CN114883765B - 一种基于siw的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面，属于人工电磁材料技术领域。本频率选择表面仅使用一层介质基板，介质基板的两侧表面均设置金属层，在金属层和介质基板上设置通孔，将金属层分设成四个小单元，每个小单元中心开设相同形状的缝隙，从而使得频率选择表面的矩形系数(‑10dB/‑3dB)为1.15，具有双边陡降特性；并且在两个极化下角度稳定性达到40°。
Description
技术领域
本发明属于人工电磁材料技术领域，具体是涉及一种基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(FSS)是一种新型人工电磁材料，在特定频带内，FSS显示透波特性，对电磁波几乎透明，使得电磁波几乎完全透过频率选择表面；而在特定频带外，电磁波则会被反射。频率选择表面的一个重要应用则是滤波器，众所周知，理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间没有严格的界限，在通带和阻带之间会存在一个过渡带，在过渡带中频率成分不会被完全抑制，而是会受到不同程度的衰减。如果截止频率外的频率衰减得越快，则能够减小过渡带的带宽，使得滤波器的性能越接近理想滤波器。
最近几年，研究人员开始利用基片集成波导腔体(Substrate IntegratedWaveguide,SIW)技术来设计频率选择表面，以求获得具有陡峭边带的带通FSS。V.KrushnaKanth和S.Rag havan(EM Design and Analysis of Frequency Selective SurfaceBased on Substrate-Integrate d Waveguide Technology for Airborne RadomeApplication,in IEEE Transactions on Micro wave Theory and Techniques,vol.67,no.5,pp.1727-1739,May 2019,doi:10.1109/TMTT.2019.2905196.)设计了一种基于SIW技术的单边带陡降的带通频率选择表面，中间主体为十字缝隙，然后基于十字缝隙采用渐变的方法沿着十字增大开口；Guo-Wen Chen和Sai-Wai Wong等人(High Roll-Off FrequencySelective Surface With Quasi-Elliptic Bandpass Response,in IEEE Transactionson Antennas and Propagation,vol.69,no.9,pp.5740-5749,Sep t.2021,doi:10.1109/TAP.2021.3060148.)设计了一种基于SIW技术的双边带陡降的频率选择表面，采用耦合矩阵设计流程，设计三个SIW谐振腔级联，每一层金属层设置不同的条形隙槽；Min Tang和Qikun Liu等人(Bandpass frequency selective surface with two sharp side bandsbased on shunted quarter-mode substrate integrated waveguide cavities.MicrowOpt Te chnol Lett.2022；64:446–451)设计了一种基于四分之腔SIW技术的双边带陡降的频率选择表面，在两个不同谐振频率的SIW腔中设置两个不同的L型槽。但上述现有技术中，运用多层级联耦合需要多层介质基板，增大了加工难度；同时运用四分之一腔SIW实现的双边带陡降并没有完全符合标准，其仅使双边短暂地降到-10dB以下，很快就恢复到-10dB以上，使得带外抑制性能较差，而且只能实现一个极化的双边带陡降。
因此，如何设计仅有单层介质层的频率选择表面，使其双边带陡降的高选择性，同时具有双极化特性，就是研究方向之一。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面。本频率选择表面仅使用一层介质基板，介质基板的两侧表面均设置金属层，在金属层和介质基板上设置通孔，将金属层分设成四个小单元，每个小单元中心开设相同形状的缝隙，从而使得频率选择表面的矩形系数(-10dB/-3dB)为1.15，具有双边陡降特性；并且在两个极化下角度稳定性达到40°。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面，所述频率选择表面包括n×n个方形结构单元，所述方形结构单元从上至下依次为第一金属层、介质层和第二金属层；
