CN112186362B - 一种互补结构的双频小型化频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明设计电磁场与微波技术领域，特别涉及一种互补结构的双频小型化频率选择表面，包括高频介质基板和印刷在介质基板上的顶层金属层和底层金属层，并由若干个谐振单元排列形成周期性阵列结构，所述频率选择表面的顶层金属层的金属图案为贴片导电元件，该金属图案为由三对偶极子构成的正六边形紧凑排列构成的二维表面构成；底层金属层的金属图案为孔径元件，与顶层金属层的金属图案形成完全互补的结构，即顶层金属层的贴片导电元件与底层金属层的孔径元件的尺寸完全相同；本发明在空间位置上的偏移实现频带独立可调，并表现出超高的稳定性，结构简单，尺寸小，轮廓低，在卫星通信、雷达和WiFi等微波领域有着很好的应用。

Description

一种互补结构的双频小型化频率选择表面

技术领域

本发明设计电磁场与微波技术领域，特别涉及一种互补结构的双频小型化频率选择表面。

背景技术

频率选择表面类似于超材料，在微波领域和红外领域有着广泛的应用前景，由大量的无源谐振单元按照一定的排布方式周期排列组成，作为电磁波和光信号的一种空间滤波器，与空间电磁波相互作用表现出明显的带阻(贴片型单元)或带通(孔径型单元)的滤波性质，近年来被从事微波和天线领域的相关学者广泛的研究，它可以作为天线罩以减少雷达的散射面积(RCS)，极化转换器，隐身材料，以及改变建筑物的电磁特性。随着网络与通信设备的快速发展，军用与民用的电磁波段越来越多，具有高滤波，高截止，高选择特性的频率选择结构成为研究热点。国外的研究早在上世纪世界第二次大战被秘密研究，用于反侦察敌方战机，理论也在逐渐完善。我国的研究由于技术还不够成熟，开始的较晚，但由于FSS广泛的应用前景以及商业价值，近十年成为研究热点。

小型化，极化稳定性，入射角稳定性以及高选择性一直是频率选择表面研究的重要指标，与普通滤波器不同的是，FSS是应用在无限的空间领域中，电磁波的极化和入射角度对其影响巨大，这也是研究难点之一。其次，大量的无源谐振周期单元导致FSS的尺寸过大，这在实际应用中很不利，谐振单元的小型化可以使同样尺寸的FSS包含足够多的子单元，小型化也是研究者不断追求的目标之一。

但由于受到加工工艺的影响，复杂的拓扑结构和小型化FSS加工起来比较困难，误差也会相对较大。其次，由于大入射角会造成波阻抗的变化，不同的极化会导致带宽发生明显的变化。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种互补结构的双频小型化频率选择表面，包括高频介质基板3和印刷在介质基板上的顶层金属层1和底层金属层2，并由若干个谐振单元排列形成周期性阵列结构，所述频率选择表面的顶层金属层1的金属图案为贴片导电元件，该金属图案为由三对偶极子构成的正六边形紧凑排列构成的二维表面构成；底层金属层2的金属图案为孔径元件，与顶层金属层1的金属图案形成完全互补的结构，即顶层金属层1的贴片导电元件与底层金属层2的孔径元件的尺寸完全相同。利用两层谐振器的强互耦作用产生高选择性的双通带，所设计的螺旋线实现小型化的同时使得结构排列的更加紧凑，实现稳定的性能，值得注意的是，这种非对称螺旋线的设计可以有效减小栅瓣地产生。

进一步的，三对偶极子包括第一对偶极子41、第二对偶极子42以及第三对偶极子43，每对偶极子之间的夹角为60°。

进一步的，每个偶极子的两端分别设置有曲折线，每根曲折线构成一个三角形螺旋结构，每对偶极子的两个曲折线呈中心对称。

进一步的，三角形螺旋结构由9段折线首尾连接组成，螺线线总长度与频率选择表面的工作频率有关，相邻折线之间的的曲折角度为60°。

进一步的，通过调节底层金属层2的金属图案的设置位置与顶层金属层1的金属图案设置位置之间的偏移量可调节该频率选择表面的谐振。

进一步的，偏移量分别为沿x轴平行方向平移0.4mm，0.8mm，1.2mm。

进一步的，底层金属层2的金属图案在横向沿x轴排列，在纵向沿与y轴成30°方向排列。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明应用于S波段卫星雷达以及WiFi的频率选择表面在2.2GHz和3.8GHz附近有着超高的选择性能，且带外抑制明显，能够保证相应频段链路的信号不被其它频率所干扰；

