CN112234360B - 端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法 - Google Patents

端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法，所述透射表面包括：双极化接收天线阵、滤波电路以及发射天线阵，所述接收天线阵用于将收到的电磁波信号传送至滤波电路，所述滤波电路用于实现对于透射表面的幅度、相位和频率特性的调控，所述发射天线阵与滤波电路终端连接。本发明提供了利用电路控制入射电磁波电特性的新构思，通过对电路的合理设计，能够实现具有滤波特性的单频带或多频带的透射表面，本发明可以获得具有一个反射频带和一个透射频带的频率选择表面，可以用作卡塞格伦天线次反射体的双色镜。

Description

端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法
技术领域
本发明属于透射型频率选择表面领域，具体为一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法。
背景技术
频率选择表面是一种由独立单元组成的一维或二维无限周期阵列，它实质上是一种空间滤波电路，用于选择入射电磁波传输和反射的频率，实现带通或带阻的滤波特性。透射型频率选择表面由于可以同时获得高透射效率和良好相位调节能力，在透射阵、双色镜、天线罩和雷达隐身等方面有重要应用。
传统的透射表面为了获得良好的频率选择能力和大范围的相位调节能力通常采用收发天线和多层频率选择表面两种方法进行透射单元的设计。收发天线结构简单，相位调节能力强，但频率选择能力相对较差，采用收发天线设计的透射单元在透射频段的上下边带存在一个缓慢的过渡边带，无法获得陡峭的带外抑制效果。多层频率选择表面结构较为复杂，且难以实现两个极化具有不同透射频带的透射表面。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面设计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面设计方法，包括：
根据待设计的透射表面的幅度、相位以及频率特性确定滤波电路的参数；
利用接收天线阵接收电磁波信号；
将滤波电路与接收天线阵连接；
在滤波电路终端连接发射天线阵。
优选地，根据待设计的透射表面的幅度、相位以及频率特性确定滤波电路的参数的具体方法为：
根据待设计的双极化透射表面的两个极化各自的透射频带范围确定滤波电路的工作频带；
根据待设计的透射表面中各单元所需要的透射相位，确定每个单元中滤波电路中传输线的长度。
优选地，所述滤波电路可以为带通滤波器、带阻滤波器、双频带/多频带滤波器或可重构滤波器。
优选地，所述发射天线阵与接收天线阵结构相同。
本发明还提出了一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面，包括：双极化接收天线阵、滤波电路以及发射天线阵，所述接收天线阵用于将收到的电磁波信号传送至滤波电路，所述滤波电路用于实现对于透射表面的幅度、相位和频率特性的调控，所述发射天线阵与滤波电路终端连接。
优选地，利用端接滤波电路控制透射表面的幅度、相位和频率特性具体为：
滤波电路通带内透射表面的透射幅度为1，阻带内透射幅度为0；
根据滤波电路传输线的长度确定透射表面的透射相位；
滤波电路的通带范围内透射表面呈现透射特性，阻带范围内呈现反射特性。
优选地，所述滤波电路可以为带通滤波器、带阻滤波器、双频带/多频带滤波器或可重构滤波器。
优选地，所述双极化接收天线阵包括若干接收天线单元，所述接收天线单元包括依次设置的反射板、支撑层、金属振子介质板、宽角匹配层，所述金属振子介质板、宽角匹配层之间设置有金属振子辐射片，所述反射板上设有两个介质匹配通孔，所述金属振子辐射片通过两个矩形通孔连接到反射板，通过两个贯穿反射板和金属阵子介质板的馈电金属柱连接到滤波电路，所述馈电金属柱和介质匹配通孔共心，所述滤波电路另一端连接至发射天线。
优选地，所述发射天线阵与接收天线阵结构相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明提供了一种利用端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面的新构思，本发明在电路中对入射电磁波进行作用，通过电路控制透射表面的幅度，相位和频率特性，包括带通、带阻，双频带和多频带等难以在场中控制的特性；
(2)本发明提供了使用单层电路结构实现具有陡峭的带外抑制的透射型频率选择表面的设计方法，本发明在电路结构中实现滤波性能，可以在单层滤波电路中获得陡峭的带外抑制特性；
