CN108963395A - 一种小型化带阻型频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型化带阻型频率选择表面，用于解决现有技术存在的小型化程度较低的技术问题，包括M×N个周期排列的频率选择表面单元，该单元包括上下层叠的第一、第三和第二介质板，第一介质板上表面、第二介质板下表面各设有两个矩形环结构的第一开口金属环，第二介质板的开口金属环位于第一介质板的开口金属环在第二介质板下表面投影并旋转90度位置；第三介质板上下表面各设有四个“U”型结构的第二开口金属环，下表面开口金属环位于上表面开口金属环向下的投影位置；第一与第三、第三与第二介质板的开口金属环之间以及第三介质板上下表面的开口金属环之间通过金属通孔连接。

Description

一种小型化带阻型频率选择表面

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种小型化带阻型频率选择表面，可用于为卫星通信、反射面天线等诸多对频率选择表面的小型化有严格要求的场景。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种由谐振单元周期排列组成的二维周期结构，按功能可分为带通型和带阻型，带通型频率选择表面多为金属孔径，带阻型频率选择表面多为金属贴片。这些特性使得频率选择表面在空间滤波器、天线反射器等民用领域的应用十分广泛。然而，频率选择表面在上述领域内应用时面临一个突出的问题，即在有限区域内使用频率选择表面时，如果频率选择表面的单元尺寸比较大时，有限区域内的单元个数就会比较少，会影响频率选择表面的相关性能，例如：频率选择表面对入射波入射角的低敏感性会恶化。因此，频率选择表面单元尺寸的小型化是近年来的一个研究热点。

针对频率选择表面的小型化，国内也出现了比较新颖的频率选择表面小型化单元结构，如授权公告号CN 104064840 B，名称为“小型化带阻型频率选择表面”的中国专利，公开了一种小型化带阻型频率选择表面，包括位于介质基板上下表面的各两个开口方向相对的开口金属环，且在电磁波入射方向上相互垂直交错，并由四个金属通孔将金属环的开口端对应上下连接，该设计的结构尺寸虽在一定程度上实现了小型化，但是该设计结构尺寸仅仅能达到0.05个谐振波长，频率选择表面的小型化程度不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种小型化带阻型频率选择表面，用于解决现有频率选择表面存在的小型化程度较低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括M×N个周期排列的频率选择表面单元，M≥5，N≥5，所述频率选择表面单元，包括上下层叠形状为矩形的第一介质基板1和第二介质基板2；所述第一介质基板1的上表面和第二介质基板2的下表面分别印制有两个开口相对的第一开口金属环3，所述两个第一开口金属环3的四个开口端的端点到所在介质板板面一组对边的中心连线和另一组对边的中心连线的距离相等，其中第二介质基板2上的两个第一开口金属环3，位于第一介质基板1上的两个第一开口金属环3在该第二介质基板2下表面上的投影并旋转90度的位置；

所述第一开口金属环3，采用向内设置有凹陷结构的环形金属条带结构；

所述第一介质基板1与第二介质基板2之间，设置有形状为矩形的第三介质基板4，该三块介质板1，4，2形成自上而下排列的层叠结构；

所述第三介质基板4的上表面和下表面各印制有四个关于该第三介质基板4中心法线旋转对称的第二开口金属环5，且下表面上的四个第二开口金属环5位于上表面上的四个第二开口金属环5向下投影位置，上表面上的第二开口金属环5远离介质基板中心的四个端点与下表面对应位置的端点之间通过金属化通孔6上下连接；

所述第一介质基板1上的四个端点，与该四个端点在第三介质基板4上表面投影位置处的四个第二开口金属环5靠近介质基板中心的端点之间通过金属化通孔6连接；所述第二介质基板2上的四个端点，与该四个端点在第三介质基板4下表面投影位置处的四个第二开口金属环5靠近介质基板中心的端点之间通过金属化通孔6连接。

上述小型化带阻型频率选择表面，所述第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板4，均采用边长为t、厚度为h的正方型板材，t＝4.6mm～6mm，h＝0.5mm～1mm。

上述小型化带阻型频率选择表面，所述第二开口金属环5，为规则或不规则的“U”型金属条带，金属条带的宽度为w＝0.1mm～0.6mm，“U”型金属条带两个端点之间的连线与该“U”型金属条带开口方向所对的第三介质基板4一组对边的中心连线平行。

