CN114883808B - 一种基于siw的单层三通带频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于SIW的单层三通带频率选择表面，属于人工电磁材料技术领域。该频率选择表面仅设置一层介质基板，通过SIW技术与传统方环型FSS相结合，实现三个通带，且该频率选择表面具有对称特征，使得整体具有双极化特性，且在不同极化下可以保持高达40°的高角度稳定性。

Description

一种基于SIW的单层三通带频率选择表面
技术领域
本发明属于人工电磁材料技术领域，具体涉及一种基于SIW的单层三通带频率选择表面。
背景技术
在现代战略发展中，隐身与反隐身已成为日益重要的发展方向。实现电磁隐身的目的通常有以下手段：1.在飞机或者舰船等装备的表面涂覆能够吸收电磁波的特种材料；2.基于电磁散射理论的特殊外形设计，使装备的雷达散射截面降低。然而，这两种方法都不适用于天线隐身，因为天线作为重要散射源之一，以上两种方法均会影响天线的工作性能。
频率选择表面(FSS)是一种新型人工电磁材料，广泛用于天线罩、反射器、偏振器和空间滤波器。在特定频带内，FSS显示透波特性，对电磁波几乎透明，电磁波几乎完全透过频选表面；而在特定频带外，电磁波会被反射。随着近年来无线通信设备的增多，频谱资源的日益紧张，单频段天线已不能满足无线通信需求。为了解决这个问题，多频段天线应运而生。最近几年，研究人员广泛的利用SIW技术来设计频率选择表面以求获得基于SIW的多通带FSS。如V.Krushna Kanth and S.Raghavan等人(V.K.Kanth and S.Raghavan,"Dual-band frequency selective surface based on shunted SIW cavity technology,"IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,vol.30,pp.245-248,2020)设计了一种基于SIW技术的双通带频率选择表面，通过使用圆型SIW谐振腔加圆环与十字缝隙分别形成一个通带，但其中通过SIW与FSS相结合构成的通带只有一个。H.B.Wang and Y.J.Cheng(H.B.Wang and Y.J.Cheng,"Four-band Frequency Selective Surface Based onQuarter-Mode Substrate Integrated Waveguide Technology",2016IEEE MTT-SInternational Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processesfor RF and THz Applications IMWS-AMP 2016-Proceeding,October 11,2016.)设计了一种基于SIW四分之一模式的四通带频率选择表面，通过四组不同的谐振腔和与谐振腔相互匹配的缝隙分别形成各自的通带。G.Q.Luo,W.Hong等人(G.Q.Luo,W.Hong,H.J.Tang,J.X.Chen and K.Wu,"Dualband frequency-selective surfaces using substrate-integrated waveguide technology",IET Microw.Antennas Propag.,vol.1,no.2,pp.408-413,2007.)通过在大小方环结构的FSS周期结构单元加入SIW谐振腔优化了双通带FSS的选通性。但在上述现有技术中，每个SIW谐振腔均只对应一个通带。设计多个谐振腔进而形成多通带，这样会增大单元的整体尺寸，并且一个单元中拥有多个谐振腔，难以做到保持整体结构对称进而无法很好在两个极化入射的时候保持相同的性能指标。同时由于单元尺寸变大了，角度稳定性必然会受到影响。
因此，如何基于较少的SIW谐振腔个数能够获得较多的通带数是极具有意义的。
