CN112803171B - 采用小型化频率选择表面的电磁透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜，包括若干个呈矩阵形式排列成圆形的天线单元，中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时一个波长，天线单元包括依次包括第一单元贴片层、第一单元介质层、第一单元栅格层、第二单元介质层、第二单元贴片层、第三单元介质层、第二单元栅格层、第四单元介质层以及第三单元贴片层，第一单元栅格层和第二单元栅格层为金属十字架，且中心镂空一个正方形缺口，并在十字架四角上设置四个L形金属条。发明通过改变栅格结构带宽增大可以覆盖X波段。

Description

采用小型化频率选择表面的电磁透镜
技术领域
本发明属于天线技术，具体为一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜。
背景技术
平面微波透镜和传统的介质透镜相比有许多优点，有体积小，重量轻，成本低，结构紧凑等特点。传统的平面微波透镜采用单层结构或者单层级联结构，其厚度大，单元尺寸大，带宽小，在面对不同角度入射时效果不佳。2013年，Nader Behdad将小型化频率选择表面应用于X波段的平面微波透镜，这种透镜体积小，单元尺寸小，精度高，不同角度入射时聚焦效果好，但是无法做到全周期覆盖，在面对大面积多周期应用场景时受到限制。
发明内容
本发明目的在于提出了一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜。
实现本发明目的的技术方案为：一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜，包括若干个呈矩阵形式排列成圆形的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时一个波长，所述天线单元包括依次包括第一单元贴片层、第一单元介质层、第一单元栅格层、第二单元介质层、第二单元贴片层、第三单元介质层、第二单元栅格层、第四单元介质层以及第三单元贴片层，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层以及第三单元贴片层为完全相同的金属层，所述第一单元栅格层和第二单元栅格层完全相同，所述第一单元栅格层和第二单元栅格层为金属十字架，且中心镂空一个正方形缺口，并在十字架四角上设置四个L形金属条。
优选地，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层以及第三单元贴片层为金属正方形，边长为p1，边长p1的确定方法为：根据单元贴片层到焦点的距离，确定相位延迟，根据相位延迟与贴片层边长的对应关系，确定第一单元贴片层、第二单元贴片层以及第三单元贴片层的边长，
优选地，根据单元贴片层到焦点的距离，确定相位延迟的具体公式为：
Figure BDA0002272824720000011
式中，l1为r1到焦点的距离，ln是rn到焦点的距离，r1为正对焦点的贴片，rN是透镜上任意一位置的贴片。
优选地，相位延迟与贴片层边长的关系为：相位延迟为0-29，29-67，67-88，88-113，113-134，134-157，157-195，195-228，228-257，257-294，294-324，324-334，334-360角度时分别对应金属正方形边长为：5.32mm,5.28mm,5.2mm,5.1mm,5mm,4.9mm,4.8mm,4.6mm,4.3mm,4mm,3.6mm,3.2mm,2.8mm。
优选地，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层以及第三单元贴片层厚度为d1＝0.018mm。
优选地，所述正方形缺口边长为a1＝0.6mm，L形金属条边长相同，线宽a4＝0.2mm，边长为a2＝0.8mm，厚度d1＝0.018mm。