(3)本发明将电路的设计引入到透射型频率选择表面的设计中，增加了整体设计的自由度，在对空间电磁波控制的过程中融合了电路设计的优势；
(4)本发明提供了一种利用端接滤波电路控制电特性的两个极化具有不同透射频带范围的透射型频率选择表面的设计方法，透射表面的两个极化可以分别设计，以获得不同透射频带的双极化透射表面。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是利用端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面示意图。
图2是利用端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面中接收天线单元及其金属振子辐射片的结构图。
图3是利用端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面的结构图。
图4是利用端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面单元中所采用的滤波电路的结构图。
图5是滤波电路中的带阻滤波器的结构图。
图6是滤波电路中带阻滤波器的S参数图。
图7是透射表面单元中所使用的接收天线阵单独工作时的双极化反射系数图。
图8是TE极化的入射波下该透射表面单元的S参数图。
图9是TM极化的入射波下该透射表面单元的S参数图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面设计方法，包括：
根据待设计的透射表面的幅度、相位以及频率特性确定滤波电路的参数；
利用接收天线阵接收电磁波信号；
将滤波电路与接收天线阵连接；
在滤波电路终端连接发射天线阵。
进一步的实施例中，根据待设计的透射表面的幅度、相位以及频率特性确定滤波电路的参数的具体方法为：
根据待设计的透射表面的两个极化各自的透射频带范围确定滤波电路的工作频带；在某些实施例中，滤波电路的工作频带与待设计的透射表面的透射频带相同。
根据待设计的透射表面中各单元所需要的透射相位，确定每个单元中滤波电路的传输线长度。在某些实施例中，将待设计的透射表面的相位换算为波长，根据波长确定滤波电路传输线长度。
在幅度控制中，滤波电路的通带内透射表面的透射幅度为1，阻带内透射幅度为0；在相位控制中，通过改变滤波电路中传输线的长度可以获得各单元上不同的透射相位。具体地，λ＝c/f，λ为波长，c为真空中的光速，f为频率。若该透射表面需要补偿的相位是72°，在10GHz时为1/5波长,则滤波电路的末端需要的传输延长线的长度为6mm。在具体的应用中，由于不同情况下滤波电路采用不同介电常数的介质板，应对透射相位进行仿真优化，确定最后的传输延长线的长度。
进一步的实施例中，所述滤波电路可以为带通滤波器、带阻滤波器、双频带/多频带滤波器或可重构滤波器。接收天线阵将收到的电磁波信号传送至滤波电路后，在滤波电路的终端再通过发射天线进行发射。滤波电路可以控制透射表面两个极化各自的透射频带范围和透射幅度及相位，实现在滤波电路的阻带内反射电磁波，通带内传输电磁波的功能。
进一步的实施例中，所述发射天线阵与接收天线阵结构相同。
在某些实施例中，所述双极化接收天线阵包括若干接收天线单元，所述接收天线单元包括依次设置的反射板1、支撑层2、金属振子介质板3、宽角匹配层5，所述金属振子介质板3、宽角匹配层5之间设置有金属振子辐射片4，所述反射板1上设有两个介质匹配通孔8，所述金属振子辐射片4通过两个矩形通孔7连接到反射板1，通过两个贯穿反射板1和金属阵子介质板3的馈电金属柱6连接到滤波电路9，所述馈电金属柱6和介质匹配通孔8共心，所述滤波电路9另一端连接至发射天线10。
一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面，包括：双极化接收天线阵、滤波电路以及发射天线阵，所述接收天线阵用于将收到的电磁波信号传送至滤波电路，所述滤波电路用于实现对于透射表面的幅度、相位和频率特性的调控，所述发射天线阵与滤波电路终端连接。其中，接收天线阵将收到的电磁波信号传送至滤波电路，经过滤波电路进行处理后再传送至发射天线，滤波电路可以控制透射表面的幅度，相位和频率特性，包括带通、带阻，双频带和多频带等难以在场中控制的特性。
进一步的实施例中，滤波电路控制透射表面的幅度、相位和频率特性具体为：
滤波电路通带内透射表面的透射幅度为1，阻带内透射幅度为0；
根据滤波电路传输线的长度确定透射表面的透射相位；
滤波电路的通带范围内透射表面呈现透射特性，阻带范围内呈现反射特性。
