CN115548688A - 一种紧凑型低频比双波段超表面结构 - Google Patents

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张福恒
顾昊
刘兵
余欢
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Abstract

本发明公开了一种紧凑型低频比双波段超表面结构，所述超表面由若干个结构相同的单元周期性排列组成，每个单元均由三层金属贴片和两层介质层组成，且每相邻的两层金属贴片之间均夹设一层介质层，具体包括：顶层金属贴片；中间层金属贴片；底层金属贴片；第一介质层，夹在所述顶层金属贴片与所述中间层金属贴片之间；第二介质层，夹在所述中间层金属贴片与底层金属贴片之间。本发明有宽带、高透波特性、带外陡截止特性、极化稳定性等电磁特性，整体结构简单、轻质、易加工，在天线、通讯系统、电磁对抗和军事隐身等领域均具有广泛的应用前景。

Description

一种紧凑型低频比双波段超表面结构
技术领域
本发明涉及微波波段电磁波调控技术领域，尤其涉及一种紧凑型低频比双波段超表面结构。
背景技术
超表面是指由于厚度远小于波长、具有特定几何形状的亚波长单元结构周期性或非周期性排列的二维阵列，通常分为反射式超表面与透射式超表面。由于透射性超表面具有带内透波带外截止的特性，因此广泛应用于隐身天线罩、高隔离度天线、空间滤波器、无线通信等设备或系统中。另一方面，为了满足共形隐身、多波段通信等实际应用需求，具有低频比宽带双波段透波、大角度稳定性、极化不敏感性、低剖面、带外陡截止等特性的透射型超表面具有更广泛的应用前景，而传统的双波段超表面或双波段频选并不具备上述特性。
现有的双波段超表面无法同时具有低频比特性、陡截止特性、极化不敏感、大角度稳定性、低剖面等特性，基于此，亟需一种双波段超表面，同时具备上述优良特性。
发明内容
本发明的目的是提出一种紧凑型低频比双波段超表面结构，克服现有技术中存在的不足和缺陷。
为达到上述目的，本发明提供了一种紧凑型低频比双波段超表面结构，所述超表面由若干个结构相同的单元周期性排列组成，每个单元均由三层金属贴片和两层介质层组成，且每相邻的两层金属贴片之间均夹设一层介质层，具体包括：顶层金属贴片；中间层金属贴片；底层金属贴片；第一介质层，夹在所述顶层金属贴片与所述中间层金属贴片之间；第二介质层，夹在所述中间层金属贴片与底层金属贴片之间。
每个单元的周期尺寸在x轴长度方向上均为Dx，在y轴宽度方向上均为Dy，且Dx＝Dy。
具体地，所述顶层金属贴片包括：顶层方环，为具有线宽W1的正方形环状结构；耶路撒冷十字结构，无接触设置于所述顶层方环的内部，且所述耶路撒冷十字结构的中心与顶层方环的中心重合。
具体地，所述耶路撒冷十字结构包括：中心处呈十字结构的主臂，分别与主臂端部垂直连接的副臂，且所述主臂的长度L2大于副臂的长度L3，主臂的宽度W2小于副臂的宽度W3。
所述耶路撒冷十字结构等效为LC串联谐振电路，所述顶层方环等效为LC并联谐振电路。
所述底层金属贴片的结构与所述顶层金属贴片的结构一致。
具体地，所述中间层金属贴片包括：中间层方环，为具有线宽W4的正方形环状结构；正方形贴片，无接触设置于所述中间层方环的内部，且所述正方形贴片的中心与所述中间层方环的中心重合。
所述第一介质层、第二介质层的介电常数均为4.5，损耗正切角均为0.0035，厚度均为1.5mm。
通过调节所述顶层方环的线宽W1，可以改变LC并联谐振电路的电容值，实现C波段通带谐振频率的调控；通过调节所述耶路撒冷十字结构的主臂长度L2，可以改变LC串联谐振电路的电感值，实现X波段通带谐振频率的调控，使得所述超表面具有通频带低频比特性。
所述耶路撒冷十字结构、顶层方环、正方形贴片、中间层方环均具有旋转对称性，使得所述超表面对入射的电磁波极化不敏感，使其具有极化不敏感特性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明结构对称，具有极化稳定性，且为亚波长尺寸设计，在大角度入射时仍然具有很高的传输率。
2、本发明通过各层金属贴片之间紧耦合产生电磁谐振，形成两个具有二阶带通滤波器响应的传输通带，两个传输通带中心频率相近，超表面单元具有低频比、宽带特性。
3、本发明超表面两个传输通带之间有一个传输零点，使得超表面具有陡截止特性。
4、本发明应用范围广，可应用于天线罩减小雷达散射截面，也可用于实现通信，减少天线阵子之间的互耦，还可以用于增加天线辐射，因此在天线、通讯系统、电磁对抗和军事隐身等领域均具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的超表面10×10阵列三维结构示意图；
图2为本发明的超表面单元顶层金属贴片表面示意图；
图3为本发明的超表面单元中间层金属贴片表面示意图；
图4为本发明的超表面单元TE极化传输系数和反射系数曲线仿真图；
图5为本发明的超表面单元TM极化传输系数和反射系数曲线仿真图；
