CN114171925A - 一种高谐振比率的双阻带频率选择表面结构及单元结构 - Google Patents
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Abstract
一种高谐振比率的双阻带频率选择表面结构及单元结构，属于电磁波技术领域，其特征在于：包括金属层和介质基板；金属层上设置有方环形贴片和菱环组合形贴片；菱环组合形贴片的中心与所述金属层的中心重合；菱环组合形贴片由菱环形贴片通过围绕结构中心依次旋转45°组合设置而成；方环形贴片环绕于菱环组合形贴片四周设置。本发明所述结构尺寸小，能满足器件追求小型化的需求；具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波照射时谐振频率偏差属于可接受范围之内，始终具有高谐振比率特性；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第一谐振频率偏差在可接受范围之内始终具有高谐振比率特性。
Description
技术领域
本发明属于电磁波技术领域，尤其涉及一种高谐振比率的双阻带频率选择表面结构及单元结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种无源二维阵列周期结构，对电磁波具有选择作用，基于其结构设计可对特定频率电磁波表现出反射或者透射能力。一般的频率选择表面结构可分为贴片型和缝隙型两种，贴片型表现出带阻特性，缝隙型表现出带通特性。基于频率选择表面独特的滤波性能，已经成为研究热门，并且已广泛应用于天线、超材料、微波器件设计等领域。
现有的频率选择表面的不足之处在于其滤波频段单一、滤波特性较差，不能满足更多场景和更高性能的要求，此外，对于频段跨度较大的双频设备无法适配，主要表现在结构稳定性较差、结构设计无法实现高谐振比率等方面，并且现有频率选择表面结构单元尺寸较大，结构整体厚度偏高，已不能满足当下追求小型化结构的迫切需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高谐振比率的双阻带频率选择表面结构及单元结构。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，本发明提供一种高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，包括自上而下依次设置的金属层和介质基板；所述金属层上设置有方环形贴片和菱环组合形贴片；所述菱环组合形贴片的中心与所述金属层的中心重合；所述菱环组合形贴片由菱环形贴片通过围绕结构中心依次旋转45°组合设置而成；所述方环形贴片环绕于菱环组合形贴片四周设置。
进一步，本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，所述方环形贴片和菱环组合形贴片既是轴对称结构也是中心对称结构。
进一步，本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，所述菱环组合形贴片包括八个菱环形贴片。
进一步，本发明所述具有高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，所述介质基板为方形结构。
进一步，本发明所述具有高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，所述金属层与介质基板中心重合。
进一步，本发明所述具有高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，所述介质基板由耐燃材料制成；所述金属层由金属制成；所述金属包括铜或铝或金。
进一步，本发明所述具有高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，所述金属层的外围尺寸为7.9mm*7.9mm；所述介质基板的尺寸为8mm*8mm；以满足小型化结构的趋势。
第二方面，本发明提供一种高谐振比率的双阻带频率选择表面结构，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、本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面结构尺寸小，其单元结构的表面尺寸仅为8mm*8mm，能够满足如今器件追求小型化的需求。
2、本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面结构具有双频段带阻特性，可实现在-10dB深度下频段2.33-6.31GHz和18.23-28.78GHz上的带阻效果。
3、本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面结构的谐振频率为4.25GHz和25.32GHz，谐振频率比为5.96，具有高谐振比率特性。
4、本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面结构具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波照射时谐振频率偏差属于可接受范围之内，始终具有高谐振比率特性。
5、本发明所述高谐振比率的双阻带频率选择表面结构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第一谐振频率偏差在可接受范围之内，第二谐振频率偏差较大，但始终具有高谐振比率特性。
附图说明
图1为本发明实施例所述双阻带频率选择表面单元结构的立体图；
图2为本发明实施例所述双阻带频率选择表面单元结构的侧视图；
图3为本发明实施例所述双阻带频率选择表面单元结构金属层的主视图；
图4为本发明实施例所述双阻带频率选择表面多单元结构的立体图；
图5为本发明实施例所述双阻带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为本发明实施例所述双阻带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为本发明实施例所述双阻带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双阻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-金属层；11-方环形贴片；12-菱环组合形贴片；121-菱环形贴片；2-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高谐振比率的双阻带频率选择表面进行详细说明。
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，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，本公开实施例的频率选择表面单元结构自上而下依次包括金属层1和介质基板2。在本公开实施例中，介质基板2由相对介电常数为4.4，电切损耗为0.02的耐燃材料制成。金属层1由铜(Cu)制成。金属层1外围为方形结构，尺寸为7.9mm*7.9mm，介质基板为方形结构，表面尺寸为8mm*8mm。另外，在本公开实施例中，介质基板2厚度为1mm；金属层1的厚度在0.017mm-0.035mm范围内。本公开实施例的频率选择表面单元结构尺寸小，单元整体结构的表面尺寸为8mm*8mm，可满足如今器件小型化结构的趋势。
