CN1949586A - 切比雪夫滤波特性频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
切比雪夫滤波特性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，在于用两层微波板材层压制造成频率选择表面的多层基片，该多层基片包括上下表面的金属面(1)和中间层金属面(2)，在该三层金属面之间的空隙填充有上下两层介质层(5)；同时在上下表面的金属面(1)上开尺寸相同的大正方环形缝隙槽(3)，在中间金属面上蚀刻与上下表面的大正方环形缝隙槽中心位置重合的另一尺寸的小正方环形缝隙槽(4)；最后在层压好的基片上面围绕每个周期性正方环形缝隙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。该结构对于入射波的角度和极性的变化具有稳定的通带和选择特性。
Description
技术领域
本发明是一种基于基片集成波导腔体级联的新型具有切比雪夫滤波特性的超薄频率选择表面，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，但介质层厚度约为工作频段中心频率对应波长的四分之一，这使得整个FSS结构厚度非常大，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于基片集成波导腔体级联形成具有超薄切比雪夫滤波特性频率选择表面，这种频率选择表面在工作频段性能稳定性好，厚度大大减小，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体积得到极大的缩减，性能稳定性好。
技术方案：基于基片集成波导技术的新型超薄切比雪夫滤波特性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，超薄切比雪夫滤波特性频率选择表面用两层微波板材层压制造成频率选择表面的多层基片，该多层基片包括上下表面的金属面和中间层金属面，在该三层金属面之间的空隙填充有上下两层介质层；同时在上下表面的金属面上开尺寸相同的大正方环形缝隙槽，在中间金属面上蚀刻与上下表面的大正方环形缝隙槽中心位置重合的另一尺寸的小正方环形缝隙槽；最后在层压好的多层基片上面围绕每个周期性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。在上下表面的金属面蚀刻的大正方环形缝隙槽是关于长宽两个方向完全对称的“□”形缝隙，用于将平面波耦合到腔体；用于将一个腔体中的电磁波耦合到另一个腔体而在中间金属面蚀刻的小正方环形缝隙槽是关于长宽两个方向完全对称的“□”形缝隙。上下表面的金属面的大正方环形缝隙槽在Ka频段中心频率为30GHz时，边长为3.12毫米，宽度为0.16毫米，中间金属面的小正方环形缝隙槽边长为0.67毫米，宽度为0.06毫米；使用介质基片为介电常数为2.2的Rogers5880材料，其厚度为0.254毫米。金属化通孔的直径为0.4毫米，金属化通孔阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为0.6毫米。
这种频率选择表面在传统周期性结构的基础上引入了由基片集成波导技术形成的腔体结构，改变了传统多屏级联方式之间场的分布，大幅度的减小了中间充填介质层的厚度，从而大大减小了整个结构的体积。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，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。
工作原理为：平面波入射到频率选择表面后，周期性的正方环形缝隙将工作频段的平面波耦合到腔体里面，再通过中间金属层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两个腔体的选择性传输，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：基于基片集成波导技术形成的切比雪夫滤波特性的超薄新型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切比雪夫滤波特性频率选择表面相比体积得到极大的缩减，性能稳定性好，厚度仅为传统的多屏平面级联方式形成的频率选择表面的六分之一。
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正方环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为上下金属表面正方环形缝隙的边长，Lm为中间金属层上耦合正方环形缝隙的边长，W为上下金属表面正方环形缝隙的宽度，Wm为中间金属层上耦合正方环形缝隙的宽度，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，中间层金属面2，上下金属表面上开的周期性正方环形缝隙单元3，中间层金属表面上开的周期性正方环形耦合缝隙单元4，中间介质层5，金属化通孔6。