进一步的实施例中，所述滤波电路可以为带通滤波器、带阻滤波器、双频带/多频带滤波器或可重构滤波器。通过滤波电路选择所需要的透射频带，控制透射幅度和相位。对于透射表面的透射幅度的控制中，在所选用的滤波电路的通带内透射幅度为1，阻带内透射幅度为0；在相位控制中，通过改变所采用的滤波电路中传输线的长度可以获得不同的透射相位。
如图2所示，进一步的实施例中，所述双极化接收天线阵包括若干接收天线单元，所述接收天线单元包括依次设置的反射板1、支撑层2、金属振子介质板3、宽角匹配层5，所述金属振子介质板3、宽角匹配层5之间设置有金属振子辐射片4，所述反射板1上设有两个介质匹配通孔8，所述金属振子辐射片4通过两个矩形通孔7连接到反射板1，通过两个贯穿反射板1和金属阵子介质板3的馈电金属柱6连接到滤波电路9，所述馈电金属柱6和介质匹配通孔8共心，所述滤波电路9另一端连接至发射天线10。
具体地，所述滤波电路9由两部分组成，一部分为一个带阻滤波器11，另一部分为与接收天线一个极化端口匹配的一段微带线12。带阻滤波器9由位于主传输线上的第一微带线13、第二微带线14、第三微带线15、第四微带线16、第五微带线17和位于分支线上的第六微带线18、第七微带线19、第八微带线20连接而成。
进一步的实施例中，所述发射天线阵与接收天线阵结构相同，分别放置在滤波电路的上下两侧。
本发明利用端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面可以获得两个极化具有不同透射频带范围的透射表面，在用于双频段天线的天线罩时可以有效提高空间利用效率；也可以获得双极化的一个反射频带和一个透射频带，可以用于卡塞格伦天线副反射体的双色镜。
实施例
本实施例以端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面为例，透射表面的TM极化(入射波的电场方向沿y轴)具有一个透射频带，一个反射频带，TE极化(入射波的电场方向沿x轴)具有一个与TM极化透射频带范围不同的透射频带。本实施例中的透射表面可以用作卡塞格伦天线次反射体的双色镜。下面我们结合附图做进一步详细说明。
参见图1，为本实施例利用端接滤波电路实现的双极化透射表面示意图。该透射表面包括紧耦合双极化振子接收天线阵、滤波电路和发射天线。其中，接收天线阵将收到的电磁波信号传送至滤波电路，经过滤波电路处理后再传送至发射天线。滤波电路可以控制该透射表面的幅度、相位和频率特性，包括带通、带阻，双频带和多频带等难以在场中控制的特性，通过采用不同的滤波电路，可以获得具有带通、带阻，双频带或多频带等的不同特性的透射表面。
参见图2，为利用端接滤波电路实现的双极化透射表面中双极化接收天线单元及其金属振子辐射片示意图。接收天线单元包括反射板1、支撑层2、金属振子介质板3、金属振子辐射片4、宽角匹配层5、两个馈电金属柱6、两个金属短路柱7、两个介质匹配孔8。所述反射板1为金属铝板，同时作为接收天线单元和滤波电路的地板，其长和宽均为12.5mm,厚度3mm。支撑层2材料为Teflon，长和宽分别为12.5mm，高度为3mm，为了和金属振子辐射片4获得良好的匹配，支撑层2中挖掉了两个半径分别为2.25mm和4mm，高度为3mm的介质孔8。金属振子的介质板3材料为Arlon DiClad 880，厚度0.254mm。金属振子辐射片4上方放置材料为Teflon，厚度为3mm的宽角匹配层5。两个馈电金属柱6半径为0.25mm，一端连接金属振子辐射片，另一端通过反射板1连接到滤波电路，滤波电路的另一端连接发射天线单元。两个金属短路孔7半径为长2.6mm，宽0.25mm，高3.254mm的长方体通孔。该金属短路孔7一端连接辐射片4，另一端连接反射板1。两个介质通孔8围绕在馈电金属柱6与反射板1之间，内径为0.25mm,外径为1.67mm，材料为Teflon。金属振子辐射片矩形部分的宽度W1＝1.8mm，长度L2＝4.6mm，三角形部分长度L1＝1.6mm，同一方向两个振子之间间隙L3＝0.3mm。
参见图3，为本实施例利用端接滤波电路实现的双极化透射表面结构示意图。透射表面单元由接收天线单元、滤波电路和发射天线单元构成。入射电磁波通过接收天线单元被接收，传送至滤波电路处理后再经由发射天线单元进行发射。接收天线单元与发射天线单元结构完全相同，分别放置在滤波电路的上下两侧。
参见图4，为该透射表面中所采用的滤波电路的结构示意图。本实施例中所采用的滤波电路包括一个带阻滤波器11和与接收天线一个极化端口匹配的一段微带线12，带阻滤波器11和匹配微带线12分别控制透射表面的两个不同的极化，带阻滤波器11一端连接接收天线单元TM极化的端口，另一端连接发射天线单元的TM极化馈电端口。匹配微带线11一端连接接收天线单元的TE极化端口，另一端连接发射天线单元的TE极化端口。匹配微带线的宽度W6＝0.61mm。
