CN1937308A - 双通带频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
双通带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，该结构是在具有双面金属面的介质基片(4)上，在双面金属面(1)上刻有上下表面对应的完全相同的周期性外正方环形缝隙单元(2)和周期性内正方环形缝隙单元(3)，组成双层周期性双正方环形缝隙阵列，在基片上围绕每个双层正方环形周期性缝隙单元(2)以均匀的间隔设有一系列金属化通孔(5)，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。与普通的由两种不同尺寸的周期性贴片或者缝隙构成的双频带频率选择表面相比，由于新结构引入了腔体谐振模式，实现了双通带的单边陡降特性，大大提高了通带的选择特性，其性能对于入射波的角度和极化性的稳定性好。
Description
技术领域
本发明是一种基于基片集成波导技术的双通带频率选择表面可以作为频段多工器，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。以往多频带FSS多是由在同一平面或者多层平面内不同谐振长度的缝隙或者贴片构成，近来还有用分形几何结构，或是用优化算法得到任意无规则形状的结构实现。但是这些实现方法都有不同程度的缺陷如选择特性不好，结构比较复杂难于设计，制造成本高昂，或几何结构不能对应明确的物理意义，从而无法进行快速有效的设计。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于基片集成波导技术的双通带频率选择表面，这种频率选择表面在工作频段性能稳定性好，双通带的选择特性与以往的实现方式相比大大提高，其几何结构对应的物理意义明确，使得易于设计，而且结构简单易于加工，成本低。
技术方案：基于基片集成波导技术的新型双通带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。其次利用基于基片集成波导技术的频率选择表面具有双模谐振的特性，实现了在双通带内单边陡降的滤波特性。在结构上，基片为具有双面金属面的介质基片，在双面金属面上刻尺寸相同的外正方环形缝隙槽和中心位置与之重合的内正方环形缝隙槽，最后在基片上面围绕每个周期性外正方环形缝隙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。将平面波从空间耦合到腔体再从腔体耦合到空间而在双面金属面蚀刻的双正方环形缝隙关于长宽两个方向完全对称的“回”形缝隙。该双通带频率选择表面在X-Ku频段测试频率为8-16GHz时，双面金属面外正方环形缝隙边长为7.2毫米，宽度为0.4毫米，内正方环形缝隙边长为5.0毫米，宽度为0.4毫米，内外正方环形缝隙的间距为1.1毫米；使用介质基片为介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为1.0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。
这种双通带频率选择表面结合了传统周期性结构缝隙谐振特性和金属腔体结构的腔体谐振特性。工作时在两个通带内两种不同谐振模式的相互耦合最终在两个通带内形成单边陡降特性，大大提高了它的选择特性。
工作原理为：平面波入射到双通带频率选择表面后，低频率的电磁波通过周期性的外正方环形缝隙耦合到腔体中，并在内正方环形和外正方环形之间的区域产生腔体谐振，在两种不同谐振模式相互作用后通过另一个表面的外正方环形缝隙耦合到空间。高频率的电磁波则通过周期性的内正方环形缝隙耦合到腔体中，并在外正方环形和腔体之间的区域产生腔体谐振，在两种不同谐振模式相互作用后通过另一个表面的内正方环形缝隙耦合到空间。这样就实现了两个通带的高选择性传输。
有益效果：基于基片集成波导技术的新型双通带频率选择表面具有以下优点：
a这种新型双通带频率选择表面与以往的双通带频率选择表面相比，由于采用了基片集成波导腔体技术，在两个通带内都实现了单边陡降特性的滤波，选择性能显著改善，且几何参数对应明确的物理意义，易于快速设计。
b这种新型双通带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这种新型双通带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内外正方环型缝隙的形状和尺寸，以及金属通孔尺寸和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这种新型双通带频率选择表面制造简单方便，用普通的PCB制造工艺就可以实现，造价低廉。
