CN115151121A - 宽波段光学透明小型化频率选择光窗 - Google Patents
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Abstract
宽波段光学透明小型化频率选择光窗属于光学透明电磁屏蔽及微波通信领域，该光窗表面的频率选择表面阵列由基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元按二维正交排列方式密接排布构成。每个单元中的贴片型频率选择表面以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出成延伸臂。本发明解决了现有光学透明频率选择表面工作频率收到单元尺寸限制很难在有限区域内使用的问题，可以在有限区域同时实现特定探测波段电磁波的传输、干扰波段的强电磁屏蔽以及宽波段的光学透明，扩展了频率选择表面的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于光学透明电磁屏蔽及微波通信领域，特别涉及宽波段光学透明小型化频率选择光窗。
背景技术
近年来，电磁波与人们日常生活的联系愈发密切，随着广播、电视、雷达、卫星通讯和导航、无线定位技术、移动通信/手机、物联网等技术的快速发展，具有发射和接收电磁波功能的设备成数量级的增加。电磁波的应用波段不断展宽，电磁波强度不断增大，使得空间电磁环境日益复杂。逐渐增多的电磁辐射造成了电磁污染，在对人类的健康带来损害的同时，也伴随着越来越严重的信号干扰现象，电子设备工作的稳定性面临严峻考验。因此，如何实现对特定需求波段的电磁波进行高效选择传输以及对干扰电磁波采取电磁屏蔽处理这一问题逐渐受到人们的关注。
目前，电磁领域的一个难点和热点问题是对光学透明元器件的电磁调控，如飞机/卫星/舰船/汽车的光窗、光学仪器光窗和显示面板、电磁隔离室和保密设施光窗、通讯设备的透明元件、手机触屏等。在这些领域中开发高性能透明光窗可以同时实现特定探测波段电磁波的传输、干扰波段的强电磁屏蔽以及宽波段的光学透明具有十分广阔的应用前景。
传统的频率选择表面可以实现空间电磁波的选择性传输功能，但其工作频率受到单元尺寸限制，较大的单元尺寸很难在有限、复杂的区域内使用。因此小型化频率选择表面由于其结构单元尺寸小，谐振频率不再受限于结构尺寸，对极化不敏感，高角度稳定性等良好性能在不规则空间、弯曲空间等复杂环境中表现更加优异，具有极大的应用价值。但其金属覆盖面积往往较大，无法实现优秀的透光特性。
目前小型化频率选择表面主要有四类方式来实现小型化，第一类为利用多层结构，利用层与层之间的耦合作用使得实现相同谐振频率时，单元周期较小，如专利201410500094.9、201610231569.8、201720356819.0、201710739326.X、201711130709.3、201610409929.9、201811007176.4、201811222835.6、201811511503.X、201910842983.6、202010638683.9、202010965820.X、202110534985.6、202210082497.0、202111650565.0等。这些专利通过双层或者多层结构在较小单元尺寸时就实现了带通/带阻功能，但是多层结构对厚度有限制，无法灵活应用于实际场合；并且多层结构每层结构都是金属图案，多层的叠加会使得透光率难以提升，不适应于光学透明的场合；
第二类在第一类多层结构的基础上，增加了通孔，使得上下表面电连通，使得相同单元大小范围内，由于上下表面都存在相连的金属结构，扩大了单元内部金属的有效电长度，如专利201410326793.6、201710586366.5、201711295363.2、201711293761.0、201810576223.0、201810801589.3、201810577469.X、201811034563.7、201911360644.0、202010810801.X、202011046429.6、202011560471.X、202110218149.7、202111071666.2、202210028565.5等。这种方法虽然可以上下表面共同构建频率选择表面，但是由于金属通孔的存在，无法应用于透明介质，并且通孔的出现增加了工艺的复杂程度。
第三类目前还比较少，是通过加载集总元件来外接L或者C以实现频率选择表面等效LC的改变，从而在相同的单元面积实现更低的谐振频率，典型的专利有202010638686.2、201810747997.5、202110754097.5等。加载集总元件在实际使用中需要复杂的馈电网络，且大多数的集总元件光学不透明，工作频率较低且很难集成在透明基底，因此也无法用于复杂场合。
