CN113161756A - 一种具有紧密间隔特性的频率选择表面结构及其单元结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有紧密间隔特性的频率选择表面结构及其单元结构，属于电磁波技术领域，其特征在于：包括自上而下依次设置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层和第二介质基板；所述第一金属层上开设有“卍”字型缝隙和“井”字型缝隙；所述“卍”字型缝隙位于结构中心位置；所述“井”字型缝隙共四个，分别位于“卍”字型缝隙分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置；本发明具有紧密间隔特性的频率选择表面结构具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波垂直照射时谐振频率无偏差，对结构性能无影响；同时具有非常好的角度稳定性，在TE和TM模式下，以不同角度入射波照射时谐振频率和带宽变化较小，对结构性能无影响。
Description
技术领域
本发明属于电磁波技术领域，尤其涉及一种具有紧密间隔特性的频率选择表面结构及其单元结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种基于特定图形组成的周期性二维表面结构，其具有出色的电磁选择滤波功能，它本身不吸收电磁能量，但是却能够有效的控制入射电磁波的传输和反射，而且还可以对电磁波实现频率选择和极化选择的特性，一般分为缝隙型结构和贴片型结构。基于其出色的滤波特性，一般可被应用于天线罩、雷达罩、吸波材料、天线等方面。
现有的频率选择表面的不足之处在于现有多频段频率间隔较大、谐振频率比过高、在高频段处结构稳定性较差，不能满足当下更多场景和更高性能的要求，并且现有FSS结构单元尺寸较大，已不能满足当下追求小型化结构的需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有紧密间隔特性的频率选择表面结构及其单元结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，包括自上而下依次设置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层和第二介质基板；所述第一金属层和第二金属层上均设置有缝隙；其中，所述第一金属层(1)上开设有“卍”字型缝隙和“井”字型缝隙；所述“卍”字型缝隙位于结构中心位置；所述“井”字型缝隙共四个，分别位于“卍”字型缝隙分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置；所述“卍”字型缝隙和“井”字型缝隙相连接；
所述第二金属层上开设有十字型缝隙和回字纹型缝隙；所述十字型缝隙位于结构中心位置；所述回字纹型缝隙共四个，分别位于十字型缝隙分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述第一金属层和所述第二金属层上设置的缝隙均为中心对称结构。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述“井”字型缝隙包括一个第一矩形缝隙、一个第二矩形缝隙、一个第三矩形缝隙和一个第四矩形缝隙；所述第一矩形缝隙和第三矩形缝隙分别与第二矩形缝隙和第四矩形缝隙平行设置；所述第一矩形缝隙和第二矩形缝隙均与第三矩形缝隙和第四矩形缝隙相连接。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述第一矩形缝隙和第三矩形缝隙相互垂直设置；所述第二矩形缝隙和第四矩形缝隙相互垂直设置。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述第一矩形缝隙、第二矩形缝隙、第三矩形缝隙和第四矩形缝隙长度、宽度完全相同。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述“卍”字型缝隙和“井”字型缝隙通过第一矩形缝隙、第二矩形缝隙、第三矩形缝隙和第四矩形缝隙相连接。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述十字型缝隙和所述回字纹型缝隙通过第五矩形缝隙连接。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述十字型缝隙和第五矩形缝隙连接部位垂直。
进一步，本发明所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，所述第一介质基板和第二介质基板由耐燃材料制成；所述第一金属层和第二金属层由金属制成；所述金属包括铜或铝或金。
第二方面，本发明提供一种具有紧密间隔特性的频率选择表面结构，包括M×N个周期性排布的如第一方面任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明具有紧密间隔特性的频率选择表面结构在2.33GHz、5.54GHz和8.88GHz三个频点附近处都具有极强的带阻滤波特性，能够保护工作在此三频点的信号被有效屏蔽，防止干扰。
2、本发明具有紧密间隔特性的频率选择表面结构三个谐振频点比例为1：2.38：3.81，谐振点紧凑排列，结构间互耦影响弱。
3、本发明具有紧密间隔特性的频率选择表面结构具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波垂直照射时谐振频率无偏差，对结构性能无影响；同时具有非常好的角度稳定性，在TE和TM模式下，以不同角度入射波照射时谐振频率和带宽变化较小，对结构性能无影响。
附图说明
图1是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构的侧视图；
图2是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构第一金属层的主视图；
图3是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构第二金属层的主视图；
图4是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面多单元结构的立体图；