本发明应用于卫星、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。
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，L1为上下金属表面外正方环形缝隙的边长，L2为上下金属表面内正方环形缝隙的边长，W1为上下金属表面外正方环形缝隙的宽度，W2上下金属表面内正方环形缝隙的宽度，g为内外正方环形缝隙的间隔，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是本发明一个示意的局部单元的结构侧视图。
图3是本发明一个示意的局部单元的透视图。图中有：上下金属表面1，外正方环形缝隙单元2，正方环形缝隙单元3，中间介质层4，金属化通孔5。
图4是本发明应用于X-Ku波段的整体结构示意图。
图5是本发明在平面波垂直入射时仿真和测试结果的比较。其中(a)为电场垂直于Y-Z平面。其中(b)为电场垂直于X-Z平面。
图6是本发明在TE极化平面波斜入射时的测试结果。
图7是本发明在TM极化平面波斜入射时的测试结果。
具体实施方式
本发明的双通带频率选择表面使用单层微波板由印刷电路板工艺制成。它的上下表面为金属面，金属面中间充填介质。在上下金属表面上刻有位置、尺寸以及周期长度完全相同的周期性双正方环形缝隙单元。然后在基片上，围绕每个双正方环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基片集成波导腔体。在上下金属表面蚀刻的双正方环缝隙是关于长宽两个方向完全对称的“回”形缝隙。在X-Ku频段测试频率为8-16GHz时上下表面外正方环形缝隙边长为7.2毫米，宽度为0.4毫米，内正方环形缝隙边长为5.0毫米，宽度为0.4毫米，内外正方环形缝隙的间距为1.1毫米。板材为介电常数为2.65的F4B材料，其介质层厚度为1.0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。
本发明的制造过程为：首先在选取对应参数的基片，在基片的上下两个金属面上蚀刻出中心位置重合，尺寸分别对应外正方环形缝隙尺寸和内正方环形缝隙尺寸的槽。最后在基片上围绕每个周期性双正方环形型缝隙单元，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缝隙谐振特性和金属腔体结构的腔体谐振特性。由于单层基片厚度远小
于基片集成波导形成的腔体的宽边，所以它对于腔体的谐振影响很小，所以选择薄基片可以大大减小整个频率选择表面的厚度。选择合适的内外正方环形缝隙的尺寸，可以调节两个通带的位置以及通带间的间隔，从而形成具有单边陡降滤波特性的双通带频率选择表面。整个频率选择表面完全由普通的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X-Ku波段所实现了以上介绍的基于基片集成波导技术具有双通带单边陡降特性新型双通带频率选择表面，介质基片的相对介电常数εr和结构几何参数(见图1、2、3、4)如下：
| P(mm)L1(mm)W1(mm)h(mm)d(mm)g(mm) | 15.07.20.41.01.01.1 | C(mm)L2(mm)W2(mm)mh(mm)dp(mm)εr | 15.05.00.40.0361.52.65 |
图5到图7为其测试结果以及和仿真结果的对比。
Claims (4)
1.一种双通带频率选择表面，其特征在于基片为具有双面金属面的介质基片(4)，在双面金属面(1)上刻尺寸相同的外正方环形缝隙槽(2)和中心位置与之重合的内正方环形缝隙槽(3)，最后在基片上面围绕每个周期性外正方环形缝隙单元(2)以均匀的间隔设有一系列金属化通孔(5)，形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。
2.根据权利要求1所述的双通带频率选择表面，其特征在于用于将平面波从空间耦合到腔体再从腔体耦合到空间而在双面金属面(1)蚀刻的双正方环形缝隙关于长宽两个方向完全对称的
形缝隙。
3.根据权利要求1所述的双通带频率选择表面，其特征在于该双通带频率选择表面在X-Ku频段测试频率为8-16GHz时，双面金属面(1)外正方环形缝隙边长为7.2毫米，宽度为0.4毫米，内正方环形缝隙边长为5.0毫米，宽度为0.4毫米，内外正方环形缝隙的间距为1.1毫米；使用介质基片为介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为1.0毫米。
4.根据权利要求1所述的双通带频率选择表面，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。
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