CN2870195Y

CN2870195Y - 一种频率选择装置

Info

Publication number: CN2870195Y
Application number: CN 200620003575
Authority: CN
Inventors: 李宏强; 魏泽勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2016-01-20

Abstract

本实用新型提供了一种频率选择装置，该装置包含金属层和介质层，该金属层位于该介质层的表面上，该金属层由一个或多个周期性排列的单元组成，每个单元包含由一条或多条连续的线构成的图案，该一条或多条连续的线都以该单元中心附近的一点为起始点，并围绕该点旋转，直到该单元的边缘，其中，在每个单元中，任何一条连续的线自身无任何交点，在包含多条连续的线的情况下，除了起始点外，该多条连续的线之间再无其他交点，且该多条连续的线相对于该起始点旋转对称分布。

Description

一种频率选择装置

技术领域

本实用新型涉及一种频率选择装置，尤其涉及一种具有多个反射和透射频率的频率选择装置。

背景技术

我们知道电磁波可以非常轻松地绕过和它的工作波长相比拟的障碍物，所以天线衬底往往要若干个波长的尺寸才能够有效地阻挡天线向背面的辐射，也就是说传统的天线衬底只能工作在比其尺寸小好多倍的波长范围。

现在出现了一种金属光子晶体型的频率选择装置，它可以工作在比其尺寸大好多的波长范围。这种装置由一金属层和一介质层堆叠而成，在金属层具有由一个或多个周期性排列的单元组成的图案，每个单元具有H型的分型(fractal)图案，其图案如图1所示。这种结构能产生一系列高反和高透的频率，也就是谐振频率点。这些频率对应的波长和这个结构的尺寸相当，甚至可以是这个结构的尺寸的十倍左右。同时，这种装置具有多个高反和高透的频率，也就是说，如果用这种装置来做天线衬底，可以在很多个频率点上工作，而不像传统的天线衬底那样，只有一个谐振频率。

但是，这种装置还是具有一些不足之处，这种装置的各个高反和高透的频率点是呈对数指数分布，也就是说其分布是不均匀的，各谐振频率点之间相隔比较大。有时候我们想得到某一频率范围内的多个谐振频率点，而对于这种结构，由于其谐振频率点呈对数分布，可能在我们想要的频率范围内并不一定能得到多个频率点。而且，由于H型结构本身是各向异性的，因此，这种结构由于其结构本身的限制，其对于两个方向偏振的电磁波来说，谐振频率将不同，也就是说出现各向异性。但是，在很多场合，都要求频率选择装置对于两个方向的偏振的电磁波的谐振频率相同，因此，这种H型图案的频率选择装置就不能应用在这些场合。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种频率选择装置，与现有的H型图案的频率选择装置相比，能得到更多的高反和高透的频率点或频率带。这种频率选择装置可以设计得使谐振频率点是近似线性分布的。本实用新型的频率选择装置可以设计成对两个方向的偏振的电磁波的谐振频率相同，也就是可以得到各向同性的性能，可以被应用在各种需要各向同性的场合。

本实用新型的频率选择装置包含金属层和介质层，该金属层位于该介质层的表面上，该金属层由一个或多个周期性排列的单元组成，每个单元包含由一条或多条连续的线构成的图案，该一条或多条连续的线都以该单元中心附近的一点为起始点，并围绕该点旋转，直到该单元的边缘，其中，在每个单元中，任何一条连续的线自身无任何交点，在包含多条连续的线的情况下，除了起始点外，该多条连续的线之间再无其他交点，且该多条连续的线相对于该起始点旋转对称分布。

本实用新型的频率选择装置具有以下优点：

1.通过设计图案，可以使各谐振频率点为线性分布；

2.能够得到更多的谐振频率点或频带；

3.通过设计图案，可以得到各向同性的性能。

本实用新型的频率选择装置可以在以下场合应用：

A)可用于天线衬底；

B)用于带通型的亚波长滤波器件和慢波结构的延迟线设计；

C)用于多频点的微波吸收材料设计。

D)可以用于天线阵列，提高天线阵元之间的隔离。

用本实用新型的频率选择装置作天线衬底时，对于某些金属(如铝、银等)，当金属层的厚度小于一定值时，所得的频率选择装置对于可见波段的光具有较高的透过率，而在微波波段，具有频率选择的特性。将这种装置贴在手机或显示装置等装置上，可以大幅度抑制在高反频点上背向辐射，减少电磁辐射对使用者的伤害。