优选地，十字栅格条宽度为a3＝1mm，十字栅格条长度为a5＝6mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明能够进行全周期聚焦，以及大面积多周期设计；(2)本发明通过改变栅格结构带宽增大可以覆盖X波段；(3)本发明通过小型化频率选择表面技术使得单元尺寸更小在同样面积下聚焦效果强。
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为本发明的结构示意图。
图2为本发明中天线单元的结构示意图。
图3为本发明的整体结构图。
图4为本发明单元贴片层图。
图5为本发明单元栅格层图。
图6为本发明单元介质层图。
图7为本发明天线单元右视图。
图8为本发明聚焦过程示意图。
图9为本发明贴片相位延迟原理图。
图10本发明各频率平行波聚焦效果图。
图11本发明三维成像图。
具体实施方式
一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜，包括若干个呈矩阵形式排列成圆形的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时一个波长，所述天线单元包括依次包括第一单元贴片层1、第一单元介质层2、第一单元栅格层3、第二单元介质层4、第二单元贴片层5、第三单元介质层6、第二单元栅格层7、第四单元介质层8以及第三单元贴片层9，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5以及第三单元贴片层9为完全相同的金属层，所述第一单元栅格层3和第二单元栅格层7完全相同，所述第一单元栅格层3和第二单元栅格层7为金属十字架，且中心镂空一个正方形缺口，并在十字架四角上设置四个L形金属条。当按照矩阵周期排列时L形金属条会合成一个镂空的正方形，相邻两个十字会连接，如图3所示。
进一步的实施例中，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5以及第三单元贴片层9为金属正方形，边长为p1，贴片位置不同有不同的相位延迟，r1为正对焦点的贴片，rN是透镜上任意一位置的贴片，l1为r1到焦点的距离，ln是rn到焦点的距离，通过改变贴片造成的相位延迟来补偿路径产生的相位差值，当平行波照射，经过rn贴片产生的相位延迟比在贴片r1处提前
Figure BDA0002272824720000031
个波长或
Figure BDA0002272824720000032
角度时，经过相位补偿后穿过两贴片的平行波会在焦点位置有相同的相位进而同相聚焦，其中λ为平行波波长，不同的贴片尺寸决定了不同的相位延迟，边长p1的确定方法为：根据单元贴片层位置确定到焦点的距离，根据距离确定相位延迟，根据相位延迟与贴片层边长的对应关系，确定第一单元贴片层1、第二单元贴片层5以及第三单元贴片层9的边长。相位延迟与贴片层边长的关系为：相位延迟为0-29，29-67，67-88，88-113，113-134，134-157，157-195，195-228，228-257，257-294，294-324，324-334，334-360角度时分别对应贴片大小为5.32mm,5.28mm,5.2mm,5.1mm,5mm,4.9mm,4.8mm,4.6mm,4.3mm,4mm,3.6mm,3.2mm,2.8mm。
进一步的实施例中，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5以及第三单元贴片层9厚度为d1＝0.018mm。
进一步的实施例中，正方形缺口边长为a1＝0.6mm，L形金属条边长相同，线宽a4＝0.2mm，边长为a2＝0.8mm，厚度d1＝0.018mm。
进一步的实施例中，十字栅格条宽度为a3＝1mm，十字栅格条长度为a5＝6mm。
进一步的实施例中，所述第一单元介质层2、第二单元介质层4以及第三单元介质层6相同，均为正方形，边长为b1＝6mm，矩阵周期排列时会合成一块大介质层，材质采用Rogers RT6006，厚度为h1＝0.635mm。