图5是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面结构在TE极化模式下的滤波性能仿真图；
图6是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面结构在TM极化模式下的滤波性能仿真图；
图7是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的频率选择表面结构在TE极化模式下的角度稳定性能仿真图；
图8是本发明实施例所述具有紧密间隔特性的三频带频率选择表面结构在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图；
其中：1-第一金属层；11-“卍”字型缝隙；12-“井”字型缝隙；121-第一矩形缝隙；122-第二矩形缝隙；123-第三矩形缝隙；124-第四矩形缝隙；2-第一介质基板；3-第二金属层；21-十字型缝隙；22-“回字纹型缝隙；221-第五矩形缝隙；4-第二介质基板。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的具有紧密间隔特性的频率选择表面结构及其单元结构进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1、图2、图3所示，本实施例的频率选择表面单元结构自上而下依次包括第一金属层1、第一介质基板2、第二金属层3、第二介质基板4。在本公开实施例中，第一介质基板2和第二介质基板4由相对介电常数为6.15，电切损耗为0.0019的耐燃材料制成。第一金属层1和第二金属层3由铜(Cu)制成。第一金属层1、第一介质基板2、第二金属层3、第二介质基板4均为正方形结构，单元表面尺寸均为10mm*10mm。该频率选择表面结构尺寸很小，满足小型化结构的趋势。另外，在本实施例中，第一介质基板2和第二介质基板4厚度均为0.88mm；第一金属层1和第二金属层3的厚度在0.017mm-0.035mm范围内。
在本公开实施例中，第一金属层1上开设有“卍”字型缝隙11和“井”字型缝隙12，所述“卍”字型缝隙11位于结构中心位置；所述“井”字型缝隙12共四个，分别位于“卍”字型缝隙11分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置；
在本公开实施例中，第二金属层3上开设有十字型缝隙21和回字纹型缝隙22，所述十字型缝隙21位于结构中心位置，所述回字纹型缝隙22共四个，分别位于十字型缝隙21分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置。
具体地，第一金属层1和所述第二金属层3上设置的缝隙均为中心对称结构。所述“井”字型缝隙12由一个第一矩形缝隙121、一个第二矩形缝隙122、一个第三矩形缝隙123和一个第四矩形缝隙124组成。第一矩形缝隙121、第二矩形缝隙122、第三矩形缝隙123和第四矩形缝隙124长度、宽度完全相同。所述第一矩形缝隙121和第三矩形缝隙123垂直，第二矩形缝隙122和第四矩形缝隙124垂直。所述第一矩形缝隙121和第三矩形缝隙123分别与所述第二矩形缝隙122和第四矩形缝隙124平行设置。所述“卍”字型缝隙11和“井”字型缝隙12通过第一矩形缝隙121、第二矩形缝隙122、第三矩形缝隙123和第四矩形缝隙124相连接。所述十字型缝隙21和所述回字纹型缝隙22通过第五矩形缝隙221连接，所述十字型缝隙21和第五矩形缝隙221连接部位垂直。
在本公开实施例中，提供的第一金属层1和第二金属层3的详细几何参数如表1所示。
表1.金属层的详细几何参数(单位：mm)
| 参数 | W1 | W2 | W3 | W4 | W5 | W6 | W7 |
| 值 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1.25 | 1.0 | 1.0 |
| 参数 | W8 | W9 | W10 | W11 | W12 | L1 | L2 |
| 值 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 0.9 | 2.2 | 3.75 | 4.75 |
| 参数 | L3 | L4 | L5 | L6 | L7 | L8 | L9 |
| 值 | 1.0 | 1.6 | 0.4 | 1.0 | 3.0 | 9.8 | 0.4 |
| 参数 | L10 | DX1 | DX2 | DY1 | DY2 | ||
| 值 | 3.25 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 |
本公开的另一实施例提供了一种具有紧密间隔特性的频率选择表面多单元结构，如图4所示，在本实施例中，该频率选择表面结构包括5×5个单元结构，在具体应用中，根据实际使用需要，所述频率选择表面结构可以包括10×10，20×20，40×40，甚至更多的上述单元结构。
为了验证本实施例的频率选择表面结构(FSS结构)的性能，利用商业仿真软件HFSS对该FSS结构进行了多项性能仿真分析。
如图5和图6所示，从图5中的回波损耗(S11)和插入损耗(S21)可以看出，本实施例的FSS结构的三个谐振频率为2.33GHz、5.54GHz和8.87GHz，三个谐振频点比例为1：2.38：3.81，谐振点紧凑排列。在2.33GHz谐振点，插入损耗为-57.44dB，在-10dB处带宽为2351MHz；在5.54GHz谐振点，插入损耗为-52.93dB，在-10dB处带宽为719MHz；在8.87GHz谐振点，插入损耗为-49.52dB，在-10dB处带宽为1462MHz。也就是说，在TE极化模式下，该FSS结构对频率在2.33GHz、5.54GHz和8.87GHz周围的信号具有完美的反射效果，能够很好地屏蔽带内信号，防止干扰。
从图6中的回波损耗(S11)和插入损耗(S21)可以看出，本实施例的FSS结构的三个谐振频率为2.33GHz、5.53GHz和8.89GHz，三个谐振频点比例为1：2.37：3.82，谐振点紧凑排列。在2.33GHz谐振点，插入损耗为-57.71dB，在-10dB处带宽为2350MHz；在5.53GHz谐振点，插入损耗为-49.83dB，在-10dB处带宽为1224MHz；在8.89GHz谐振点，插入损耗为-51.15dB，在-10dB处带宽为1519MHz。也就是说，在TE极化模式下，该FSS结构对频率在2.33GHz、5.53GHz和8.89GHz周围的信号具有完美的反射效果，能够很好地屏蔽带内信号，防止干扰。