第四类为目前应用前景最好的单层小型化频率选择表面，通过弯折或者交指增加单元周期内金属的电长度，如专利201210114661.8、201520679599.6、201610127450.6、201711054377.5、201910316877.4、202010729834.1、202020598853.0、202111361378.0。但是这些专利都是带阻型的频率选择表面，只能选择在部分频率实现电磁屏蔽功能，而在其余频率电磁波传输。没有针对部分频率电磁波传输而其他频率电磁屏蔽的带通型频率选择表面进行设计。并且这些专利的金属覆盖面积都较大，无法应用于光学透明的场合。
上述小型化频率选择表面的处理方法都是为了解决现有频率选择表面的工作频率受到单元尺寸限制，无法应用于有限、复杂区域内的问题。专利201310385579.3、201310385578.9、201510262957.8、201510262958.2、202011136561.6、202011121522.9提出了金属网栅和频率选择表面相结合的方法，对频率选择表面进行栅网化，实现了光学透明频率选择表面。专利201310385579.3、201310385578.9发明了方格/圆环网栅上十字孔径周期阵列形成透明频率选择表面，其频率选择表面只针对十字孔径型频率选择表面，且十字臂长和缝臂宽为所用方格/圆环网栅周期的整数倍，无法灵活调节频率选择表面的结构参数。专利201510262957.8、201510262958.2与前两个专利相似，在裂痕网栅上制备具有周期开孔阵列的透明网栅膜，这种方式金属网栅的线宽与周期无法控制，并且由于开孔周围为断的裂痕网栅，使其开孔图案边缘不规则，容易导致选频特性不佳。专利202011136561.6、202011121522.9提出了在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，但是此类栅网化方法仅适用于大面积的频率选择表面。
综上所述，目前还没有宽波段透明的小型化频率选择表面，主要是由于四类频率选择表面的小型化方法都难以应用于透明领域，而频率选择表面常见的透明化的方法是将其与金属网栅复合，但是仅适用于大面积的频率选择表面，前三类频率选择表面小型化的方法即使将金属部分栅网化也难以应用于透明领域，而第四类小型化的方法只针对带阻型频率选择表面，且此类小型化方法的金属线条部分较细，若用现有的栅网化方法对其进行栅网化会出现原金属线条部分无足够的金属覆盖导致不能保留原频率选择表面的选频特性；因此同时实现特定探测波段电磁波的传输、干扰波段的强电磁屏蔽以及宽波段的光学透明是目前高性能光窗的一个难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有小型化频率选择表面与光学透明频率选择表面等方案的不足，特别是针对现有技术难以在有限区域内同时实现特定探测波段电磁波的传输、干扰波段的强电磁屏蔽以及宽波段的光学透明的问题，研发一种宽波段光学透明小型化频率选择光窗，在有限的区域内不仅可以实现宽波段的光学透明，并且在特定的探测波段实现电磁传输功能，在干扰波段实现强电磁屏蔽功能。
本发明采用的技术方案是：宽波段光学透明小型化频率选择光窗：所述宽波段光学透明小型化频率选择光窗由基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元，按二维正交排列方式密接排布构成频率选择表面阵列并加载于光窗透明基片表面；所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元由基于金属网栅A的孔径型频率选择表面单元和基于金属网栅B的贴片型频率选择表面单元构成；所述基于金属网栅A的孔径型频率选择表面单元是指在金属网栅A上去除孔径单元，且在孔径单元边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅A线条宽度；所述基于金属网栅B的贴片型频率选择表面单元由基于金属网栅B的贴片单元构成，贴片单元边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅B线条宽度，贴片单元的结构参数皆为金属网栅B网栅周期的整数倍；所述孔径单元和贴片单元具有相同的形状，孔径单元扣除小型化弯折环后为贴片单元，贴片单元嵌套在孔径单元内且没有金属连接；所述贴片单元以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出成延伸臂，延伸臂互不相交；所述金属网栅A可以为任意金属网栅，所述金属网栅能够满足10dB以上的屏蔽；所述金属网栅B为周期阵列金属网栅，且网栅周期小于等于贴片单元中十字臂宽与延伸臂臂宽，所述周期阵列金属网栅能够满足10dB以上屏蔽。
作为一种优选基本结构，上述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，所述的金属网栅A包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅、对顶扇形网栅；所述的金属网栅B包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅、对顶扇形网栅。