图6为本发明的超表面单元C波段调控仿真结果；
图7为本发明的超表面单元X波段调控仿真结果；
图8为本发明的超表面单元TE极化下不同入射角传输系数仿真结果；
图9为本发明的超表面单元TM极化下不同入射角传输系数仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，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”或者其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过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种紧凑型低频比双波段超表面结构，所述超表面是指厚度远小于波长的二维超材料，广泛应用于隐身天线罩、高隔离度天线、空间滤波器、无线通信等设备或系统中。如图1所示，所述超表面由若干个结构相同的单元周期性排列组成，每个单元均由三层金属贴片和两层介质层组成，且每相邻的两层金属贴片之间均夹设一层介质层，通过每层金属贴片间的谐振实现双波段透波，透波波段分别处在C波段(频率范围为4-8GHz)和X波段(频率范围为8-12GHz)，且每个单元的周期尺寸在x轴长度方向上均为Dx，在y轴宽度方向上均为Dy，且Dx＝Dy。所述金属贴片包括：顶层金属贴片1、中间层金属贴片3、底层金属贴片5；所述介质层包括：第一介质层2、第二介质层4，且所述第一介质层2起支撑作用，夹在所述顶层金属贴片1与中间层金属贴片3之间，所述顶层金属贴片1贴于第一介质层2的一面，所述中间层金属贴片3贴于第一介质层2的另一面；所述第二介质层4起支撑作用，夹在所述中间层金属贴片3与底层金属贴片5之间，所述中间层金属贴片3贴于第二介质层4的一面，所述底层金属贴片5贴于第二介质层4的另一面。
进一步，如图2所示，所述顶层金属贴片1由耶路撒冷十字结构(由4个T形构成的特殊十字结构)11和顶层方环12组成，其中耶路撒冷十字结构11等效为LC串联谐振电路，顶层方环12等效为LC并联谐振电路，所述顶层方环12为具有一定宽度的正方形环状结构，其环宽记作线宽W1，所述顶层方环12的外边长L1小于单元周期尺寸Dx、Dy；所述耶路撒冷十字结构11设置于所述顶层方环12的内部，与所述顶层方环12无接触，且该耶路撒冷十字结构11的中心与顶层方环12的中心重合。所述耶路撒冷十字结构11包括：中心处呈十字结构的主臂111，分别与所述主臂111端部垂直连接的副臂112，且所述主臂111的长度L2大于副臂112的长度L3，主臂111的宽度W2小于副臂112的宽度W3。通过调节所述顶层方环12的线宽W1，可以改变LC并联等效电路的电容值，从而灵活调控C波段通带谐振频率；通过调节所述耶路撒冷十字结构11的主臂长度L2，可以改变LC串联等效电路的电感值，从而灵活调控X波段通带谐振频率，进而使得所述超表面具有通频带低频比特性。
进一步，如图3所示，所述中间层金属贴片3由正方形贴片31和中间层方环32组成，等效为另一LC并联电路，所述中间层方环32是带有一定宽度的正方形环状结构，其环宽记作线宽W4，所述中间层方环32的外边长L4等于单元周期尺寸Dx、Dy；所述正方形贴片31设置于所述中间层方环32的内部，与所述中间层方环32无接触，且正方形贴片31的中心与中间层方环32的中心重合，所述正方形贴片31的边长为L5。
所述底层金属贴片5的结构和所述顶层金属贴片1的结构一致，在此不多加赘述。
优选地，所述金属贴片采用的金属均为铜箔，且铜箔厚度约为0.017mm。
本优选实施例中，每个单元在x轴长度方向上的周期尺寸Dx＝3.8mm，在y轴宽度方向上的周期尺寸Dy＝3.8mm；所述顶层方环12的外边长L1＝3.6mm，线宽W1＝0.275mm；所述耶路撒冷十字结构11的主臂111宽度W2＝0.1mm，副臂112宽度W3＝0.3mm，主臂111长度L2＝2.4mm,副臂112长度L3＝2.3mm；所述正方形贴片31的外边长L5＝2.8mm，中间层方环32的线宽W4＝0.35mm。
本优选实施例中，第一介质层2和第二介质层4均采用Arlon AD450，介电常数为4.5，损耗正切角为0.0035，介质厚度d＝1.5mm。
具体地，所述耶路撒冷十字结构11、顶层方环12、正方形贴片31、中间层方环32均关于x轴和y轴对称，使得所述超表面具有旋转对称性，超表面对入射的电磁波极化不敏感，具有极化不敏感特性。
所述超表面仅有两层介质层且未引入空气层，使其具有低剖面特性。
所述超表面各层金属贴片之间紧耦合产生电磁谐振，形成两个具有二阶带通滤波器响应的传输通带，两个传输通带中心频率相近，使得所述超表面具有低频比、宽带特性。且两个传输通带之间有一个传输零点，使得所述超表面具有陡截止特性。
