CN1937307B - 基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面 - Google Patents

基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面 Download PDF

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Abstract

基于基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面可以作为频段多工器应用于卫星、雷达等通信系统的多频天线，该频率选择表面采用多层微波板材层压而成，它包括上下外层的金属面(1)和中间多层金属面(2)，填充各金属面之间空隙的中间介质层(5)；在上下外层的金属面上蚀刻尺寸相同的大“#”形缝隙槽(3)，在中间多层金属面上蚀刻与“#”形缝隙槽中心位置重合的另一尺寸的小“#”形缝隙槽(4)；最后在层压好的多层基片上面围绕每个周期性大“#”形缝隙槽单元以均匀的间隔设有一系列金属化通孔(6)，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。与普通的贴片型或者缝隙型多屏级联频率选择表面相比选择特性极大提高。

Description

基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面
技术领域
本发明的基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面是一种作为频段多工器应用于卫星、雷达等通信系统的多频天线，作为雷达天线罩用于隐身技术，制造毫米波/红外复合遥感技术中复用天线的复用副面，以及光学和准光系统的偏振器和波束分离装置。属于微波技术领域。
背景技术
频率选择表面(FSS)在工程应用中十分广泛。FSS对电磁波的透射和反射具有良好的选择性，对于其通带内的电磁波呈现全通特性，而对其阻带内的电磁波则呈全反射特性，具有空间滤波功能。在微波领域中，FSS可用于通讯卫星系统的频段多工器，利用多馈源配置来扩大通讯容量。另一个主要用途是制作天线罩，用于航空航天中雷达天线的屏蔽与隐身。还可以作为单片集成插入物来制作高性能的波导滤波器。FSS的主要性能是频率选择特性，对于激励源的入射方向及极化的敏感程度以及带宽的稳定性。传统的由周期性贴片或缝隙阵列形成的FSS选择性较差。为了改善FSS的频率选择特性，目前国际上最通用的方法就是将多屏FSS级联来获得更好的选择特性。级联的多层FSS之间充填有作为阻抗变换器使用的介质层，但目前用这种四分之一波长阻抗变换的级联方式实现的大多是切比雪夫型响应特性，其选择特性一般，限制它在很多实际应用场合下的使用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面，这种频率选择表面的阶数可以通过增加级联腔体的个数，从而实现高阶高性能的滤波，且增加的中间腔体尺寸固定不用重新设计。在工作频段性能稳定性好，易于加工，结构简单，成本低。该频率选择表面与现有多层级联的频率选择表面相比选择特性大大提高，性能稳定性好。
技术方案：基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面首先引入腔体的高品质因素谐振来提高FSS的频率选择特性，增强它对于激励源的入射角度和极化的不敏感性以及各种环境下的带宽稳定性，其次利用传统级联腔体和多模腔体互耦滤波器理论来设计多层基片集成波导腔体级联FSS。在结构上，基于基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面采用多层微波板材层压而成，它包括上下外层的金属面和中间多层金属面，填充各金属面之间空隙的中间介质层；在上下外层的金属面上蚀刻尺寸相同的大“#”形缝隙槽，在中间多层金属面上蚀刻与“#”形缝隙槽中心位置重合的另一尺寸的小“#”形缝隙槽；最后在层压好的多层基片上面围绕每个周期性大“#”形缝隙槽单元以均匀的间隔设有一系列金属化通孔，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。在上下外层的金属面蚀刻的大“#”形缝隙槽是关于X、Y两个方向完全对称的“#”形缝隙，用于将平面波耦合到腔体；在中间多层金属面蚀刻的小“#”形缝隙槽是关于X、Y两个方向完全对称的“#”形缝隙，用于将一个腔体中的电磁波耦合到另一个腔体。上下外层的金属面的大“#”形缝隙槽中心频率为12GHz时，单个缝隙长度为8.0毫米，宽度为1.0毫米，两根平行缝隙的间隔是2.5毫米；中间多层金属面的小“#”形缝隙槽中单个缝隙长为6.0毫米，宽度为1.0毫米，两根平行缝隙的间隔是1.5毫米；使用介质基片为介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为4毫米。金属化通孔的直径为1.0毫米，金属化通孔阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为1.5毫米，金属化通孔直径与孔心距的比值大于0.5。
