CN112751205B - 双层介质2.5维带阻频率选择表面 - Google Patents

双层介质2.5维带阻频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种双层介质2.5维带阻频率选择表面，包括第一金属贴片层，第一介质层，第二金属贴片层，第二介质层，第三金属贴片层和金属化过孔。第一金属贴片层由一对直角端开口的三角环金属贴片组成，第二金属贴片层由四直角端开口的方环金属贴片组成，第一金属贴片层贴片沿单元中心轴旋转90°即为第三金属贴片层贴片结构；第一金属贴片层通过贯穿第一介质层的四根金属化过孔与第二金属贴片层中的连接，第三金属贴片层通过贯穿第二介质层的四根金属化过孔与第二金属贴片层连接，形成2.5维闭合环路结构。本发明在2.5维频率选择表面增加了介质层与贴片层数，不仅能够降低单层贴片复杂度，并且可以提升频率选择表面小型化程度。

Description

双层介质2.5维带阻频率选择表面
技术领域
本发明涉及双层介质2.5维带阻频率选择表面，属于电磁通信、微波器件技术领域。
背景技术
频率选择表面是一种具有滤波特性的电磁周期结构，对具有不同工作频率、极化方式和入射角度的电磁波具有选择特性，其广泛应用于设计隐身天线罩，天线反射面、极化转换器等。
在频率选择表面的设计中，小型化设计具有重要的意义。因为理想的频率选择表面是一种无限周期结构，而在实际应用中频率选择表面都是有限大结构，因而就需要有限区域内集结足够多的单元数量来保持无限大频率选择表面的特性。另外，通过单元结构小型化设计，可以降低周期结构的单元间距，从而提高产生栅瓣的最低频率，使其远离频率选择表面工作频段，改善频率选择表面的角度稳定性。
近年来，金属化过孔出现在周期结构的小型化设计中，2.5维闭合环结构大量应用于带阻频率选择表面设计中，呈现出理想的小型化效果。已发表的2.5维闭合环结构为单层介质结构，最多只能包含两层贴片。单层介质2.5维频率选择表面小型化程度受限，为了提升小型化程度，贴片层设计渐趋复杂。
发明内容
本发明的目的克服上述现有2.5维结构中的不足，提出了双层介质2.5维带阻频率选择表面，旨在降低贴片设计复杂度，提升频率选择表面小型化程度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种双层介质2.5维带阻频率选择表面，所述频率选择表面单元为矩形单元，包括第一金属贴片层、第二金属贴片层、第三金属贴片层、第一介质层、第二介质层和八个金属化过孔；所述第一金属贴片层、第一介质层、第二金属贴片层、第二介质层和第三金属贴片层由上往下依次层叠；
所述第一金属贴片层紧贴第一介质层上表面，由一对直角端开口的直角三角环贴片组成，直角边沿矩形单元四条边分布，斜边沿矩形单元对角线分布；所述第二金属贴片层位于第一介质层和第二介质层之间，由直角端开口的方环贴片组成，方环贴片四个直角端开口形成四条条状矩形贴片，条状贴片沿矩形单元四边排布；所述第三金属贴片层紧贴第二介质层下表面，与第一金属贴片层贴片结构一致，第一金属贴片层贴片沿频率选择表面单元中心轴旋转90°即为第三金属贴片层贴片，直角三角环贴片的斜边沿矩形单元的另一条对角线分布；
所述金属化过孔贯穿介质层，用于连接不同金属贴片层；其中四根金属化过孔贯穿第一介质层连接第一金属贴片层与第二金属贴片层，其余四根金属化过孔贯穿第二介质层连接第二金属贴片层与第三金属贴片层；所述金属化过孔为圆柱体，其两端连接直角三角环贴片的开口处端点和方环贴片的开口处端点。各金属贴片层离散的金属贴片通过金属化过孔连接形成一个2.5维闭合环。
进一步的，所述矩形单元的边长p为5mm。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层的横截面为正方形，边长与矩形单元的边长p相等均为5mm，厚度h为0.8mm，材质均为FR4。
进一步的，所述金属化过孔的底面直径r为0.2mm，过孔长度与介质层厚度h相等，均为0.8mm。
进一步的，所述第一金属贴片层和第三金属贴片层的斜边边长计算公式为(l+d-s)×√2；其中，d为直角边定点到单元边界的距离；s为直角边与矩形单元边界的距离，l为直角边长度。
进一步的，直角边定点到单元边界的距离d为0.5mm，直角边与矩形单元边界的距离s为0.15mm，直角边长度l为4mm。