附图说明

图1是显示现有的H型图案的频率选择装置的图案的示意图；

图2A和图2B是显示本实用新型的频率选择装置的第一实施例的图案的示意图；

图3是显示本实用新型的频率选择装置的第二实施例的图案的示意图；

图4是显示本实用新型的频率选择装置的第三实施例的图案的示意图；

图5是本实用新型的频率选择装置的第一实施例的平面波透射实验的结果示意图；

图6是本实用新型的频率选择装置的第一实施例的谐振频率点的仿真曲线图；

图7A和图7B是本实用新型的频率选择装置的第一实施例用作天线衬底时，偶极天线的方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。图2A和图2B是显示本实用新型的频率选择装置的第一实施例的图案的示意图。本实用新型的第一实施例的频率选择装置由金属层和介质层组成，在金属层包含一个或多个周期性排列的单元，每个单元包含由一条或多条连续的线构成的图案，该一条或多条连续的线都由各自的首尾依次相连的多段线段构成，该多段线段中任意两条相连的线段之间成90度；在构成任一条连续的线的多段线段中，对于其中任一线段，与该线段相连的两条线段都位于该线段的同一侧；当从起始点出发沿任一条连续的线运行时，所经过的线段的长度沿运行方向依次递增。

在图2A所示的频率选择装置中，金属层由多个周期性排列的正方形单元组成，在图2B所示的频率选择装置中，金属层仅包含一个正方形单元。每个正方形单元中包含由四条连续的线组成的图案，该四条线相交于单元中心的一点，以该点为中心完全对称。如图2A和2B所示，该四条线从该中心点出发，分别沿着正方形四边的方向延伸，延伸一段距离后各逆时针转90度，然后沿着转折后的方向延伸比第一段距离更长的一段距离，再向逆时针转90度，依次类推，直到单元的边缘。我们将每次90度的转向定义为一级，图2A和2B所示的是7级的图案。具体做几级的图案，以及每次延伸多长的距离再转向，可以根据具体的要求进行设计，以满足不同应用场合的需要。在图2所示的实施例中，这四条线是由金属组成，其余部分镂空。

用图2所示的频率选择装置，可以得到多个近似线性分布的高透和高反的频率点，而且比起现有的分型结构的频率选择装置，可以得到更多的高透和高反的频率点。从图2A和图2B可以看出，该频率选择装置的图案本身是对称的，因此，对于两个方向的偏振的电磁波的谐振频率相同，呈各向同性。图5是用图2B所示的频率选择装置的第一实施例的平面波透射实验的结果示意图。该正方形单元的尺寸为32mm×32mm，介质层的厚度为0.8mm，金属层的厚度为0.035mm，单元中的四条线的宽度为1mm左右，两条相邻的线之间的空隙的宽度也是1mm左右。在图5中，连续的细线为理论模拟的结果，由多个数据点连成的线为实验的结果。从图5可以看出，该实施例可以得到如下高反频率点：1.50，2.65，4.02，5.04，6.38，7.22(GHz)，同时可以得到如下高透频率点：1.68，3.36，4.56，5.46，6.65，7.64(GHz)。可以看出，这些高反和高透的频率点基本呈线性分布。如果将图2A和图2B的每个图案中的四条线的部分改为镂空或用介质层的介质填充，其他部分用金属组成，那么对于这样得到的装置，上述高反的频率点就变成了高透的频率点，上述高透的频率点就变成了高反的频率点。如果周期性排列无穷多个图2B所示的图案，这时所得的装置可以得到完全线性分布的谐振频率点。图6是本实用新型的频率选择装置的第一实施例的谐振频率点的仿真曲线图。如图6所示，通过仿真计算，可以得到1-7级的图案的谐振频率点，从仿真结果可以看出，级数越高，得到的各谐振频率点就越靠近，我们就能在一个频段内得到越多我们需要的谐振频率点。

关于实现亚波长衬底反射的原理，可以这样理解：对于一个近场的小天线(例如电偶极子)来说，单个的上述实施例一中的单元在电谐振频率处由于和这个小天线的强烈耦合形成驻波形态的表面电流振荡，这个感应的电流振荡可以被理想地等效为一个感应电偶极子，两个电偶极子之间的位相差τ≯为一个[0，π]之间的正值，满足τ≯+kd＝π，k为波矢，d是两者之间的距离。为了实现一个紧凑结构的单向波源，可以不用通过移相器和主动馈电的方式来，利用合适的结构放在天线的近场区，如果该结构收到天线的激励，形成电谐振，则能够形成亚波长的反射。本实用新型的结构就是能实现亚波长反射的结构。