由第一单元贴片层按照矩阵圆结构构成第一贴片层，半径为111mm。
所述第一栅格层在一块240mm×240mm厚度为d1的金属板上按照第一单元栅格层镂空形成的，其镂空部分半径为111mm。
所述第一介质层由第一单元介质层周期排布形成，尺寸为240mm×240mm，厚度为h1＝0.635mm。
所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5以及第三单元贴片层9的位置不同尺寸也随之不同，当平行波从一侧入射时，每一个单元贴片层由于尺寸的不同会使得电磁波相位有不同延时，中心位置贴片和边缘位置贴片延时一个波长即360度，由于焦点位置到每一个单元位置不同，到焦点位置远的单元延迟较少，到焦点近的单元延迟较多，贴片尺寸影响相位的延迟，最后经过不同延时的电磁波能量会在另一侧聚焦。入射波波长为λ，r1为焦点正对的中心贴片，rN为透镜上某一贴片，rN贴片到焦点F距离比r1到焦点距离多ln-l1，该距离对应
Figure BDA0002272824720000041
个波长，对应相位则是
Figure BDA0002272824720000042
角度，rN贴片补偿相位为
Figure BDA0002272824720000043
此处电磁波和中心位置电磁波同时到达焦点F，形成同相聚焦，当计算出每一个贴片的延迟则可以得到最终聚焦效果。
本发明的具体工作过程为：平行波入射在本发明上，会在焦点处聚焦，其中平行波在波阵面处相位相同，再经过本发明补偿相位，距离焦点远的平行波补偿相位更多，在虚线圆弧等相位面处相位相同，最终同相位聚焦在焦点。
实施例
一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜，包括若干个呈矩阵形式排列成圆形的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时一个波长，所述天线单元包括依次包括第一单元贴片层1、第一单元介质层2、第一单元栅格层3、第二单元介质层4、第二单元贴片层5、第三单元介质层6、第二单元栅格层7、第四单元介质层8以及第三单元贴片层9，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5以及第三单元贴片层9为完全相同的金属层，所述第一单元栅格层3和第二单元栅格层7完全相同，所述第一单元栅格层3和第二单元栅格层7为金属十字架，且中心镂空一个正方形缺口，并在十字架四角上设置四个L形金属条。当按照矩阵周期排列时L形金属条会合成一个镂空的正方形，相邻两个十字会连接，如图3所示。
如图6所示，本实施例中，边长为b1＝6mm，矩阵周期排列时会合成一块大的介质层，材质采用Rogers RT6006，厚度为h1＝0.635mm。
如图3所示，本实施例中，利用较少的单元按照矩阵方式圆形排列形成。
如图1、图2所示，本实施例中，第一贴片层由第一单元贴片层按照圆结构构成，半径为111mm，第一栅格层在一块240mm×240mm厚度为d1的金属板上按照第一单元栅格层镂空形成的，其镂空部分半径为111mm，第一介质层由第一单元介质层周期排布形成,尺寸为240mm×240mm，厚度为h1＝0.635mm。
如图11所示，本实施例中，是9.5Ghz的空间聚焦效果图，图中入射的平行波经过透镜聚焦在空间形成了高亮区域，完成空间聚焦有很好效果。
本实施例采用一个完整周期的透镜天线，图10为8GHz，9.5Ghz,11Ghz,12Ghz的平行波入射时聚焦效果图，与图11一样平行波都汇聚于空间中一点达到了聚焦的效果，可以从图上方读出聚焦增益，中心频率为9.5Ghz,增益是14.85dB，在8Ghz时增益为11.99dB和11Ghz时增益为13.41dB，分别下降了2.86dB和1.44dB，在12Ghz时增益为10.79dB衰减了4.06dB，在8Ghz-11Ghz时满足衰减3dB的带宽要求，在8Ghz-12Ghz满足衰减4dB的带宽要求，基本覆盖X波段。