进一步的，所述第二金属贴片层的四条条状矩形贴片长度与直角边长度l相等均为4mm。
进一步的，所述第一金属贴片层、第二金属贴片层和第三金属贴片层的线宽均为w，且线宽w与金属化过孔的底面直径r相等均为0.2mm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明在2.5维频率选择表面的金属贴片-介质-金属贴片的结构基础上增加介质层与贴片层数，形成金属贴片-介质-金属贴片-介质-金属贴片结构，不仅能够降低单层贴片复杂度，并且可以提升频率选择表面小型化程度。
附图说明
图1是本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面的单元三维结构图；
图2是本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面的单元侧视图；
图3(a)是本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面单元第一金属贴片层的金属贴片分布图；
图3(b)是本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面单元第二金属贴片层的金属贴片分布图；
图3(c)是本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面单元第三金属贴片层的金属贴片分布图；
图4是X极化波和Y极化波入射时，电磁波角度变化下的双层介质2.5维带阻频率选择表面的传输系数。
其中，1-第一金属贴片层，2-第二金属贴片层，3-第三金属贴片层，4-第一介质层，5-第二介质层，6-金属化过孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面的单元为矩形单元，所述矩形单元的边长p为5mm，包括第一金属贴片层1、第二金属贴片层2、第三金属贴片3、第一介质层4、第二介质层5和八个金属化过孔6。
如图2所示，所述第一金属贴片层1、第一介质层4、第二金属贴片层2、第二介质层5和第三金属贴片层3由上往下依次层叠；第一金属贴片层1紧贴第一介质层4的上表面，第二金属贴片层2夹于第一介质层4与第二介质层5之间，第三金属贴片层3位于第二介质层5的下表面，贯穿于第一介质层4的四根金属化过孔6连接第一金属贴片层1和第二金属贴片层2，贯穿于第二介质层5的四根金属化过孔6连接第二金属贴片层2和第三金属贴片层3；所述金属化过孔6的两端连接直角三角环贴片的开口处端点和方环贴片的开口处端点。
所述第一介质层4和第二介质层5的横截面为正方形，边长与矩形单元的边长p相等均为5mm，厚度h为0.8mm，材料为FR4，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025。
所述第一金属贴片层1如图3(a)所示，由一对直角端开口的直角三角环贴片组成，直角边平行于频选单元四边，斜边相互平行，沿矩形单元对角线分布。原直角三角环贴片线宽w为0.2mm，直角边边长为l+d-s,斜边边长为(l+d-s)×√2；其中，d为直角边定点到单元边界的距离；s为直角边与矩形单元边界的距离，l为直角边长度，d为0.5mm，s为0.15mm，l为4mm。
所述第二金属贴片层2如图3(b)所示，平面方环贴片在四个直角端开口离散化形成四条条状矩形贴片，平行于矩形单元四边排布。条状矩形贴片线宽w为0.2mm，长度为与直角边长度l相等均为4mm。
所述第三金属贴片层3如图3(c)所示，与第一金属贴片层1结构一致，第一金属贴片层1贴片沿单元中心轴旋转90°即可得到第三金属贴片层3，直角三角环贴片的斜边沿矩形单元的另一条对角线分布；
所述金属化过孔6为圆柱体，贯穿介质层，底面直径r为0.2mm，过孔长度与介质层厚度h相等，均为0.8mm，位置如图3所示，位于贴片层贴片末端。四根金属化过孔6贯穿第一介质层4，连接第一金属贴片层1和第二金属贴片层2，四根金属化过孔6贯穿第二介质层5，连接第二金属贴片层2和第二金属贴片层3。各金属贴片层离散的金属贴片通过过孔连接形成一个2.5维闭合环。