第一金属层由四个相同大小的子单元构成，形成“田”字型，每个子单元的四边均设置通孔，其中，对角线上两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离相同，且相邻两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离不同；所有通孔的直径相同，对角线上两个单元中相邻两个通孔之间的间距相同；每个子单元的正中心设置“十”字型的缝隙，缝隙的十字臂位于子单元的对角线上；所述“十”字型的缝隙包括中心的“十”字型直线和与直线四个末端相连的弯折线；
所述介质层上设置金属化通孔，金属化通孔的位置与第一金属层的通孔位置一一对应；所述第二金属层与第一金属层结构相同；第一金属层、介质层上的金属化通孔和第二金属层共同形成两组SIW谐振腔，其中，对角线上的两个SIW谐振腔相同，为一组。
进一步地，靠近第一金属层边缘的通孔与第一金属层边缘的距离确定SIW谐振腔的大小，进而影响带外抑制性能；通孔距离金属层边缘的距离越近，谐振频率越小；反之，谐振频率越大。
进一步地，所述“十”字型的缝隙的宽度越大，谐振频率越大；“十”字型缝隙的长度越大，谐振频率减小。
进一步地，所述“十”字型的缝隙的直线长度为0.5mm，缝隙的宽度为0.2mm，弯折线的长度为4.2mm，横弯折线的向宽度为0.51mm。
进一步地，所述介质层的材料为Arlon AD 255C，厚度为1.524mm。
本发明的机理为：
本发明频率选择表面的单元结构具有两组SIW谐振腔，且对角线上的SIW谐振腔相同，因此，整个结构为对称结构，使得整体材料具有双极化特性；基于SIW谐振腔原理，在上下金属层表面设置十字型缝隙，使电磁波可以耦合进出谐振腔，同时由于SIW的谐振腔的作用，在原本FSS的传输极点左右(通孔距离金属层边缘的距离越近的谐振腔产生低频的传输零点，通孔距离金属层边缘的距离越远的谐振腔产生高频的传输零点)分别产生两个传输零点，使得整体实现双边带陡降效果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明频率选择表面可由印刷PCB板(单层)实现，成本低，加工简单。
2.本发明频率选择表面构均具有对称特征，使得整体材料具有双极化特性，且在两个极化下角度稳定性达到40°。
3.本发明频率选择表面在9.8-10.2GHz范围内垂直入射，S11小于-10dB，且S21大于-1dB，显示全透射特性；在8.0-9.8GHz和10.2-12GHz范围内，S11大于-1dB，S21小于-10dB，显示反射特性。
4.本发明频率选择表面-10dB带宽与-3dB的比值1.15非常接近于1(理想带通滤波器比值为1)，实现了很好的双边带陡降效果。
附图说明
图1为本发明频率选择表面结构单元的结构示意图。
图2为本发明频率选择表面的等效电路图。
图3为本发明频率选择表面在TE极化下的频率响应仿真结果图。
图4为本发明频率选择表面在TM极化下的频率响应仿真结果图。
图5为本发明频率选择表面的ADS等效电路仿真结果与CST仿真结果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面，其结构示意图如图1所示，所述频率选择表面包括n×n个方形结构单元，所述方形结构单元从上至下依次为第一金属层(1)、介质层(2)和第二金属层(3)；
第一金属层(1)由四个相同大小的子单元构成，形成“田”字型，每个子单元的四边均设置通孔，其中，对角线上两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离相同，且相邻两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离不同；所有通孔的直径相同，相邻两个通孔之间的间距相同；每个子单元的正中心设置“十”字型缝隙(4)，缝隙的十字臂位于子单元的对角线上；所述“十”字型缝隙包括中心的“十”字型直线和与直线四个末端相连的弯折线；
所述介质层(2)上设置金属化通孔，金属化通孔的位置与第一金属层(1)的通孔位置一一对应；所述第二金属层(3)与第一金属层(1)结构相同；第二金属层、介质层和第一金属层的通孔分别形成两组SIW谐振腔。
实施例1
频率选择表面包括2×2个方形结构单元，介质层(2)的尺寸为17mm×17mm，即边长为17mm，厚度为1.5mm，材料为Arlon AD 255C，四周均匀开有48个通孔，每边各13个通孔，通孔贯通三层材料，通孔直径为0.8mm；第一金属层(1)四个子单元中心的“十”字型缝隙的弯折线长度为4.2mm，横向宽度为0.51mm，直线宽度为0.2mm；
