CN210489832U - 一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其特征在于，包括复合层和等离激元电感层，复合层设置在等离激元电感层的两侧，复合层包括介质基板和金属层，金属层设置在介质基板上，且金属层包括外环层和内环层，外环层套装在内环层外并于内环层间隔设置。本实用新型通过采用金属层和介质基板构建一个非共振低频带通结构，并将复合层上的金属层设置为外环层和内环层，利用外环层与内环层的结构形一组共振高频带通结构，从而构建形成双频带通结构；与此同时，本实用新型还在等离激元电感层上，利用金属板层与介质板，通过将金属板层设计成为左部与右部的结构，两者之间的错位设计，从而实现其表面的等离激元的性能优化。

Description

一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面

技术领域

本实用新型涉及微波技术领域，更具体地，涉及一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面。

背景技术

无线设备的广泛覆盖，造成频谱资源使用紧张，多频通信成为现代无线通信中迅速发展的方向，随之而来的则是不同频段设备之间的相互干扰。由于FSS可以有效屏蔽带外信号，在许多应用场景下，采用多频段FSS可以将不同的多频通信系统分离开，隔绝带外信号干扰，形成良好的通信环境。因此多频段FSS研究具有非常重要的意义。

多频段频率选择表面的设计，一般可用多层级联的方式，但是单元层数的增加，以及响应特性要求的升高可能会给多频设计带来困难，因此传统设计中常常采用多谐振单元和分形这两种技术，通过单元中较大的图形部分或高阶分形部分谐振产生低频通带，通过较小图形部分或一阶分形部分谐振产生高频通带，在一定条件下可以使单屏FSS结构具有多频特性，相对于多层的复杂FSS结构，其制作工艺简单，工程难度较低。然而，根据FSS具有稳定滤波特性的条件是使FSS工作波长大于衍射边缘波长(衍射边缘波长与单元周期相关)。当通带间隔较远时，高次谐振通带很难满足稳定滤波条件；另外，同一单元中不同图形所产生的谐振模式间存在复杂的相互作用，使FSS极易出现模式互作用零点和栅瓣，影响其滤波特性，尤其在扫描角度较大时，也难以产生稳定理想的高次谐振通带。采用其他多层结构的方法往往随着层数的增加，结构也变得越来越复杂，传输特性就变得越敏感，同时也会增加插入损耗。而微扰加载法和遗传算法中所涉及的分析和计算方法非常复杂，且设计和优化周期长。

3D型多频FSS具有更高的设计自由度，并且形式不仅限于上述介质集成波导结构。其优点在于可以更方便的组合一些功能性器件到结构当中，带来FSS的整体性能的提升。但是目前由于缺少行之有效的理论指导，对于3D结构的设计大都是凭借经验和仿真实验的方法来完成。整个设计周期较长，相比之下效率偏低。

综上所述，现有的多频带FSS设计方法均不完善，各自存在缺点和不足。因而，如何合理设计性能优良(谐振频率稳定、带宽满足要求、良好的角度稳定性，“平顶”、“陡截止”特性等)的多频带FSS结构是亟待解决的关键问题。

为了使超材料表面产生的栅瓣尽可能的出现在更高的频率，避免其对高频通带的影响，我们需要对超材料结构单元进行小型化设计，其中，通过超材料非共振频率选择结构是实现低频带通小型化的关键技术之一,使其单元尺寸小于高频通带的栅瓣产生条件。在此基础之上，在复合设计一个高频共振带通结构以达到双频带通的效果。

但在实际设计之中，低频非共振结构所必须的等效电感层对高频的通带宽度和带内插损存在不利影响，如何解决上述相互矛盾的技术问题成为目前多频频率选择表面性能提升的关键。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，采用了等效电感结构，低频电流可以正常在表面等离激元结构上传播，而高频电流则无法通过表面等离激元结构，以解决上现有技术问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其特征在于，包括复合层和等离激元电感层，所述复合层设置在所述等离激元电感层的两侧，所述复合层包括介质基板和金属层，所述金属层设置在介质基板上，且所述金属层包括外环层和内环层，所述外环层套装在所述内环层外并于所述内环层间隔设置；所述等离激元电感层包括介质板和金属板层，所述金属板层嵌入至所述介质板的边缘处，所述金属层包括上部、下部、左部和右部，所述上部和所述下部处于第一平面，所述左部和所述右部处于第二平面，且所述上部和所述右部均由多个呈矩形的金属单体间隔排列形成。

在上述方案基础上优选，所述介质基板的面积大于所述金属层的面积。

在上述方案基础上优选，所述外环层与所述内环层之间间距为0.5mm。

在上述方案基础上优选，所述第一平面与所述第二平面间隔设置，且所述第一平面与所述第二平面之间的间距为0.2mm。

本实用新型的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，通过采用金属层和介质基板构建一个非共振低频带通结构，并将复合层上的金属层设置为外环层和内环层，利用外环层与内环层的结构形一组共振高频带通结构，从而构建形成双频带通结构；与此同时，本实用新型还在等离激元电感层上，利用金属板层与介质板，通过将金属板层设计成为左部与右部的结构，两者之间的错位设计，从而实现其表面的等离激元的性能优化。