工作原理为：平面波入射到频率选择表面后，周期性的“#”形缝隙将工作频段的平面波耦合到腔体里面，再通过腔体内的多模耦合和腔体间的耦合缝隙将电磁波耦合到下一个腔体，再通过另一侧表面上缝隙将电磁波耦合到空间。空间平面波经过上下表面缝隙以及中间腔体的选择性传输，最终形成了对传输的空间平面波的高性能的滤波。
有益效果：基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面具有以下优点：
a这种新型频率选择表面与以往研究设计出来的多屏级联频率选择表面相比选择性能显著提高，其阶数只需要增加相同尺寸的中间腔体个数就可以增加，从而提高其选择特性，而不用重新设计，扩展性强。
b这种新型频率选择表面性能稳定，在工作频段的插入损耗小，选择性高。而且它的高选择性和带宽稳定性不随入射波的入射角度以及极化状态的变化而变化。
c这种新型频率选择表面结构简单，全部结构在普通上下表面覆有金属的介质基片上就可以实现。在设计过程中只需要调节“#”形缝隙的形状和尺寸，以及金属通孔的周期性尺寸就可以得到所需要的性能。结构参数少，大大节省设计优化的时间。
d这种新型频率选择表面制造简单方便，用普通的层压PCB工艺就可以实现，造价低廉。
附图说明
图1是本发明一个示意的局部单元的结构俯视图。P为一个周期性单元的周期长度和宽度，C为一个周期性单元中金属化通孔构成的基片集成波导腔体的长度和宽度，L为上下金属表面“#”形缝隙中单个缝隙的长度，W为上下金属表面“#”形缝隙中单个缝隙的宽度，Wd为上下金属表面耦合“#”形缝隙中两条平行缝隙的间距。Lm为中间任意层数金属面上耦合“#”形缝隙中单个缝隙的长度，Wm为中间任意层数金属面上耦合“#”形缝隙中单个缝隙的宽度，Wmd为中间任意层数金属面上耦合“#”形缝隙中两条平行缝隙的间距。d为通孔直径，dp为相邻两个通孔的孔心距，h为介质层厚度，mh为金属层厚度。
图2是本发明实现四个腔体级联FSS的局部单元的结构侧视图。
图3是本发明实现四个腔体级联FSS的局部单元的透视图。图中有：上下外层的金属面1，中间多层金属面2，大“#”形缝隙槽3，小“#”形缝隙槽4，中间介质层5，金属化通孔6。
图4是本发明应用于中心频率为12GHz的整体结构示意图。
图5是本发明实现两腔体级联FSS与单腔体FSS在平面波垂直入射滤波曲线的对比。
图6是本发明实现两腔体级联FSS在TE极化平面波斜入射时的传输响应。
图7是本发明实现两腔体级联FSS在TM极化平面波斜入射时的传输响应。
图8是本发明实现两腔体级联到八腔体级联FSS在平面波垂直入射时的滤波曲线对比。
图9是图8曲线通带频段的局部放大图。
具体实施方式
多腔体级联高性能频率选择表面使用多层微波板材用印刷电路板工艺层压制成。它的上下表面和中间层均匀分布金属面，金属层间由介质充填构成。在上下外层的金属面上刻有位置、尺寸以及周期长度完全相同的周期性“#”形缝隙单元，中间的多层金属面上刻有尺寸完全相同，与上下金属表面缝隙周期相同中心位置重合的周期性“#”形缝隙单元。在层压制成的基片上，围绕每个“#”形缝隙单元以均匀的间隔在四周设有一系列金属化通孔，形成等效于传统金属腔体的上下级联的基片集成波导腔体。在上下金属表面蚀刻的“#”形缝隙为二维完全对称性结构。在中心频率为12GHz时上下表面“#”形缝隙长为8.0毫米，宽度为1.0毫米，两根平行缝隙的间距为2.5毫米。中间层“#”形缝隙长为6.0毫米，宽度为1.0毫米，两根平行缝隙的间距为1.5毫米。板材为介电常数为2.65的F4B材料，其介质层厚度为4.0毫米，金属层厚度为0.036毫米。金属化通孔的直径为1.0毫米，金属化通孔阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为1.5毫米，金属化通孔直径与孔心距的比值大于0.5。
本发明的制造过程为(以N个腔体级联为例)：首先在选取N个介质基片，在其中一个基片的上下两个金属面上开尺寸分别对应外表面和中间层的“#”形缝隙槽。再在一个基片的一侧金属面上刻尺寸对应外表面的“#”形缝隙槽而将另一表面的金属全部抹掉。然后对剩下的N-2个基片采用同样的处理方法，在其中一侧金属面上刻尺寸对应中间层的“#”形缝隙槽而将另一表面的金属全部抹掉。最后将所有基片按刻有中间层的“#”形缝隙槽和金属全部抹掉的面重合叠在一起进行层压。最后在层压好的基片上围绕每个周期性“#”形缝隙单元以均匀的间隔打一系列金属化通孔形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免腔体间产生能量泄露。这种频率选择表面结合了传统周期性结构和普通腔体结构的传输特性和场分布。选择合适的中间层耦合“#”形缝隙的尺寸，可以调节上下两个腔体耦合量，形成具有单边零点高选择滤波特性的频率选择表面。整个频率选择表面完全由层压PCB工艺实现。腔体结构由金属化通孔阵列所实现，制作简单，成本低廉。
我们在中心频率为12GHz的宽频段内，基于基片集成波导技术实现了任意多层级联具有单边零点响应的高性能滤波频率选择表面。介质基片的相对介电常数εr和结构几何参数(见图1、2、3)如下：