作为一种优选基本结构，上述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，所述金属网栅A和金属网栅B的金属线条宽度为微米量级或亚微米量级；所述金属网栅A和金属网栅B的周期为毫米量级或亚毫米量级。
作为一种优选基本结构，上述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，所述光窗透明基片可以为任意透明材料，所述透明材料能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料。
作为一种优选基本结构，上述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元(1)均由导电性能良好的金属构成，且金属厚度大于100nm。
作为一种优选基本结构，上述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，所述十字臂N等分的N可以为2，3，4，5。
本发明的创新性和良好效果是：
1、本发明提出的宽波段光学透明小型化频率选择光窗由基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元，按二维正交排列方式密接排布构成频率选择表面阵列并加载于光窗透明基片表面；所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元由基于金属网栅A的孔径型频率选择表面单元和基于金属网栅B的贴片型频率选择表面单元构成；所述基于金属网栅A的孔径型频率选择表面单元是指在金属网栅A上去除孔径单元，且在孔径单元边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅A线条宽度；所述基于金属网栅B的贴片型频率选择表面单元由基于金属网栅B的贴片单元构成，贴片单元边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅B线条宽度，贴片单元的结构参数皆为金属网栅B网栅周期的整数倍；所述孔径单元和贴片单元具有相同的形状，孔径单元扣除小型化弯折环后为贴片单元，贴片单元嵌套在孔径单元内且没有金属连接；所述贴片单元以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出成延伸臂，延伸臂互不相交；所述金属网栅A可以为任意金属网栅，所述金属网栅能够满足10dB以上的屏蔽；所述金属网栅B为周期阵列金属网栅，且网栅周期小于等于贴片单元中十字臂宽与延伸臂臂宽，所述周期阵列金属网栅能够满足10dB以上屏蔽。这样设置的良好效果在于：贴片单元以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出成延伸臂，延伸臂互不相交。可以在相同单元大小内，增加小型化弯折环的有效长度，使得频率选择表面的等效电容增加，从而使得谐振频率向低频移动，在相同的面积可以实现更低的谐振频率，即相同谐振频率用更小的单元面积就可以实现，实现了频率选择表面的小型化。并且此种方法与现有专利中第四类频率选择表面的小型化方法相比，直接设计为带通型频率选择表面，贴片单元在原有十字贴片的基础上突出成延伸臂，延伸臂互不相交，保留了原有十字环内部面积，使得贴片单元面积不至于过小，以便于栅网化。
2、本发明提出将小型化频率选择表面单元分为孔径型频率选择表面单元和贴片型频率选择表面单元并分别用两种方法对其进行栅网化处理，对于面积较大的孔径型频率选择表面单元，在金属网栅A上去除孔径单元，且在孔径单元边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅A线条宽度。由于孔径型频率选择表面的面积较大，因此可以覆盖若干金属网栅A的单元图案保证原频率选择表面的金属部分有有效电连接，并且保持边缘形状特性共同作用可以保证栅网化之后频率选择表面的选频特性与原频率选择表面相近。而对于面积相对较小的贴片型频率选择表面单元，若用相同的方法，可能在原贴片型频率选择表面的金属部分不能覆盖足够的金属网栅使其电连接不够充分，无法实现原频率选择表面相近的选频特性，因此本发明中贴片单元由金属网栅B阵列排布构成，保证在原贴片型频率选择表面的金属部分具有足够的金属覆盖面积，且在贴片单元边缘部分保留金属线条宽度大于等于金属网栅线条宽度的金属线条以保持边缘形状特征，两者共同作用使得栅网化后的频率选择表面也可以实现原频率选择表面相近的选频特性。