附图说明

图1为本实用新型的基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面的结构示意图；

图2为本实用新型的等离激元电感层的正视图；

图3为本实用新型的等离激元电感层的侧视图；

图4为本实用新型的第一平面的剖视图；

图5为本实用新型的第二平面的剖视图；

图6为本实用新型的复合层的正视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

鉴于多频超材料频率选择表面在设计时极易出现模式互作用零点和栅瓣，影响其滤波特性，尤其在扫描角度较大时，也难以产生稳定理想的高次谐振通带。

栅瓣产生的最低频率f_g0是当入射波掠过超材料表面，亦即η＝90°，则产生：出现栅瓣的条件

显然栅瓣产生的最低频率只依赖于入射角η和单元尺寸D_x，与其他任何参数(c为光速、n为一个非零自然数)都无关。

为了使超材料表面产生的栅瓣尽可能的出现在更高的频率，避免其对高频通带的影响，需要对超材料结构单元进行小型化设计，其中，通过超材料非共振频率选择结构是实现低频带通小型化的关键技术之一,使其单元尺寸小于高频通带的栅瓣产生条件。在此基础之上，在复合设计一个高频共振带通结构以达到双频带通的效果。

但在实际设计之中，低频非共振结构所必须的等效电感层对高频的通带宽度和带内插损存在不利影响，为了减少这种影响，本实用新型采用了一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，利用低频电流可以正常在表面等离激元结构上传播，而高频电流则无法通过表面等离激元结构原理，设计了以下结构。

具体请参阅图1，并结合图2、图3、图4、图5和图6所示，本实用新型的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，包括复合层10和等离激元电感层20，复合层10设置在等离激元电感层20的两侧，复合层10包括介质基板11和金属层12，金属层12设置在介质基板11上，且金属层12包括外环层13和内环层14，外环层13套装在内环层14外并于内环层14间隔设置；等离激元电感层20包括介质板21和金属板层22，金属层22包括上部26、下部27、左部25和右部24，上部26和下部27垂直设置处于第一平面，左部25和右部24垂直设置处于第二平面，上部26、下部27、左部25和右部24构成矩形框状结构，且上部26和右部24均由多个呈矩形的金属单体间隔排列形成，第一平面与第二平面间隔设置，且第一平面与第二平面之间的间距为0.2mm。

使用时，金属层12在介质基板11上形成了一个非共振低频带通结构，金属层12两侧加载介电常数为4.3、厚度为0.5mm的FR-4介质基板11。其-1dB通带为2.95GHz～4.18GHz，通带内最小插损-0.28dB，并且由于金属层12的外环层13和内环层14间隔式结构设计，形成了一组共振高频带通结构，其-1dB低频通带为2.96GHz～4.00GHz、高频通带为10.17GHz～10.91GHz，通带内最小插损低频-0.31dB，高频-0.12dB。

为了实现性能优化，更好的实现表面等离激元结构，本实用新型将等离激元电感层20上的第一平面与第二平面设计在两个平面上，且第一平面与第二平面之间的间距为0.2mm。

由于电感错位后的双频带通结构，其-1dB低频通带为2.89GHz～4.00GHz、高频通带为10.17GHz～10.97GHz，通带内最小插损低频-0.25dB，高频-0.08dB。最后，将电感线网变为锯齿状的表面等离激元结构，即将右部24上由多个呈矩形的金属单体25间隔排列形成。

优选的，本实用新型介质基板11的面积大于金属层12的面积，外环层13与内环层14之间间距为0.5mm。

值得说明的是，采用本实用新型的基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其-1dB低频通带为2.57GHz～4.06GHz、高频通带为10.05GHz～11.05GHz，通带内最小插损低频-0.04dB，高频-0.01dB。

采用本实用新型的采用表面等离激元以后，其-1dB低频通带扩宽43％、高频通带扩宽35％，通带内最小插损低频改善87％，高频改善92％，效果十分显著。

本实用新型的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，通过采用金属层12和介质基板11构建一个非共振低频带通结构，并将复合层10上的金属层12设置为外环层13和内环层14，利用外环层13与内环层14的结构形一组共振高频带通结构，从而构建形成双频带通结构；与此同时，本实用新型还在等离激元电感层20上，利用金属板层22与介质板21，通过将金属板层22设计成为左部25与右部24的结构，两者之间的错位设计，从而实现其表面的等离激元的性能优化。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其特征在于，包括复合层和等离激元电感层，所述复合层设置在所述等离激元电感层的两侧，所述复合层包括介质基板和金属层，所述金属层设置在介质基板上，且所述金属层包括外环层和内环层，所述外环层套装在所述内环层外并于所述内环层间隔设置；所述等离激元电感层包括介质板和金属板层，所述金属板层嵌入至所述介质板的边缘处内，所述金属层包括上部、下部、左部和右部，所述上部和所述下部处于第一平面，所述左部和所述右部处于第二平面，且所述上部和所述右部均由多个呈矩形的金属单体间隔排列形成。

2.如权利要求1所述的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其特征在于，所述介质基板的面积大于所述金属层的面积。

3.如权利要求1所述的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其特征在于，所述外环层与所述内环层之间间距为0.5mm。

4.如权利要求1所述的一种基于表面等离激元滤波的多频频率选择表面，其特征在于，所述第一平面与所述第二平面间隔设置，其所述第一平面与所述第二平面之间的间距为0.2mm。

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