上述小型化带阻型频率选择表面，所述第一开口金属环3，采用矩形环结构，环的线宽为w＝0.1mm～0.6mm，该第一开口金属环3上的开口位于矩形环一组对边的一个边上，开口的宽度为d＝0.4mm～1.5mm，另一组对边上设置有规则或不规则的向内凹陷的矩形结构。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明第一与第三介质基板上的开口金属环之间、第三介质基板上下表面上的开口金属环之间以及第三与第二介质基板上的开口金属环之间通过金属通孔连接，增加了频率选择表面单元的电感和电容，且第一开口金属环设置的凹陷结构，为频率选择表面单元增加了电感，较大的电感和电容能够降低频率选择表面单元的尺寸，与现有技术相比，有效提高了频率选择表面的小型化效果。

附图说明

图1为本发明频率选择表面单元的整体结构示意图；

图2为本发明第一介质基板及其上表面印制的第一开口金属环的结构示意图；

图3为本发明第三介质基板及其上下表面印制的第二开口金属环的结构示意图；

图4为本发明实施例1传输系数的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

参照图1，一种小型化带阻型频率选择表面，所述频率选择表面单元，包括上下层叠的第一介质基板1和第二介质基板2；所述第一介质基板1与第二介质基板2之间，设置有第三介质基板4，该三块介质板形成自上而下排列的层叠结构。

所述第一介质基板1的上表面和第二介质基板2的下表面分别印制有两个开口相对的第一开口金属环3，所述同一介质板板面两个第一开口金属环3的四个开口端到所在介质板板面一组对边的中心连线和另一组对边的中心连线的距离相等，其中第二介质基板2上的两个第一开口金属环3，位于第一介质基板1上的两个第一开口金属环3在该第二介质基板2下表面上的投影并旋转90度的位置，由于二者的关系是相互的，第一介质基板1上的两个第一开口金属环3，位于第二介质基板3上的两个第一开口金属环3在该第一介质基板1上表面上的投影并旋转90度的位置，每个第一开口金属环3均连接有焊盘。

所述第三介质基板4的上表面和下表面各印制有四个关于该第三介质基板4中心法线旋转对称的第二开口金属环5，且下表面上的四个第二开口金属环5位于上表面上的四个第二开口金属环5向下投影位置，每个第二开口金属环5均连接有焊盘。

所述第三介质基板4上表面上的四个第二开口金属环5靠近该第三介质基板4中心法线的端点所连接的焊盘位于第一介质基板1上四个开口端所连接的焊盘的向下投影位置，与第一介质基板1上四个开口端所连接的焊盘之间通过金属化通孔6上下对应连接；所述第三介质基板4上表面和下表面上四个第二开口金属环5远离第三介质基板4中心法线的端点所连接的焊盘之间通过金属化通孔6上下对应连接。

所述第三介质基板4下表面上的四个第二开口金属环5靠近该第三介质基板4中心法线的端点所连接的焊盘位于第二介质基板2上四个开口端所连接的焊盘的向上投影位置，与第一介质基板1上四个开口端所连接的焊盘之间通过金属化通孔6上下对应连接。

参照图2，所述第一介质基板1采用相对介电常数为4.4的正方型板材，长度为t＝5.2mm，厚度为h＝0.7mm。

所述第一介质基板1上表面的两个开口相对的第一开口金属环3采用矩形环结构，该的一组对边上设置有规则或不规则的向内矩形凹陷结构，在另一组对边的其中一个边上设置有开口，在本实施例1中，该矩形环结构的金属方环的一组对边上设置有规则的向内矩形凹陷结构，其中，凹陷结构部分的宽度为c＝0.4mm，凹陷结构部分的深度n＝1.5mm，矩形环线宽为w＝0.2mm，且矩形环无设置凹陷结构和开口的环边p＝5mm，到邻近介质基板边缘的距离为0.1mm。

所述第一介质基板1上表面的两个开口相对的第一开口金属环3开口端均连接有焊盘，第一介质基板1上表面的四个焊盘与第一介质基板1内部的四个金属通孔6连接，金属通孔6的横截面圆直径均为d2＝0.3mm，焊盘的直径d1＝0.4mm，该环的向内凹陷结构部分，为频率选择表面单元提供了较大的电感，实现小型化的目的。

参照图3，所述第三介质基板4的上表面和下表面各印制有四个关于该第三介质基板4中心法线旋转对称的第二开口金属环5，且下表面上的四个第二开口金属环5位于上表面上的四个第二开口金属环5向下投影位置；第三介质基板4同一表面的另外三个第二开口金属环5可由该第二开口金属环5绕第三介质基板4中心法线依次旋转90°而得到。

所述第二开口金属环5为规则或不规则的“U”型金属条带，在本实施例中，第二开口金属环5为规则的“U”型金属条带，“U”型金属条带两个端点之间的连线与该“U”型金属条带开口方向所对的第三介质基板4一组对边的中心连线平行，第二开口金属环5的两个端点之间距离为l＝2.2mm，第二开口金属环5的直线长度为(l-r)＝1.1mm，到单元边缘距离距介质板板边较近的为0.1mm，圆弧部分的半径为r＝1.1mm。