图7A和图7B是本实用新型的频率选择装置的第一实施例用作天线衬底时，偶极天线的方向图。图7A是偶极天线在1.50GHz的方向图，图7B是偶极天线在2.65GHz的方向图。该实验中使用的是16mm长的平行放置在实施例一的频率选择装置前的偶极子天线，天线与衬底间的距离为15mm。从图7A和7B可以看出，如果以第一实施例的频率选择装置作为天线衬底，在图7A和图7B所示的各个高反频率点上，天线的方向图的后瓣可以被有效地抑制，与自由空间的天线相比，用了这种天线衬底后，增益至少高3dB。当金属层的厚度小于一定值(如30nm左右)时，对于某些金属(如铝、银等)，这种天线衬底对于可见波段的光具有较高的透过率，而在微波波段，仍具有频率选择的特性，将这种天线衬底贴在手机或显示装置等装置上，可以大幅度抑制在高反频点上背向辐射，减少电磁辐射对使用者的伤害。可见，本实用新型的优点之一就是：天线尺寸大于单个结构时也能达到理想反射的效果。

上述实施例只是本实用新型的频率选择装置的一个较佳实施例，本实用新型的频率选择装置还可以有其他很多结构。各个单元中的图案不限于上述的第一实施例的形状，图3、图4分别是显示本实用新型的频率选择装置的第二、第三实施例的图案的示意图，在第二实施例中，金属层由单个正方形的单元组成，该单元中包含由两条曲线组成的图案，该两条曲线的形状符合阿基米德螺线分布。阿基米德螺线在极坐标中的方程为：ρ＝ρ₀+aφ。在第三实施例中，金属层由单个正方形的单元组成，该单元中包含由两条曲线组成的图案，该两条曲线的形状符合等角螺线分布。等角螺线在极坐标系中的方程为：ρ＝ρ₀e^aφ。如果用图3和4所示的频率选择装置做平面透射实验，可以得到多个高反和高透的频带。此外，根据巴彼涅互易原理，对于实施例二和三的频率选择装置也可以采用与其结构的互补结构来实现，即将图案部分改成镂空或用介质层的介质填充，而剩余部分由金属组成，如果用R.T来表示原来频率选择装置的反射率和透过率，则这种互补的频率选择装置的反射率和透射率R′，T′满足R′＝T；T′＝R的关系。

本实用新型的频率选择装置还可以有很多变化例，在介质层的另一侧的表面上，还可以有一金属层，该金属层可以完全由金属填充，也可以由周期性或非周期性的金属栅格组成。另外，频率选择装置还可以包含如两个实施例一的频率选择装置，使其中的两个介质层相互靠近，在这两个介质层中间，再间隔一金属层，该金属层可以完全由金属填充，也可以由周期性的金属栅格组成。

上述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，本技术领域的专业人员可以在不脱离本实用新型的范围和精神的前提下，对实施例进行各种修改，这种修改均属于本实用新型的范围内。

Claims

1.一种频率选择装置，其特征在于，包含金属层和介质层，该金属层位于该介质层的表面上，该金属层由一个或多个周期性排列的单元组成，每个单元包含由一条或多条连续的线构成的图案，该一条或多条连续的线都以该单元中心附近的一点为起始点，并围绕该点延伸，直到该单元的边缘，其中，在每个单元中，任何一条连续的线自身无任何交点，在包含多条连续的线的情况下，除了起始点外，该多条连续的线之间再无其他交点，且该多条连续的线相对于该起始点旋转对称分布。

2.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述金属层的每个单元中，所述一条或多条连续的线由金属构成，其他部分镂空。

3.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述金属层的每个单元中，所述一条或多条连续的线镂空，其他部分由金属构成。

4.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述金属层的每个单元中，所述一条或多条连续的线由所述介质层的介质构成，其他部分由金属构成。

5.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述金属层的每个单元中，所述一条或多条连续的线为阿基米德螺线。

6.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述金属层的每个单元中，所述一条或多条连续的线为等角螺线。

7.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述金属层的每个单元中，所述一条或多条连续的线都由各自的首尾依次相连的多段线段构成，该多段线段中任意两条相连的线段之间成90度；在构成任一条连续的线的多段线段中，对于其中任一线段，与该线段相连的两条线段都位于该线段的同一侧；当从所述起始点出发沿任一条连续的线运行时，所经过的线段的长度沿运行方向依次递增。

8.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述介质层的另一表面上还有一金属层，该金属层完全由金属填充。

9.如权利要求1所述的频率选择装置，其特征在于，在所述介质层的另一表面上还有一金属层，该金属层由金属栅格组成。

10.一种频率选择装置，其特征在于，包含两个如权利要求1所述的频率选择装置，两个所述的频率选择装置堆叠在一起，两个所述的介质层相互靠近，在两个所述的介质层中间，还间隔一金属层，该金属层完全由金属填充。

11.一种频率选择装置，其特征在于，包含两个如权利要求1所述的频率选择装置，两个所述的频率选择装置堆叠在一起，两个所述的介质层相互靠近，在两个所述的介质层中间，还间隔一金属层，该金属层由周期性的金属栅格组成。