Claims (5)

1.一种采用小型化频率选择表面的电磁透镜，其特征在于，包括若干个呈矩阵形式排列成圆形的天线单元，中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时一个波长，所述天线单元包括依次包括第一单元贴片层(1)、第一单元介质层(2)、第一单元栅格层(3)、第二单元介质层(4)、第二单元贴片层(5)、第三单元介质层(6)、第二单元栅格层(7)、第四单元介质层(8)以及第三单元贴片层(9)，所述第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)以及第三单元贴片层(9)为完全相同的金属层，所述第一单元栅格层(3)和第二单元栅格层(7)完全相同，所述第一单元栅格层(3)和第二单元栅格层(7)为金属十字架，且中心镂空一个正方形缺口，并在十字架四角上设置四个L形金属条；所述第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)以及第三单元贴片层(9)为金属正方形，边长为p1，边长p1的确定方法为：根据单元贴片层到焦点的距离，确定相位延迟，根据相位延迟与贴片层边长的对应关系，确定第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)以及第三单元贴片层(9)的边长；根据单元贴片层到焦点的距离，确定相位延迟的具体公式为：
Figure FDA0003534822970000011
式中，l1为r1到焦点的距离，ln是rn到焦点的距离，r1为正对焦点的贴片，rN是透镜上任意一位置的贴片。
2.根据权利要求1所述的采用小型化频率选择表面的电磁透镜，其特征在于，相位延迟与贴片层边长的关系为：相位延迟为0-29，29-67，67-88，88-113，113-134，134-157，157-195，195-228，228-257，257-294，294-324，324-334，334-360角度时分别对应金属正方形边长为：5.32mm,5.28mm,5.2mm,5.1mm,5mm,4.9mm,4.8mm,4.6mm,4.3mm,4mm,3.6mm,3.2mm,2.8mm。
3.根据权利要求1所述的采用小型化频率选择表面的电磁透镜，其特征在于，所述第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)以及第三单元贴片层(9)厚度为d1＝0.018mm。
4.根据权利要求1所述的采用小型化频率选择表面的电磁透镜，其特征在于，所述正方形缺口边长为a1＝0.6mm，L形金属条边长相同，线宽a4＝0.2mm，边长为a2＝0.8mm，厚度d1＝0.018mm。
5.根据权利要求1所述的采用小型化频率选择表面的电磁透镜，其特征在于，十字栅格条宽度为a3＝1mm，十字栅格条长度为a5＝6mm。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1926933A (zh) * 2004-03-01 2007-03-07 新田株式会社 电磁波吸收体
CN104319486A (zh) * 2014-10-14 2015-01-28 西安电子科技大学 一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板
CN107086374A (zh) * 2017-04-07 2017-08-22 南京航空航天大学 一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面及其设计方法
CN107453050A (zh) * 2017-06-20 2017-12-08 南京航空航天大学 基于相位梯度超表面的宽带透镜
CN107834194A (zh) * 2017-10-18 2018-03-23 西安天和防务技术股份有限公司 滤波天线罩
CN108110430A (zh) * 2017-12-18 2018-06-01 哈尔滨工业大学 基于频率选择表面的同极化涡旋波束平面透镜
EP3361571A1 (en) * 2017-02-10 2018-08-15 HPS - High Performance Structures, Gestao e Engenharia Lda Thermal multi-layer insulation and radio-frequency absorber blanket
CN108615974A (zh) * 2018-05-03 2018-10-02 航天特种材料及工艺技术研究所 耗散型宽频带频率选择表面雷达罩
CN208368700U (zh) * 2017-10-18 2019-01-11 西安天和防务技术股份有限公司 低剖面的空间滤波器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8633866B2 (en) * 2010-02-26 2014-01-21 The Regents Of The University Of Michigan Frequency-selective surface (FSS) structures
KR101508074B1 (ko) * 2013-12-26 2015-04-07 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 링 패치를 이용한 주파수 선택 표면
CN108598710B (zh) * 2018-04-02 2021-06-01 上海航天电子有限公司 一种空域移相单元以及由其组成的涡旋波相位板
CN209607914U (zh) * 2019-04-28 2019-11-08 上海铭剑电子科技有限公司 一种频率选择表面周期单元

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1926933A (zh) * 2004-03-01 2007-03-07 新田株式会社 电磁波吸收体
CN104319486A (zh) * 2014-10-14 2015-01-28 西安电子科技大学 一种基于超宽阻带频率选择表面的反射板
EP3361571A1 (en) * 2017-02-10 2018-08-15 HPS - High Performance Structures, Gestao e Engenharia Lda Thermal multi-layer insulation and radio-frequency absorber blanket
CN107086374A (zh) * 2017-04-07 2017-08-22 南京航空航天大学 一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面及其设计方法
CN107453050A (zh) * 2017-06-20 2017-12-08 南京航空航天大学 基于相位梯度超表面的宽带透镜
CN107834194A (zh) * 2017-10-18 2018-03-23 西安天和防务技术股份有限公司 滤波天线罩
CN208368700U (zh) * 2017-10-18 2019-01-11 西安天和防务技术股份有限公司 低剖面的空间滤波器
CN108110430A (zh) * 2017-12-18 2018-06-01 哈尔滨工业大学 基于频率选择表面的同极化涡旋波束平面透镜
CN108615974A (zh) * 2018-05-03 2018-10-02 航天特种材料及工艺技术研究所 耗散型宽频带频率选择表面雷达罩

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.C. Chen ; P.H. Stanton.《Theoretical and experimental results for a thick skew-grid FSS with rectangular apertures at oblique incidence》.《Antennas and Propagation Society Symposium 1991 Digest》.2002,全文. *

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