2.本发明应用于S波段卫星雷达以及WiFi的频率选择表面可以实现对单独的频带独立可调，实现不同的频比，拓展了应用范围；

3.本发明应用于S波段卫星雷达以及WiFi的频率选择表面有着极强的极化稳定性，由于紧凑的结构在不同的偏振角下一直保持谐振频率不变的稳定性；

4.本发明应用于S波段卫星雷达以及WiFi的频率选择表面有着超高的入射角度稳定性，在0°-85°下一直保持谐振频率不变；

5.本发明应用于S波段卫星雷达以及WiFi的频率选择表面在不同偏振角(0-90°)下保持谐振频率不变；

6.本发明应用于S波段卫星雷达以及WiFi的频率选择表面具有小尺寸，低轮廓的特点，单元表面尺寸仅为4.39mm×4.39mm，单元间隔为7.6mm×7.6mm(0.055λ)，厚度为0.508mm(0.0037λ)。

附图说明

图1是本发明小型化互补频率选择表面周期单元的整体结构示意图；

图2是本发明小型化互补频率选择表面交叉偶极子分布拓扑图；

图3是本发明小型化互补频率选择表面上层金属贴片示意图；

图4是本发明小型化互补频率选择表面下层金属缝隙示意图；

图5是本发明小型化互补频率选择表面的侧视图；

图6是本发明小型化互补频率选择表面在两种极化下的S参数；

图7是本发明小型化互补频率选择表面在TE极化模式下的入射角度稳定性能仿真图；

图8是本发明小型化互补频率选择表面在TM极化模式下的入射角度稳定性能仿真图；

图9是本发明小型化互补频率选择表面在TE/TM极化模式下偏振角稳定性能仿真图；

图10是本发明小型化互补频率选择表面在TE极化模式下底层结构偏移量参数仿真图；

图11是本发明小型化互补频率选择表面在TM极化模式下底层结构偏移量参数仿真图；

图12是本发明小型化互补频率选择表面介质基板厚度参数仿真图；

其中，1、顶层金属层；2、底层金属层；3、高频介质基板；41、第一对偶极子；42、第二对偶极子；43、第三对偶极子；411、第一曲折线；第二曲折线412；421、第三曲折线；422、第四曲折线；431、第五曲折线；432、第六曲折线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种互补结构的双频小型化频率选择表面，包括高频介质基板3和印刷在介质基板上的顶层金属层1和底层金属层2，并由若干个谐振单元排列形成周期性阵列结构，所述频率选择表面的顶层金属层1的金属图案为贴片导电元件，该金属图案为由三对偶极子构成的正六边形紧凑排列构成的二维表面构成；底层金属层2的金属图案为孔径元件，与顶层金属层1的金属图案形成完全互补的结构，即顶层金属层1的贴片导电元件与底层金属层2的孔径元件的尺寸完全相同，利用两层谐振器的强互耦作用产生高选择性的双通带，所设计的螺旋线实现小型化的同时使得结构排列的更加紧凑，实现稳定的性能，通过偏移上下金属层改变耦合作用的大小，实现频率选择表面的调谐。

如图2，三对偶极子包括第一对偶极子41、第二对偶极子42以及第三对偶极子43，每对偶极子之间的夹角为60°，这三对偶极子构成的正六边形的边长为D1，每个偶极子的长度为D3。

如图3，每个偶极子的两端分别设置有曲折线，每根曲折线构成一个三角形螺旋结构，每对偶极子的两个曲折线呈中心对称，相邻的两个曲折线之间呈60°旋转对称，曲折线的宽度为w1，螺旋结构的每一圈之间的间距为g1，在图3中第一对偶极子41的两端分别设置有第一曲折线411和第二曲折线412，曲折线为图3中虚线框中的结构，同理第二对偶极子42的两端分别设置有第三曲折线421和第四曲折线422，第三对偶极子43的两端分别设置有第五曲折线431和第六曲折线432，每根曲折线曲折角度为60°，向内弯曲8次，并朝着逆势针方向旋转，使金属图案填满整个空间。

螺旋线与偶极子相连接延长了偶极子的长度，同时偶极子臂之间的缝隙也相应延长，有效的延展了频率选择表面，增加了等效电感与等效电容，实现小型化。此外，这种弯曲模式使得电场耦合作用增强，其旋转对称放置可以减少奇数谐振模式的激发，从而保持极化和入射角的稳定性能。互补型频率选择表面(CFSS)，通过上下层之间场的相互作用产生耦合，在介质区产生高的倏逝场，导致CFSS发生共振，确保电流和磁场在相交处达到其峰值，两个窄的通带会被明显隔开，这是基于Babinet's(巴比涅)原理。在这里我们将多个线性偶极子交叉处理并连接上螺旋金属贴片，从而形成旋转对称结构，互补结构可直接获得，导体和孔径不必相对于彼此旋转就能发生强耦合作用。由于结构的紧凑，产生的第一共振带位于2.2GHz处，单元尺寸仅为0.055λ，λ为第一共振带波长。