Claims (3)

1.一种基于基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面，其特征在于该频率选择表面采用多层微波板材层压而成，频率选择表面包括上下外层的金属面(1)和中间多层金属面(2)，填充各金属面之间空隙的中间介质层(5)；在上下外层的金属面(1)上蚀刻尺寸相同、周期性排列的大“#”形缝隙槽(3)，在中间多层金属面(2)上蚀刻与各大“#”形缝隙槽(3)轴向中心线重合的另一尺寸的小“#”形缝隙槽(4)；最后在层压好的多层基片上面围绕每个周期性大“#”形缝隙槽(3)单元以均匀的间隔设有一系列金属化通孔(6)，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面；在上下外层的金属面(1)蚀刻的大“#”形缝隙槽(3)是关于平面直角坐标中X、Y两个方向完全对称的“#”形缝隙，用于将平面波耦合到腔体；在中间多层金属面(2)蚀刻的小“#”形缝隙槽(4)是关于X、Y两个方向完全对称的“#”形缝隙，用于将一个腔体中的电磁波耦合到另一个腔体。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面，其特征在于上下外层的金属面(1)的大“#”形缝隙槽(3)中心频率为12GHz时，单个缝隙长度为8.0毫米，宽度为1.0毫米，两根平行缝隙的间隔是2.5毫米；中间多层金属面(2)的小“#”形缝隙槽(4)中单个缝隙长为6.0毫米，宽度为1.0毫米，两根平行缝隙的间隔是1.5毫米；使用介质基片为介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为4毫米。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导多腔体级联高性能频率选择表面，其特征在于金属化通孔(6)的直径为1.0毫米，金属化通孔(6)阵列间两个相邻金属化通孔(6)的孔心距为1.5毫米，金属化通孔(6)直径与孔心距的比值大于0.5。
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