本实施例中，通过商用软件CST STUDIO SUITE 2016辅助完成对频率选择表面的仿真及具体参数优化。通过仿真得到本发明双层介质2.5维带阻频率选择表面在不同极化电磁波斜入射角度不同时的传输系数曲线如图4所示。由仿真结果可得，TE极化电磁波垂直入射下，频率选择表面谐振频率为2.014GHz，单元尺寸为0.034λ×0.034λ，当入射角达到60°时，谐振频率为2.015GHz，相对偏移量仅为0.05％左右。TM极化电磁波垂直入射下，频率选择表面谐振频率为2.015GHz，当入射角达到60°时，谐振频率为2.016GHz，相对偏移量仅为0.05％左右。由仿真结果说明，本发明使得频率选择表面实现了良好的小型化效果，同时频率选择表面具有良好的角度稳定性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面单元为矩形单元，包括第一金属贴片层(1)、第二金属贴片层(2)、第三金属贴片层(3)、第一介质层(4)、第二介质层(5)和八个金属化过孔(6)；所述第一金属贴片层(1)、第一介质层(4)、第二金属贴片层(2)、第二介质层(5)和第三金属贴片层(3)由上往下依次层叠；
所述第一金属贴片层(1)紧贴第一介质层(4)上表面，由一对直角端开口的直角三角环贴片组成，直角边沿矩形单元四条边分布，斜边沿矩形单元对角线分布；所述第二金属贴片层(2)位于第一介质层(4)和第二介质层(5)之间，由直角端开口的方环贴片组成，所述方环贴片四个直角端开口形成四条条状矩形贴片，条状贴片沿矩形单元四边排布；所述第三金属贴片层(3)紧贴第二介质层(5)下表面，与第一金属贴片层(1)贴片结构一致，第一金属贴片层(1)贴片沿频率选择表面单元中心轴旋转90°即为第三金属贴片层(3)贴片，第三金属贴片层(3)的直角三角环贴片的斜边沿矩形单元的另一条对角线分布；
所述金属化过孔(6)贯穿介质层，连接不同金属贴片层；其中四根金属化过孔(6)贯穿第一介质层(4)连接第一金属贴片层(1)与第二金属贴片层(2)，其余四根金属化过孔(6)贯穿第二介质层(5)连接第二金属贴片层(2)与第三金属贴片层(3)；所述金属化过孔(6)为圆柱体，其两端连接直角三角环贴片的开口处端点和方环贴片的开口处端点；各金属贴片层离散的金属贴片通过金属化过孔(6)连接形成一个2.5维闭合环。
2.根据权利要求1所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述矩形单元的边长p为5mm。
3.根据权利要求1所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层(4)和第二介质层(5)的横截面为正方形，边长与矩形单元的边长p相等均为5mm，厚度h为0.8mm，材质均为FR4。
4.根据权利要求1所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述金属化过孔(6)的底面直径r为0.2mm，过孔长度与介质层厚度h相等，均为0.8mm。
5.根据权利要求1所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述第一金属贴片层(1)和第三金属贴片层(3)中直角三角环贴片的斜边边长计算公式为
Figure FDA0003225046370000021
其中，d为直角三角环贴片的开口处端点到单元边界的距离；s为直角边与矩形单元边界的距离，l为直角边长度。
6.根据权利要求5所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，直角边定点到单元边界的距离d为0.5mm，直角边与矩形单元边界的距离s为0.15mm，直角边长度l为4mm。
7.根据权利要求1所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述第二金属贴片层(2)的四条条状矩形贴片长度与直角边长度l相等均为4mm。
8.根据权利要求1所述双层介质2.5维带阻频率选择表面，其特征在于，所述第一金属贴片层(1)、第二金属贴片层(2)和第三金属贴片层(3)的线宽均为w，且线宽w与金属化过孔的底面直径r相等均为0.2mm。
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