金属贴片位于所述分形金属环内，所述高阻线与所述分形金属贴片和所述分形金属环连接。通过使用所述高阻线连接所述分形金属贴片和所述分形金属环，实现了高陡峭度频率选择表面设计，其矩形系数接近1；将分型技术和加载技术结合使用，实现频率选择表面的小型化设计；通过加载介电常数电控可调的液晶材料，实现频率选择表面可调谐功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构的结构示意图；
图2是本发明谐振单元的结构示意图；
图3是本发明矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构的仿真结果图；
图4是本发明的液晶调谐曲线示意图；
图中：100-矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构、1-介质基板、2-液晶层、3-谐振单元、31-分形金属贴片、32-分形金属环、33-高阻线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构100，包括介质基板1、液晶层2和谐振单元3，所述介质基板1的数量为两个，两个所述介质基板1相对设置，两个所述介质基板1为Rogers5880介质基板1，所述介质基板1的厚度为0.254mm，避免厚度设置过小将引起上下层贴片短路问题，过大将使谐振特性变差的问题。所述液晶层2位于两个所述介质基板1之间，所述液晶层2内填充有液晶，液晶是一种介于结晶固体和各向同性液体之间的独立物质形态，同时具备光学双折射特性和流动性。液晶材料便于加载，在高频器件的小型化设计中应用广泛。液晶在处于外场(电场或磁场)作用下时，其分子指向矢将转向与场方向平行的方向。一个典型的液晶器件应用是将液晶封装在基板和金属地之间，通过印制在基板上的电极加载一定电压来对液晶分子的指向矢转向实现器件的电控调谐。所述液晶层2的厚度为0.254mm，该厚度设置保证了整体结构具有较好滤波特性和调谐特性，同时也便于后续对液晶材料的实际加载。所述谐振单元3的数量为两个，每一所述谐振单元3位于每一所述介质基板1上，请参阅图2，所述谐振单元3包括分形金属贴片31、分形金属环32和高阻线33，所述分形金属贴片31位于所述分形金属环32内，所述高阻线33与所述分形金属贴片31和所述分形金属环32连接，所述分形金属贴片31和所述分形金属环32均为具有Minkowski二阶分形结构的金属谐振贴片，将所述分形金属贴片31加载于所述分形金属环32内部，有效提高了其内部等效电容和等效电感的作用，所设计的所述矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构100的中心频率为22GHz。所述分形金属贴片31的长度和宽度均为3.4mm，该组数据为进行多参数优化后可实现较好滤波特性和调谐特性的最优数据，小于四分之一波长。其中，所述分形金属环32具有第一槽和第二槽，所述第一槽的数量为四个，四个所述第一槽分布于所述分形金属环32的四周，所述第二槽位于四个所述第一槽内，所述第一槽的形状为凸形，所述第二槽的形状为“×”形，所述分形金属贴片31具有第三槽，所述第三槽的数量为四个，四个所述第三槽位于所述分形金属贴片31的四周，且每一所述第三槽朝向每一所述第一槽，所述分形金属贴片31位于所述第二槽内。所述分形金属环32和所述分形金属贴片31结构均为三阶分形结构，与常规一阶和二阶分形结构相比，三阶分形可实现更小结构的频率选择表面设计，且其工作频段较高，可达到K波段。将所述分形金属贴片31置于所述分形金属环32内部，有效地增加了单元的谐振长度，进一步改善了频率选择表面的谐振频率，使得单元的小型化效果更为显著。该结构采用方形单元作为设计基础形状，所设计频率选择表面在稳定性、最大带宽和最小频带间隔等特性都要优于其它单元(圆形单元、实心单元和中心连接形单元等)，且方形单元内部可利用空间较大，便于改成更紧凑的单元，以实现单元小型化。所述谐振单元3采用分形与加载技术相结合的设计，通过所述高阻线33将各部分连接，置于Rogers5880介质基板1上。分形技术是指在简单的空间里一些复杂的点的集合，分形结构具有空间填充性，从整体上来看是不规则的；分形结构具有自相似的特性，或者说是某种程度上整体与部分具有一定的相似比例。加载技术是通过在单元结构上加载环缝隙型单元的四个缝隙边，有效地增加了单元的谐振长度，进而大幅度地降低了频率选择表面的谐振频率，再通过结构上对称加载单元的内部，进一步降低了频率选择表面的谐振频率，使得单元的小型化效果更为显著。通过将分形技术与加载技术结合使用，可进一步实现频率选择表面的小型化设计。
具体的，当电磁波照射至所述矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构100时，内外谐振结构即所述谐振单元3产生谐振，中心频率为22GHz。通过加装所述高阻线33连接内外谐振金属即所述分形金属贴片31和所述分形金属环32，以到达增强带外陡峭度的作用。该结构仿真结果如图3所示，该结果显示了所设计频率选择表面的传输特性曲线，其中20.5GHz到24.5GHz段体现了其传输特性，由仿真结果可以看出，该结构具有较高的带外陡峭度，以传输曲线带外最低点带宽与3dB带宽比值为参考，得到其矩形系数为1.4，在K波段实现带通滤波器特性，且频率选择性较好。