3、金属网栅A可以为任意能够满足10dB以上的屏蔽的金属网栅，而金属网栅B为能够满足10dB以上屏蔽的周期阵列金属网栅，且网栅周期小于等于贴片单元中十字臂宽与延伸臂臂宽，这样子可以保证孔径型频率选择表面不受金属网栅B的影响，而贴片型频率选择表面可以不用考虑孔径型频率选择表面的金属网栅A，具有更高的灵活性以实现不同的选频特性。除此之外，利用不同金属网栅对小型化频率选择表面的两部分进行栅网化还可以提高栅网化后频率选择表面的高级次衍射能量分布的均匀性，因为金属网栅A和金属网栅B可以选择不同网栅结构、周期和线宽，导致两者的高级次衍射点分布不同，降低了高级次衍射点叠加的概率，有利于实现高级次衍射的进一步均化。
综上，本发明可以同时实现特定探测波段电磁波的传输、干扰波段的强电磁屏蔽以及宽波段的光学透明，是宽波段光学透明小型化频率选择光窗。
附图说明：
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本申请中记载的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元结构示意图。
图2是孔径单元、贴片单位、小型化弯折环的结构示意图。
图3是不同N等分小型化弯折环的结构示意图。
图4是不同类型的金属网栅示意图。
图5是实施例中宽波段光学透明小型化频率选择光窗结构示意图。
图6是本发明实施例光窗结构栅网化前后电磁传输特性仿真结果的对比图。
图中件号说明：1.基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元；2.基于金属网栅A的孔径型频率选择表面；3.基于金属网栅B的贴片型频率选择表面；4.孔径单元；5.贴片单元；6.小型化弯折环；7.延伸臂。
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：所述宽波段光学透明小型化频率选择光窗由基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元1，按二维正交排列方式密接排布构成频率选择表面阵列并加载于光窗透明基片表面；所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元1由基于金属网栅A的孔径型频率选择表面2单元和基于金属网栅B的贴片型频率选择表面3单元构成；所述基于金属网栅A的孔径型频率选择表面2单元是指在金属网栅A上去除孔径单元4，且在孔径单元4边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅A线条宽度；所述基于金属网栅B的贴片型频率选择表面3单元由基于金属网栅B的贴片单元5构成，贴片单元5边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅B线条宽度，贴片单元5的结构参数皆为金属网栅B网栅周期的整数倍；所述孔径单元4和贴片单元5具有相同的形状，孔径单元4扣除小型化弯折环6后为贴片单元5，贴片单元5嵌套在孔径单元4内且没有金属连接；所述贴片单元5以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出成延伸臂7，延伸臂7互不相交；所述金属网栅A可以为任意金属网栅，所述金属网栅能够满足10dB以上的屏蔽；所述金属网栅B为周期阵列金属网栅，且网栅周期小于等于贴片单元5中十字臂宽与延伸臂7臂宽，所述周期阵列金属网栅能够满足10dB以上屏蔽。
图1是本发明所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元1的示意图。包括基于金属网栅A的孔径型频率选择表面2单元和基于金属网栅B的贴片型频率选择表面3单元两部分。
图2是孔径单元4、贴片单位5、小型化弯折环6、延伸臂7的结构示意图。延伸臂7是贴片单元5以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出而成。小型化弯折环6，在图中为灰色部分，孔径单元4扣除小型化弯折环6后为贴片单元5。
图3为列举了不同N等分小型化弯折环的结构示意图，(a)为N＝2的情况，(b)为N＝3有十六个延伸臂的情况，(c)为N＝3有二十四个延伸臂的情况，根据实际需要可以选择不同的情况，不同的延伸臂具有不同的等效电容，在相同单元大小内，可以实现不同的谐振频率。
图4为不同类型的金属网栅结构示意图，(a)为方格网栅，(b)为圆环网栅，(c)为三角分布圆环及子圆环阵列网栅，(d)为基于随机分布圆环的金属网栅，(e)为基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅，(f)为对顶扇形金属金属网栅；(a)和(b)为金属网栅的基本结构，在此基础上，金属网栅还有很多类型，如引入子圆环结构的(c)，添加随机元素的(d)，利用多周期的(e)和利用扇形的(f)，这四类金属网栅可以进一步提高栅网化频率选择表面高级次衍射能量分布的均匀性，解决传统金属网栅频率选择表面高级次衍射能量分布集中导致成像质量不佳的问题。在对成像质量要求比较高的场合中，可以利用此类网栅对孔径型频率选择表面和贴片型频率选择表面进行栅网化，以降低对成像系统的影响。