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的单层三通带频率选择表面。该频率选择表面仅设置一层介质基板，通过SIW技术与传统方环型FSS相结合，实现三个通带，且该频率选择表面同时具有双极化特性，在不同极化下可以保持高达40°的高角度稳定性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于SIW的单层三通带频率选择表面，包括n×n个正方形结构单元，所述正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；
所述第一金属层边缘和两条对称轴上均设置通孔，将第一金属层均匀分割成四个小正方形，每个小正方形中心设置形状相同的缝隙；其中，对角线上的缝隙的尺寸相同，相邻的缝隙尺寸不同；第二金属层的结构与第一金属层的结构相同；介质层上设置金属化通孔，通孔的位置与第一金属层通孔的位置相对应；第一金属层、介质层金属化通孔和第二金属层共同构成SIW谐振腔。
进一步地，尺寸较大的两个缝隙与SIW谐振腔决定低频通带，尺寸较小的两个缝隙与SIW谐振腔决定高频通带，大缝隙和小缝隙与SIW谐振腔相互耦合共同决定中间通带。
进一步地，每个通孔的直径相同，为ds，通孔与通孔之间的间距相同，为dp，且ds<dp<2ds，有利于减少能量的泄露。
进一步地，所述缝隙为环形缝隙或圆环形缝隙。
进一步地，介质层材料为Arlon AD 300C。
进一步地，结构单元的个数有周期边界条件决定，优选为n≥16。
进一步地，介质层的边长为15mm，厚度为1.524mm，介质层上设置81个金属化通孔；通孔直径为0.5mm，通孔间隔为1mm；较大的方环形金属缝隙的内边长为4.6mm，较小的方环形金属缝隙的内边长为3.6mm，缝隙的宽度为0.2mm。
本发明的机理为：结构单元中由沿着对角线完全一样的两个缝隙与SIW谐振腔构成新的谐振腔；其中，低频电磁波通过大尺寸缝隙产生谐振，此时缝隙产生的谐振频率为f1，电磁波在新的谐振腔中会产生低频耦合谐振频率f2(f2>f1)；高频电磁波通过小尺寸缝隙产生谐振，此时缝隙产生的谐振频率为f3，电磁波在新的谐振腔中会产生高频耦合谐振频率f4(f4>f3)；
保持大尺寸缝隙的尺寸不变，调整小尺寸缝隙的尺寸，进而调整谐振频率。当f1<f2<f3<f4时，表现为两个独立的两个通带，每个通带为最初始的双谐振点；当f1<f2≈f3<f4时，低频耦合谐振频率f2和小尺寸缝隙谐振产生的谐振频率f3初步开始发生共振，但是因为谐振频率f2和谐振频率f3没有产生良好的共振，所以中间通带会存在凹陷，插损较大，不能达到行业使用指标；当f1<f3≈f2<f4时，低频耦合谐振频率f2与小尺寸缝隙产生f3产生了很好的共振，使得产生一个通带平坦、插损很小的通带，并且由于本身是两个通带的交叠，大尺寸缝隙f1与小尺寸缝隙f3相互靠近，导致中间通带的左边带产生了陡降的效果，低频耦合谐振频率f2与高频耦合谐振频率f4相互靠近，导致中间通带的右边带产生了陡降的效果；当小尺寸缝隙的尺寸接近大尺寸缝隙的尺寸时，虽然双边带仍保持了陡降的效果，但中间通带的中间塌陷。
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仅采用一层介质基板，且只需介质基板双面印刷金属，可由印刷PCB板实现，成本低，加工简单。
2.本发明频率选择表面具有对称特征，使得整体具有双极化特性，且在不同极化下可以保持高达40°的高角度稳定性。
3.本发明频率选择表面，在TE波模式下，S11、S21分别在12.2-12.4GHz、15.7-16.1GHz、19.9-20.1GHz范围内小于-10dB和大于-1dB，显示全透射特性；在TM波模式下，S11、S21分别在12.2-12.4GHz、15.7-16.1GHz、19.9-20.1GHz范围内小于-10dB和大于-1dB，显示全透射特性，即为三通带频率选择表面。
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在TE极化下的频率响应仿真结果图。
图3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4为本发明频率选择表面在不同通带的电场强度仿真结果图。
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的单层三通带频率选择表面，其结构示意图如图1所示，包括n×n个正方形结构单元，所述正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)；