由于液晶的调谐范围有限(ε||＝3.2，ε⊥＝2.4)，并且所述液晶层2厚度必须很薄以达到精确调控的目的。最上层及最下层为Rogers5880介质基板1，液晶层2加载于介质基板1之间。将液晶层2夹在两层介质基板1中，并在基板上刻谐振单元3，通过在上下两层谐振单元3加载偏压，实现对液晶的调控。如图4所示，该结果显示了所设计频率选择表面的调谐特性曲线，当液晶材料介电常数为2.4时，频率选择表面中心频率为22.52GHz，当液晶材料介电常数为3.2时，频率选择表面中心频率为21.65GHz，在K波段通过改变外加偏压改变液晶介电常数可实现670Mhz频率调谐范围。
小型化频率选择表面可以在有限空间、局部小的区域内增加频率选择表面单元数量，近似成无限大频率选择表面，获得理想的滤波特性，改善频率选择表面响应对入射角度的敏感性。在多波段、超宽带及可控频率选择表面设计上，在军事及民用通信应用上具有很大的发展空间。在可重构频率选择表面的设计与应用中，单元尺寸的小型化通常是一个非常重要的特性，小型化频率选择表面单元可以使其谐振频率远离自由空间栅瓣或介质表面波，改善其频率响应对入射角度的稳定性，在有限大尺寸的应用中可以增加单元的数量从而改善其传输特性，曲面应用中还可以减小因单元形状扭曲而带来的传输特性的恶化。频率选择表面的小型化通可以通过曲折分形频率选择表面单元和环缝隙加载来实现。
传统的小型化频率选择谐振多为分形或者加载技术设计，本发明将两种小型化设计技术结合到一起，对多层频率选择表面单元进行设计，进一步实现了单元的小型化。本发明为保证设计目标具有选频特性，利用双层谐振环结构即所述谐振单元3进行设计，同时结合高阻线33设计，不仅能实现良好的空间滤波功能，同时兼具高带外陡峭度的频率特性。与单层谐振结构以及未加载高阻线33谐振结构设计的传统频率选择表面相比，所设计频率选择表面所得到的带宽更宽，且能其矩形系数接近于1，具有更好的滤波特性。通过对液晶材料加载偏置电压，实现频率选择表面的可调谐功能。传统频率选择表面不能实现调谐功能，本发明通过加载液晶材料，可通过外加偏压改变液晶介电常数，实现频率选择表面的可调谐功能，液晶材料理论调谐范围为1GHz左右。
与传统的频率选择表面结构相比：传统频率选择表面具有体积大、带外陡峭度较差、不可调谐等缺陷，本发明通过使用加载高阻线33、将分形和加载技术相结合及加载液晶材料的方式可以有效地避免这些问题。
对于频率选择表面的小型化设计，可采用分形技术和加载技术实现。分形技术相当于在有限大尺寸中增加单元数，加载技术相当于增加单元谐振长度，两种技术均可实现小型化设计。现有技术一般是使用分形技术或者加载技术实现小型化设计，这类设计只能在较低程度上完成单元结构的小型化。因此，本发明结合分形与加载技术对单元结构进行设计，可实现频率选择表面的小型化设计。
在实际设计中，频率选择表面的带外陡峭度是一个重要指标，是否具有好的带外陡峭度高体现在矩形系数是否接近于1。现在技术设计中，带外陡峭度基本不高，本发明通过用高阻线33将谐振单元3内外部分相连接，可实现高带外陡峭度设计。
针对小型化频率选择可采用互补技术、多屏级联技术和三维频率选择表面。但前两种技术均具有剖面低、制作简单的优点，但能量损失大，并且其角度稳定性较差。三维频率选择表面，其剖面较厚，直接影响频率选择表面的角度稳定性。因此选用分形与加载相结合的结构，实现频率选择表面的小型化设计。针对目前液晶良好的高频介电特性、成本低、可调谐的优点，目前并无其他材料或工艺可以代替。
传统的频率选择表面不具备调谐功能，而近年来的可调频率选择表面多采用加载有源器件的方式实现，这类方式的馈电网络设计复杂，在实际工程中的设计难度较大。因此，本发明将无源液晶材料加载与频率选择表面单元中，可实现频率选择表面的连续可调设计。
本发明提供的矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构100，使用高阻线33连接金属谐振贴片，实现了高陡峭度频率选择表面设计，其矩形系数接近1；将分型技术和加载技术结合使用，实现频率选择表面的小型化设计；通过加载介电常数电控可调的液晶材料，实现频率选择表面可调谐功能。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，其特征在于，
包括介质基板、液晶层和谐振单元，所述介质基板的数量为两个，两个所述介质基板相对设置，所述液晶层位于两个所述介质基板之间，所述液晶层内填充有液晶，所述谐振单元的数量为两个，每一所述谐振单元位于每一所述介质基板上，所述谐振单元包括分形金属贴片、分形金属环和高阻线，所述分形金属贴片位于所述分形金属环内，所述高阻线与所述分形金属贴片和所述分形金属环连接。
2.如权利要求1所述的矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，其特征在于，
所述分形金属贴片的长度和宽度均为3.4mm。
3.如权利要求1所述的矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，其特征在于，
所述介质基板的厚度为0.254mm。
4.如权利要求1所述的矩形系数接近1的小型化频率选择表面结构，其特征在于，
所述液晶层的厚度为0.254mm。
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