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更清楚、完整的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例：
根据本发明的一个实施例的结构示意图如图4所示，金属网栅A选择的是正交圆环网栅，金属网栅B选择的是对顶扇形网栅，小型化十字环的N＝3，十字环的四个十字臂在第二个等分点和顶端分别向两侧的单元对角线拉伸成新的延伸臂。
由于宽波段光学透明小型化频率选择光学的重要参数之一为透光率，因此对实施例样件的透光率进行分析，由于图案较为复杂，利用离散法对其进行透光率的计算，得到透光率为90.9％，远大于目前报道的小型化频率选择表面的透光率，由于其透光率只与占空比有关，因此在宽波段的光学范围内，皆可以实现高透光率。适用于各类光学透明场合。
还对实施例样件栅网化前后的电磁传输特性进行了仿真，仿真结果如图6所示，实线为栅网化前的小型化频率选择表面，虚线为栅网化后的小型化频率选择表面，两者趋势相同，栅网化前小型化频率选择表面在16.8GHz有一个通带，其最小通带损耗为-0.62dB；栅网化之后的小型化频率选择表面在16.56GHz有一个通带，最小通带损耗为-1.27dB，虽然栅网化后的通带损耗略有下降，但是在可以接受的范围之内。仍可以实现特定探测波段电磁波的传输以及干扰波段的强电磁屏蔽。
以上描述仅是本发明的具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.宽波段光学透明小型化频率选择光窗，其特征在于：所述宽波段光学透明小型化频率选择光窗由基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元(1)，按二维正交排列方式密接排布构成频率选择表面阵列并加载于光窗透明基片表面；所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元(1)由基于金属网栅A的孔径型频率选择表面(2)单元和基于金属网栅B的贴片型频率选择表面(3)单元构成；所述基于金属网栅A的孔径型频率选择表面(2)单元是指在金属网栅A上去除孔径单元(4)，且在孔径单元(4)边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅A线条宽度；所述基于金属网栅B的贴片型频率选择表面(3)单元由基于金属网栅B的贴片单元(5)构成，贴片单元(5)边缘部分保留金属线条以保持边缘形状特征，金属线条宽度大于等于金属网栅B线条宽度，贴片单元(5)的结构参数皆为金属网栅B网栅周期的整数倍；所述孔径单元(4)和贴片单元(5)具有相同的形状，孔径单元(4)扣除小型化弯折环(6)后为贴片单元(5)，贴片单元(5)嵌套在孔径单元(4)内且没有金属连接；所述贴片单元(5)以十字贴片为基础，将每个十字臂N等分，十字臂图案的顶端部分以及四个十字臂的等分点向垂直十字臂的两侧突出成延伸臂(7)，延伸臂(7)互不相交；所述金属网栅A可以为任意金属网栅，所述金属网栅能够满足10dB以上的屏蔽；所述金属网栅B为周期阵列金属网栅，且网栅周期小于等于贴片单元(5)中十字臂宽与延伸臂(7)臂宽，所述周期阵列金属网栅能够满足10dB以上屏蔽。
2.根据权利要求1所述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，其特征在于：所述的金属网栅A包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅、对顶扇形网栅；所述的金属网栅B包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅、对顶扇形网栅。
3.根据权利要求1所述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，其特征在于：所述金属网栅A和金属网栅B的金属线条宽度为微米量级或亚微米量级；所述金属网栅A和金属网栅B的周期为毫米量级或亚毫米量级。
4.根据权利要求1所述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，其特征在于：所述光窗透明基片可以为任意透明材料，所述透明材料能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料。
5.根据权利要求1所述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，其特征在于：所述基于两种金属网栅的小型化频率选择表面单元(1)均由导电性能良好的金属构成，且金属厚度大于100nm。
6.根据权利要求1所述的宽波段光学透明小型化频率选择光窗，其特征在于：所述十字臂N等分的N可以为2，3，4，5。
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