所述第一金属层(1)边缘和两条对称轴上均设置田字形排布通孔(8)，将第一金属层(1)均匀分割成四个小正方形，每个小正方形中心设置形状相同的缝隙，分别为第一缝隙(4)、第二缝隙(6)、第三缝隙(5)和第四缝隙(7)；其中，对角线上的两个缝隙(4、5)的尺寸相同，相邻的两个缝隙(6、7)尺寸不同；第二金属层(3)的结构与第一金属层(8)的结构相同；介质层(2)上设置金属化通孔，通孔的位置与第一金属层(8)通孔的位置相对应。
实施例1
本实施例结构单元的个数n为16。
介质层(2)的厚度t1为1.524mm，尺寸为15mm×15mm，即边长p为15mm，材料为ArlonAD 300C；第一金属层(1)上缝隙为方环形缝隙，缝隙的宽度w3为0.2mm，两个大方环形缝隙(4、5)的内边长w2均为4.6mm，两个小方环形缝隙(6、7)的内边长w1均为3.6mm；
田字形排布的通孔(8)共81个，通孔直径ds为0.5mm，距离dp为1mm，通孔贯穿3层结构。
本实施例得到的单层三通带频率选择表面在电磁仿真软件中，采用周期边界条件进行仿真。双极化波垂直入射时的电磁仿真结果图如图2和图3所示，横坐标为频率，纵坐标为S参数。从图中可以看出，在TE波模式下(图2)，当电磁波垂直入射时，S11、S21分别在12.2-12.4GHz、15.7-16.1GHz、19.9-20.1GHz范围内小于-10dB和大于-1dB，显示全透射特性。在TM波模式下(图3)，S11、S21分别在12.2-12.4GHz、15.7-16.1GHz、19.9-20.1GHz范围内小于-10dB和大于-1dB，显示全透射特性；即本发明频率选择表面具有带通特性。同时，本发明频率选择表面具有较高的角度稳定性，在0-40度下显示较为稳定的结果，即本发明FSS可以适应从同方向入射的电磁波，都可以保持很好的带通特性。
图4为本发明基于SIW的单层三通带频率选择表面的电场强度在不同谐振频率的图。从图中可以看出，在12.23GHz，电场集中分布在尺寸较大的方环缝隙处，表明低频谐振透波带的谐振频点由大方环的决定；在15.79GHz，电场在大小环中均有出现但是小环中的电场强度更高；在15.94GHz，电场在大小环中均有出现但是大环中的电场强度更高，所以中间谐振产生的通带由大小环共同作用；在19.98GHz，电场集中分布在尺寸较小的方环缝隙处，表明高频谐振透波带由较小的方环为主要决定因素。
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 (7)

1.一种基于SIW的单层三通带频率选择表面，其特征在于，包括n × n 个正方形结构单元，所述正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；
所述第一金属层边缘和两条对称轴上均设置通孔，将第一金属层均匀分割成四个小正方形，每个小正方形中心设置形状相同的环形缝隙；其中，对角线上的缝隙的尺寸相同，相邻的缝隙尺寸不同；第二金属层的结构与第一金属层的结构相同；介质层上设置金属化通孔，通孔的位置与第一金属层通孔的位置相对应；第一金属层、介质层金属化通孔和第二金属层共同构成SIW谐振腔。
2.如权利要求1所述的单层三通带频率选择表面，其特征在于，尺寸较大的两个缝隙与SIW谐振腔决定低频通带，尺寸较小的两个缝隙与SIW谐振腔决定高频通带，大缝隙和小缝隙与SIW谐振腔相互耦合共同决定中间通带。
3.如权利要求1所述的单层三通带频率选择表面，其特征在于，每个通孔的直径相同，为ds，通孔与通孔之间的间距相同，为dp，且ds<dp<2 ds。
4.如权利要求1所述的单层三通带频率选择表面，其特征在于，所述环形缝隙为方环形缝隙或圆环形缝隙。
5.如权利要求1所述的单层三通带频率选择表面，其特征在于，介质层材料为Arlon AD300C。
6.如权利要求1所述的单层三通带频率选择表面，其特征在于，结构单元的个数由周期边界条件决定，为n≥16。
7.如权利要求4所述的单层三通带频率选择表面，其特征在于，介质层的边长为15mm，厚度为1.524mm，介质层上设置81个金属化通孔；通孔直径为0.5mm，通孔间隔为1mm；较大的方环形金属缝隙的内边长为4.6mm，较小的方环形金属缝隙的内边长为3.6mm，缝隙的宽度为0.2mm。
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