如图4，该图形与图3中的图形互补，互补图形中的曲折线线宽为w2，螺旋结构的每一圈之间的间距为g2，且在实际设置中，w1＝g2且w2＝g1。

进一步的，通过调节底层金属层2的金属图案的设置位置与顶层金属层1的金属图案设置位置之间的偏移量可调节该频率选择表面的谐振。

实施例1

参照图1，一种互补结构的双频小型化频率选择表面，所述频率选择表面周期单元由介质基板3和印刷在介质基板两侧的互补结构，即顶层金属层1和底层金属层2构成，所述介质基板为高频损耗材料Rogers RO4003C的板材，单元边长为D1，厚度为t，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，D2代表单元之间的间距。利用正六边形的结构，为了使排布更加紧凑，单元之间的排布方式为斜排布，即在横向沿x轴排列，在纵向沿与y轴成30°方向排列。

参照图4，所述底层金属图案2为顶层金属图案1的互补结构，即顶层金属图案1的贴片在底层金属图案2中为孔径，顶层与底层图案中心相对重合，其它结构尺寸均与顶层金属贴片1相同。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，顶层金属图案1相对底层金属图案2进行了偏移，参照图1的坐标系在x轴方向进行偏移，偏移方向如图偏移量o所示方向，偏移量分别为0.4mm，0.8mm，1.2mm，以实现频率选择表面第二谐振点的独立调谐。

如图10～11，为小型化互补频率选择表面在底部孔径图案偏移量参数下的仿真图，偏移的方向为与x轴方向平行，可以看出，随着偏移量的增加，第二共振带由3.8GHz变为3.29GHz,可达到15％的偏移。且第一共振带基本保持不变，实现第二共振带的独立可调。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，参照图5，将介质基底的厚度t从0.3mm变化到0.6mm，以实现频率选择表面的双频同时调谐。

本发明的各项性能指标采用CST三维电磁仿真软件进行仿真分析，并对频率选择表面尺寸进行优化，得到频率选择表面尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在上文说明。所得仿真结果如图6～12：

如图6，为所设计的小型化互补频率选择表面在两种极化方式下的S参数曲线，分别在2.2GHz和3.8GHz附近产生高选择性共振响应，且带外抑制良好。在平面波正常入射下TE/TM两种极化下曲线完全拟合一致，且损耗仅有0.2dB。

如图7，8，为小型化互补频率选择表面分别在TE/TM两种极化方式下的入射角度稳定性曲线，在0-85°角度范围下表现出良好的稳定特性，最大偏移量不超过0.3％。

如图9，为小型化互补频率选择表面在不同偏振角下的稳定性能，由于结构的紧凑和小型化在0-90°表现出超高稳定性。

如图12，为小型化互补频率选择表面在介质基底厚度参数下的仿真图，随着介质厚度的增加，低频带向高频移动，低频带向高频移动，实现双带可调，频比由2.1变为1.6。

表1

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				D1	4.39	w2	0.2
D2	7.6	g1	0.2
				D3	8.43	g2	0.2
w1	0.2	t	0.508

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种互补结构的双频小型化频率选择表面，包括高频介质基板(3)和印刷在介质基板上的顶层金属层(1)和底层金属层(2)，并由若干个谐振单元排列形成周期性阵列结构，其特征在于，所述频率选择表面的顶层金属层(1)的金属图案为贴片导电元件，该金属图案为由三对偶极子构成的正六边形紧凑排列构成的二维表面构成；底层金属层(2)的金属图案为孔径元件，与顶层金属层(1)的金属图案形成完全互补的结构，即两个紧密耦合的频率选择表面，即顶层金属层(1)的贴片导电元件与底层金属层(2)的孔径元件的尺寸完全相同，三对偶极子包括第一对偶极子(41)、第二对偶极子(42)以及第三对偶极子(43)，每对偶极子之间的夹角为60°，每个偶极子的两端分别设置有曲折线，每根曲折线构成一个三角形螺旋结构，每对偶极子的两个曲折线呈中心对称，三角形螺旋结构由9段折线首尾连接组成，螺线线总长度与频率选择表面的工作频率有关，相邻折线之间的曲折角度为60°。

2.根据权利要求1所述的一种互补结构的双频小型化频率选择表面，其特征在于，通过调节底层金属层(2)的金属图案的设置位置与顶层金属层(1)的金属图案设置位置之间的偏移量可调节该频率选择表面的谐振，所述偏移量的偏移方向为沿着坐标轴x轴平行的方向。

3.根据权利要求1所述的一种互补结构的双频小型化频率选择表面，其特征在于，底层金属层(2)的金属图案在横向沿x轴排列，在纵向沿与y轴成30°方向排列。

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