如图4、图5所示，当空气中的TE极化电磁波或TM极化电磁波入射到所述超表面的某一侧时，所述超表面在C波段和X波段分别产生具有两个传输极点的传输通带，形成二阶带通滤波器响应，即所述超表面呈现出二阶谐振特性，使得所述超表面具有宽带、高透波特性。对于TE极化电磁波，在6.05-8.42GHz和9.63-10.63GHz频率范围内，传输损耗小于3dB，对于TM极化电磁波，在6.08-8.40GHz和9.66-10.6GHz频率范围内，传输损耗小于3dB，两种极化电磁波照射的3dB通频带相对带宽在C波段均超过32％，在X波段均超过9.8％。所述超表面在两个传输通带之间有一个传输零点，使得所述超表面具有传输频带外陡截止特性。所述超表面在C波段透波中心频率为7.24GHz，X波段透波中心频率为10.13GHz，透波波段中心频率频比仅为1.39，所述超表面具有低频比特性。
如图6所示，通过调节所述顶层方环12的线宽W1，实现C波段通带谐振频率调控。线宽W1分别取0.275mm、0.300mm、0.325mm，且发现随着线宽W1的增加，C波段通带谐振频率向高频偏移，X波段通带谐振频率保持不变。
如图7所示，通过调节所述耶路撒冷十字11的主臂长度L2，实现X波段通带谐振频率调控。主臂长度L2分别取2.50mm、2.45mm、2.40mm，且发现随着主臂长度L2的增加，X波段通带谐振频率向低频偏移，C波段通带谐振频率保持不变。
如图8所示，对于TE极化，所述超表面在0°～60°的入射角度范围内具有很好的双波段、高透波、低频比特性。
如图9所示，对于TM极化，所述超表面在0°～60°的入射角度范围内具有很好的双波段、高透波、低频比特性。
优选地，本实施例为C波段和X波段紧凑型低频比超表面，改变尺寸亦可适用于其他微波波段。
综上所述，与现有技术相比，本发明所提出的紧凑型低频比双波段超表面具有宽带、高透波特性、带外陡截止特性、极化稳定性等电磁特性，整体结构简单、轻质、易加工，在天线、通讯系统、电磁对抗和军事隐身等领域均具有广泛的应用前景。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述超表面由若干个结构相同的单元周期性排列组成，每个单元均由三层金属贴片和两层介质层组成，且每相邻的两层金属贴片之间均夹设一层介质层，具体包括：
顶层金属贴片；
中间层金属贴片；
底层金属贴片；
第一介质层，夹在所述顶层金属贴片与所述中间层金属贴片之间；
第二介质层，夹在所述中间层金属贴片与底层金属贴片之间。
2.如权利要求1所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，每个单元的周期尺寸在x轴长度方向上均为Dx，在y轴宽度方向上均为Dy，且Dx＝Dy。
3.如权利要求2所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述顶层金属贴片包括：
顶层方环，为具有线宽W1的正方形环状结构；
耶路撒冷十字结构，无接触设置于所述顶层方环的内部，且所述耶路撒冷十字结构的中心与顶层方环的中心重合。
4.如权利要求3所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述耶路撒冷十字结构包括：中心处呈十字结构的主臂，分别与主臂端部垂直连接的副臂，且所述主臂的长度L2大于副臂的长度L3，主臂的宽度W2小于副臂的宽度W3。
5.如权利要求4所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述耶路撒冷十字结构等效为LC串联谐振电路，所述顶层方环等效为LC并联谐振电路。
6.如权利要求5所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述底层金属贴片的结构与所述顶层金属贴片的结构一致。
7.如权利要求2所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述中间层金属贴片包括：
中间层方环，为具有线宽W4的正方形环状结构；
正方形贴片，无接触设置于所述中间层方环的内部，且所述正方形贴片的中心与所述中间层方环的中心重合。
8.如权利要求1所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层的介电常数均为4.5，损耗正切角均为0.0035，厚度均为1.5mm。
9.如权利要求6所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，通过调节所述顶层方环的线宽W1，可以改变LC并联谐振电路的电容值，实现C波段通带谐振频率的调控；通过调节所述耶路撒冷十字结构的主臂长度L2，可以改变LC串联谐振电路的电感值，实现X波段通带谐振频率的调控，使得所述超表面具有通频带低频比特性。
10.如权利要求7所述的紧凑型低频比双波段超表面结构，其特征在于，所述耶路撒冷十字结构、顶层方环、正方形贴片、中间层方环均具有旋转对称性，使得所述超表面对入射的电磁波极化不敏感，使其具有极化不敏感特性。
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