参见图5，为图4滤波电路中带阻滤波器的具体结构图。该滤波电路采用的介质基板为Rogers RO3203，厚度为0.254mm。带阻滤波器位于主传输线上的第一微带线和第五位带线宽度W6＝0.61mm，第二微带线和第四微带线宽度W5＝0.15mm,长度L7＝0.15mm，第三传输线宽度W3＝0.34mm,长度L5＝7mm，位于分支线上的第六传输线和第八传输线宽度W2＝0.15mm，长度L4＝3.8mm，第七传输线宽度W4＝0.27mm，长度L6＝3.47mm。
参见图6，为入射波是TE极化时该透射表面的S参数。由图可见，在8GHz-12GHz的频带范围内，该透射表面的反射系数均在-10dB以下，传输系数接近0dB，说明透射表面在TE极化8GHz-12GHz范围内具有良好的透射特性。
参见图7，为入射波是TM极化时该透射表面的S参数。与TM极化馈电端口连接的带阻滤波器在7.5GHz-10.5GHz为通带，10.5GHz-12GHz为阻带。由图8可见，该透射表面在入射波为TM极化时，7.5GHz-10.5GHz频率范围内为透射频带，10.5GHz-12GHz频率范围内为反射频带。透射表面的透射频带与所选取的带阻滤波器的通带范围一致，说明利用端接滤波电路控制透射表面电特性的方案是可行的。

Claims (7)

1.一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面设计方法，其特征在于，包括：
根据待设计的透射表面的幅度、相位以及频率特性确定滤波电路的参数，具体方法为：
根据待设计的双极化透射表面的两个极化各自的透射频带范围确定滤波电路的工作频带；
根据待设计的透射表面中各单元所需要的透射相位，确定每个单元中滤波电路中的传输线长度；
在幅度控制中，滤波电路的通带内透射表面的透射幅度为1，阻带内透射幅度为0；
利用接收天线阵接收电磁波信号；
将滤波电路与接收天线阵连接；
在滤波电路终端连接发射天线阵。
2.根据权利要求1所述的端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面设计方法，其特征在于，所述滤波电路可以为带通滤波器、带阻滤波器、双频带/多频带滤波器或可重构滤波器。
3.根据权利要求1所述的端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面设计方法，其特征在于，所述发射天线阵与接收天线阵结构相同。
4.一种端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面，其特征在于，包括：双极化接收天线阵、滤波电路以及发射天线阵，所述接收天线阵用于将收到的电磁波信号传送至滤波电路，所述滤波电路用于实现对于透射表面的幅度、相位和频率特性的调控，所述发射天线阵与滤波电路终端连接；
所述双极化接收天线阵包括若干接收天线单元，所述接收天线单元包括依次设置的反射板（1）、支撑层（2）、金属振子介质板（3）、宽角匹配层（5），所述金属振子介质板（3）、宽角匹配层（5）之间设置有金属振子辐射片（4），所述反射板（1）上设有两个介质匹配通孔（8），所述金属振子辐射片（4）通过两个矩形通孔（7）连接到反射板（1），通过两个贯穿反射板（1）和金属阵子介质板（3）的馈电金属柱（6）连接到滤波电路（9），所述馈电金属柱（6）和介质匹配通孔（8）共心，所述滤波电路（9）另一端连接至发射天线（10）。
5.根据权利要求4所述的端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面，其特征在于，利用端接滤波电路控制透射表面的幅度、相位和频率特性具体为：
滤波电路通带内透射表面的透射幅度为1，阻带内透射幅度为0；
根据滤波电路中传输线的长度确定透射表面的透射相位；
滤波电路的通带范围内透射表面呈现透射特性，阻带范围内呈现反射特性。
6.根据权利要求4所述的端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面，其特征在于，所述滤波电路可以为带通滤波器、带阻滤波器、双频带/多频带滤波器或可重构滤波器。
7.根据权利要求5~6任一所述的端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面，其特征在于，所述发射天线阵与接收天线阵结构相同。
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