图4是本发明应用于Ka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
超薄切比雪夫滤波特性频率选择表面使用两层微波板材用多层印刷电路板工艺层压制成。它的上下表面和中间层为金属面，三层金属中间由介质充填构成。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正方环形缝隙单元，中间层金属面上刻有与上下金属表面缝隙尺寸不同但中心位置重合且周期长度相同的周期性正方环形缝隙单元。在三层金属面和两层介质层压制成的基片上，围绕每个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上下级联的基片集成波导腔体。在上下金属表面蚀刻的正方环形缝隙为关于长宽两个方向完全对称的“□”形缝隙。在Ka频段中心频率为30GHz时上下表面大正方环形缝隙边长为3.14毫米，宽度为0.16毫米，中间层小正方环形缝隙边长为0.67毫米，宽度为0.06毫米。板材为介电常数为2.2的Rogers5880，其介质层厚度为0.254毫米，金属层厚度为0.018毫米。金属化通孔的直径为0.4毫米，金属化通孔阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为0.6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：首先在选取两个介质基片，在其中一个基片的上下两个金属面上蚀刻尺寸分别对应外表面和中间层的正方环形缝隙，在另一个基片上一侧的金属面开尺寸对应于外表面的正方环形缝隙槽，另一侧的金属面全部剥掉。然后将第一个基片开对应中间层尺寸正方环形缝隙槽的一面和第二个基片没有金属层的这一面叠在一起进行层压。最后在层压好的基片上围绕每个周期性正方环形缝隙单元，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。这种频率选择表面在传统周期性结构的基础上引入了等效于金属腔体结构的场分布特点，有效的缩减了级联金属平面间充填的介质层的厚度。选用超薄的介质基片可以大大减小整个频率选择表面的厚度。选择合适的中间层耦合正方环形缝隙的尺寸，可以调节上下两个腔体耦合量，从而形成具有切比雪夫滤波特性的频率选择表面。整个频率选择表面完全由普通的多层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Ka波段所实现了以上介绍的基于基片集成波导技术具有切比雪夫响应的超薄频率选择表面，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：
| P(mm) | 6.0 | C(mm) | 6.0 |
| L(mm) | 3.14 | Lm(mm) | 0.67 |
| W(mm) | 0.16 | Wm(mm) | 0.06 |
| h(mm) | 0.254 | mh(mm) | 0.018 |
| d(mm) | 0.4 | dp(mm) | 0.6 |
| εr | 2.2 |
图5到图7为其测试结果以及和仿真结果的对比。
Claims (4)
1.一种切比雪夫滤波特性频率选择表面，其特征在于用两层微波板材层压制造成频率选择表面的多层基片，该多层基片包括上下表面的金属面(1)和中间层金属面(2)，在该三层金属面之间的空隙填充有上下两层介质层(5)；同时在上下表面的金属面(1)上开尺寸相同的大正方环形缝隙槽(3)，在中间金属面(2)上蚀刻与上下表面的大正方环形缝隙槽(3)中心位置重合的另一尺寸的小正方环形缝隙槽(4)；最后在层压好的多层基片上面围绕每个周期性正方环形缝隙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。
2.根据权利要求1所述的切比雪夫滤波特性频率选择表面，其特征在于在上下表面的金属面(1)蚀刻的大正方环形缝隙槽(3)是关于长宽两个方向完全对称的“□”形缝隙，用于将平面波耦合到腔体；用于将一个腔体中的电磁波耦合到另一个腔体而在中间金属面(2)蚀刻的小正方环形缝隙槽(4)是关于长宽两个方向完全对称的“□”形缝隙。
3.根据权利要求1所述的切比雪夫滤波特性频率选择表面，其特征在于上下表面的金属面(1)的大正方环形缝隙槽(3)在Ka频段中心频率为30GHz时，边长为3.12毫米，宽度为0.16毫米，中间金属面(2)的小正方环形缝隙槽(4)边长为0.67毫米，宽度为0.06毫米；使用介质基片为介电常数为2.2的Rogers5880材料，其厚度为0.254毫米。
4.根据权利要求1所述的切比雪夫滤波特性频率选择表面，其特征在于金属化通孔(6)的直径为0.4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0.6毫米。
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