在本公开实施例中，所述金属层1上设置有方环形贴片11和菱环组合形贴片12；所述菱环组合形贴片12的中心与所述金属层1中心重合；所述菱环组合形贴片12由菱环形贴片121通过围绕结构中心依次旋转45°组合设置而成；所述方环形贴片11环绕于菱环组合形贴片12四周设置。
在本公开实施例中，所述方环形贴片11和菱环组合形贴片12既是轴对称结构也是中心对称结构；所述菱环组合形贴片12包括八个菱环形贴片，基于菱环形贴片121围绕结构中心依次旋转45°形成；所述金属层1依附于介质基板2之上；所述金属层1与介质基板2中心重合。
下表1是本公开实施例提供的金属层1的详细几何参数。
表1.金属层的详细几何参数
| 参数 | W1 | W2 | W3 |
| 值 | 6.4mm | 0.32mm | 0.75mm |
| 参数 | L1 | L2 | L3 |
| 值 | 6.4mm | 1.9mm | 1.22mm |
| 参数 | θ | DX | DY |
| 值 | 45° | 7.9mm | 7.9mm |
本发明的另一公开实施例提供了一种高谐振比率的双阻带频率选择表面多单元结构，所述频率选择表面结构包括M×N个周期性排布的如上述实施例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。如图4所示，在本公开实施例中，该频率选择表面结构包括10×10个单元结构；在具体应用中，可根据实际需求所述频率选择表面结构可以包括20×20，30×30，40×40，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，本公开实施例利用商业仿真软件HFSS对该FSS结构进行了多项性能仿真分析。
图5是本实施例提供的高谐振比率的双阻带频率选择表面在TE极化模式下的滤波性能仿真图；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结构的两个谐振频率为4.25GHz和25.32GHz，谐振频率比为5.96。在4.25GHz谐振点，插入损耗为-47.74dB，在-10dB处带宽为3.94GHz；在25.32GHz谐振点，插入语损耗为-37.86dB，在-10dB处带宽为10.55GHz。也就是说，在TE极化模式下，该FSS结构对频率在4.25GHz和25.32GHz周围的信号具有完美的带阻效果。
图6是本实施例提供的高谐振比率的双阻带频率选择表面在TM极化模式下的滤波性能仿真图。从图6中的回波损耗(S11)和插入损耗(S21)可以看出，本公开实施例的FSS结构的两个谐振频率为4.05GHz和25.30GHz，谐振频率比为6.25。在4.05GHz谐振点，插入损耗为-48.01dB，在-10dB处带宽为4.07GHz；在25.30GHz谐振点，插入损耗为-37.78dB，在-10dB处带宽为10.64GHz。也就是说，在TM极化模式下，该FSS结构对频率在4.05GHz和25.30GHz频点周围的信号具有完美的带阻效果。
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，具有双阻带性能，两个谐振频率保持稳定，即具有出色的极化稳定性。
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°和45°的入射波照射，可以获得该结构的频率特性。图7是本实施例提供的高谐振比率的双阻带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是本实施例提供的高谐振比率的双阻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。
从图7中可以看出，该FSS结构在4.25GHz和25.32GHz频点处具有强大的角度稳定性和出色的带阻特性，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，谐振频率比始终保持在5.0左右，具有优异信号传输能力和抗干扰能力。
从图8中可以看出，该FSS结构在4.05GHz和25.30GHz频点处依然具有出色的角度稳定性和滤波特性，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，谐振频率比始终保持在5.0左右，具有优异信号传输能力和抗干扰能力。
综合图7和图8的性能仿真图可以看出，此FSS结构在TE模式和TM模式下，以入射角度为0°、15°、30°和45°的入射波照射时，始终具有双阻带效果，且谐振比率保持稳定，即确定此结构具有优秀的角度稳定性。
本公开实施例所述高谐振比率的双阻带频率选择表面结构在4.25GHz(C波段)和25.32GHz(K波段)附近处具有极强的带阻特性，能够完美适配于跨度较大的双频段设备中。
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 (8)
1.一种高谐振比率的双阻带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金属层(1)和介质基板(2)；所述金属层(1)上设置有方环形贴片(11)和菱环组合形贴片(12)；所述菱环组合形贴片(12)的中心与所述金属层(1)的中心重合；所述菱环组合形贴片(12)由菱环形贴片(121)通过围绕结构中心依次旋转45°组合设置而成；所述方环形贴片(11)环绕于菱环组合形贴片(21)四周设置。
2.根据权利要求1所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，其特征在于：所述方环形贴片(11)和菱环组合形贴片(12)既是轴对称结构也是中心对称结构。
3.根据权利要求1所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，其特征在于：所述菱环组合形贴片(12)包括八个菱环形贴片(121)。
4.根据权利要求1所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，其特征在于：所述介质基板(2)为方形结构。
5.根据权利要求1所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，其特征在于：所述金属层(1)与介质基板(2)中心重合。
6.根据权利要求1所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，其特征在于：所述介质基板(2)由耐燃材料制成；所述金属层(1)由金属制成；所述金属包括铜或铝或金。
7.根据权利要求1所述高谐振比率的双阻带频率选择表面单元结构，其特征在于：所述金属层(1)的外围尺寸为7.9mm*7.9mm；所述介质基板(2)的尺寸为8mm*8mm。
8.一种高谐振比率的双阻带频率选择表面结构，其特征在于：包括M×N个周期性排布的如权利要求1至7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。
Priority Applications (1)
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