综合图5和图6的性能仿真图，可以看出，此结构在TE模式和TM模式下，具有三阻带性能，且三个谐振频点比例约为1：2.4：3.8，谐振点紧凑排列，即具有出色的极化稳定性和紧凑特性。
此外，为了研究本实施例的FSS结构的角度稳定性，其在TE模式和TM模式下以入射角度为0°、15°、30°、45°和60°的入射波照射，可以获得该结构的频率特性。如图7和图8所示，该FSS结构在2.33GHz、5.54GHz和8.87GHz频点处具有强大的角度稳定性和出色的阻带特性，在不同角度电磁入射波照射下，频率偏差在可接受范围之内，具有优异信号反射能力和屏蔽能力。表2是实施例的FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。
表2.FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真参数
从图8中可以看出，该FSS结构在2.33GHz、5.53GHz和8.89GHz频点处依然具有出色的角度稳定性和反射特性，在不同角度电磁入射波照射下，频率偏差在可接受范围之内，具有优异信号反射能力和屏蔽能力。表3是本实施例的FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。
表3.FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真参数
综合图7和图8的性能仿真图以及表2和表3的仿真参数可以看出，此FSS结构在TE模式和TM模式下，以入射角度为0°、15°、30°、45°和60°的入射波照射时，具有三阻带性能，且三个谐振点紧凑排列，即确定此结构具有优秀的角度稳定性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：包括自上而下依次设置的第一金属层(1)、第一介质基板(2)、第二金属层(3)和第二介质基板(4)；所述第一金属层和第二金属层上均设置有缝隙；其中，所述第一金属层(1)上开设有“卍”字型缝隙(11)和“井”字型缝隙(12)；所述“卍”字型缝隙(11)位于结构中心位置；所述“井”字型缝隙(12)共四个，分别位于“卍”字型缝隙(11)分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置；所述“卍”字型缝隙(11)和“井”字型缝隙(12)相连接；
所述第二金属层(3)上开设有十字型缝隙(21)和回字纹型缝隙(22)；所述十字型缝隙(21)位于结构中心位置；所述回字纹型缝隙(22)共四个，分别位于十字型缝隙(21)分隔开的四个区域内，并围绕结构中心依次旋转90°设置。
2.根据权利要求1所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述第一金属层(1)和所述第二金属层(3)上设置的缝隙均为中心对称结构。
3.根据权利要求1所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述“井”字型缝隙(12)包括一个第一矩形缝隙(121)、一个第二矩形缝隙(122)、一个第三矩形缝隙(123)和一个第四矩形缝隙(124)；所述第一矩形缝隙(121)和第三矩形缝隙(123)分别与第二矩形缝隙(122)和第四矩形缝隙(124)平行设置；所述第一矩形缝隙(121)和第二矩形缝隙(122)均与第三矩形缝隙(123)和第四矩形缝隙(124)相连接。
4.根据权利要求3所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述第一矩形缝隙(121)和第三矩形缝隙(123)相互垂直设置；所述第二矩形缝隙(122)和第四矩形缝隙(124)相互垂直设置。
5.根据权利要求3所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述第一矩形缝隙(121)、第二矩形缝隙(122)、第三矩形缝隙(123)和第四矩形缝隙(124)长度、宽度完全相同。
6.根据权利要求3所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述“卍”字型缝隙(11)和“井”字型缝隙(12)通过第一矩形缝隙(121)、第二矩形缝隙(122)、第三矩形缝隙(123)和第四矩形缝隙(124)相连接。
7.根据权利要求1所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述十字型缝隙(21)和所述回字纹型缝隙(22)通过第五矩形缝隙(221)连接。
8.根据权利要求7所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于：所述十字型缝隙(21)和第五矩形缝隙(221)连接部位垂直。
9.根据权利要求1所述具有紧密间隔特性的频率选择表面单元结构，其特征在于，所述第一介质基板(2)和第二介质基板(4)由耐燃材料制成；所述第一金属层(1)和第二金属层(3)由金属制成；所述金属包括铜或铝或金。
10.一种具有紧密间隔特性的频率选择表面结构，其特征在于：包括M×N个周期性排布的如权利要求1至9中任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。
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| CN109524789A (zh) * | 2018-09-28 | 2019-03-26 | 西安电子科技大学 | 一种应用于s波段的改进型fss结构 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李毅: "面向电磁防御的频率选择表面设计与应用研究", 中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑(月刊), no. 01, 15 January 2024 (2024-01-15), pages 68 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113161756B (zh) | 2024-10-15 |
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