对角线上两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离为1mm，相邻的子单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离为2mm。
图2为本发明基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面的等效电路图。如图2所示，这个是二端口网络，左端口发射平面波经过FSS然后右端口接收，从而获得仿真结果。自由空间Z0为377Ω，所以在电路中把端口阻抗也设置成377Ω，电路两端阻抗Z0(377Ω)拟合成自由空间的状态进行阻抗匹配；两端端口附近的C1(0.027pF)表示相邻两个子单元之间的耦合作用；LFSS(0.923nH)和CFSS(0.273pF)表示十字型缝隙的电容-电感并联谐振电路，缝隙部分表示CFSS，金属部分表示LFSS。
其中每个SIW谐振腔的上下金属表面均进行了十字缝隙的开槽，所以在电路中有四部分完全一样的CFSS和LFSS组成的电容-电感并联谐振电路；CL1(0.040pF),LL1(3.201nH),LL2(1.322nH),CL2(0.130pF)组成的电容-电感串联与电容-电感并联表示SIW谐振腔的等效模式，上层这一组谐振电路主要拟合通孔距离金属层边缘的距离越近的SIW的谐振腔，作用于左边带以实现陡降效果；CR1(0.076pF),LR1(0.900nH),LR2(1.368nH),CR2(0.068pF)下层这一组谐振主要拟合通孔距离金属层边缘的距离越远的SIW谐振腔，作用于右边带以实现陡降效果。
对本实施例的频率选择表面进行电磁仿真，采用周期边界条件，双极化波垂直入射时TE极化下的频率响应仿真结果图如图3所示，TM极化下的频率响应仿真结果图如图4所示。横坐标为频率，纵坐标为S参数。S21传输特性曲线，越接近0dB为通带，小于-10dB为阻带。从图中可以看出，本发明频率选择表面具有带通特性且具有较高的角度稳定性，在0-40度下显示较为稳定的结果。
图5为本发明频率选择表面的ADS等效电路仿真结果与CST仿真结果对比图。从图中可以看出，在TE、TM波模式下，在9.8-10.2GHz范围内垂直入射，S11小于-10dB，且S21大于-1dB，显示全透射特性；在在8.0-9.8GHz和10.2-12GHz范围内，S11大于-1dB，S21小于-10dB，显示反射特性。且CST仿真结果与如图2所示的等效电路理论结果吻合度极高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.一种基于SIW的单层双极化双边带高选择性的频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面包括n×n个方形结构单元，所述方形结构单元从上至下依次为第一金属层、介质层和第二金属层；
第一金属层由四个相同大小的子单元构成，形成“田”字型，每个子单元的四边均设置通孔，其中，对角线上两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离相同，且相邻两个单元的靠近第一金属层边缘的通孔距离第一金属层边缘的距离不同；所有通孔的直径相同，对角线上两个单元中相邻两个通孔之间的间距相同；每个子单元的正中心设置“十”字型的缝隙，缝隙的十字臂位于子单元的对角线上；所述“十”字型的缝隙包括中心的“十”字型直线和与直线四个末端相连的弯折线；
所述介质层上设置金属化通孔，金属化通孔的位置与第一金属层的通孔位置一一对应；所述第二金属层与第一金属层结构相同；第一金属层、介质层上的金属化通孔和第二金属层共同形成两组SIW谐振腔，其中，对角线上的两个SIW谐振腔相同，为一组SIW谐振腔。
2.如权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于，靠近第一金属层边缘的通孔与第一金属层边缘的距离确定SIW谐振腔的大小，进而影响带外抑制性能；通孔距离金属层边缘的距离越近，谐振频率越小；反之，谐振频率越大。
3.如权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于，所述“十”字型的缝隙的宽度越大，谐振频率越大；“十”字型缝隙的长度越大，谐振频率减小。
4.如权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于，所述“十”字型的缝隙的直线长度为0.5mm，缝隙的宽度为0.2mm，弯折线的长度为4.2mm，弯折线的横向宽度为0.51mm。
5.如权利要求1所述的频率选择表面，其特征在于，所述介质层的材料为Arlon AD255C，厚度为1.524mm。
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