所述第三介质基板4上表面和下表面上各印制有四个第二开口金属环5，同一介质基板表面远离第三介质基板4中心法线的四个开口端点均连接焊盘，第三介质基板4不同侧面的焊盘之间通过四个金属通孔6上下对应连接，第三介质基板4上下表面印制的第二开口金属环5与第三介质基板4内部的金属通孔6的结构，为频率选择表面单元提供了较大的电容和电感，减小了单元尺寸，实现小型化的目的。

实施例2，本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：

第一介质基板1、第三介质基板4和第二介质基板2均采用长度为t＝6mm，厚度为h＝1mm，同一介质基板板面的两个第一开口金属环3的对应开口端之间的距离为d＝0.4mm，长度为p＝5.8mm，线宽为w＝0.1mm，第二开口金属环5线宽w＝0.1mm。

实施例3，本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：

第一介质基板1、第三介质基板4和第二介质基板2均采用长度为t＝4.6mm，厚度为h＝0.5mm，同一介质基板板面的两个第一开口金属环3的对应开口端之间的距离为d＝1.5mm，长度为p＝4.4mm，线宽为w＝0.6mm，第二开口金属环5线宽w＝0.6mm。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和仿真内容：

仿真利用商业软件HFSS_15.0；

仿真1，对本发明实施例1中的TE波从入射角0°～70°的传输系数曲线进行仿真，其结果如图4(a)所示；

仿真2，对本发明实施例1中的TM波从入射角0°～70°的传输系数曲线进行仿真，其结果如图4(b)所示；

2、仿真结果分析：

参照图4(a)和(b)，分别是对于TE波和TM波从入射角0°～70°的传输系数曲线，可以看到在1.85GHz频率附近产生了阻带，对应自由空间波长162mm，本发明提出的频率选择表面在该实施例中单元尺寸是0.032个谐振波长，这里谐振波长为电磁波在自由空间传播的波长。通过以上仿真结果说明，本发明提出的频率选择表面，进一步实现了频率选择表面单元结构的小型化目的。

本发明所提出的频率选择表面可以在三层介质基板上制作，工艺简单，单元结构设计容易，成本低廉。利用金属化通孔连接各层介质基板表面的开口金属环可以使得该频率选择表面的周期单元具有较大的电感和电容，单元中心对称分布的金属化通孔则提供了较大的电感，电感电容谐振使得本发明提供的频率选择表面具有带阻特性；另外，较大的电感、电容使得单元尺寸得到了缩小，使得本发明提供的小型化带阻型频率选择表面对电磁波的入射角具有低敏感性，同时第一介质基板上表面的一对开口金属环和第二介质基板下表面的一对开口金属环从电磁波入射方向看相互垂直，使得本发明提供的小型化带阻型频率选择表面对电磁波的极化具有低敏感性。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，再了解接本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理和结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围内。

Claims (4)

1.一种小型化带阻型频率选择表面，包括M×N个周期排列的频率选择表面单元，M≥5，N≥5，所述频率选择表面单元，包括上下层叠形状为矩形的第一介质基板(1)和第二介质基板(2)；所述第一介质基板(1)的上表面和第二介质基板(2)的下表面分别印制有两个开口相对的第一开口金属环(3)，所述两个第一开口金属环(3)的四个开口端的端点到所在介质板板面一组对边的中心连线和另一组对边的中心连线的距离相等，其中第二介质基板(2)上的两个第一开口金属环(3)，位于第一介质基板(1)上的两个第一开口金属环(3)在该第二介质基板(2)下表面上的投影并旋转90度的位置；

其特征在于：

所述第一开口金属环(3)，采用向内设置有凹陷结构的环形金属条带结构；

所述第一介质基板(1)与第二介质基板(2)之间，设置有形状为矩形的第三介质基板(4)，该三块介质板(1，4，2)形成自上而下排列的层叠结构；

所述第三介质基板(4)的上表面和下表面各印制有四个关于该第三介质基板(4)中心法线旋转对称的第二开口金属环(5)，且下表面上的四个第二开口金属环(5)位于上表面上的四个第二开口金属环(5)向下投影位置，上表面上的第二开口金属环(5)远离介质基板中心的四个端点与下表面对应位置的端点之间通过金属化通孔(6)上下连接；

所述第一介质基板(1)上的四个端点，与该四个端点在第三介质基板(4)上表面投影位置处的四个第二开口金属环(5)靠近介质基板中心的端点之间通过金属化通孔(6)连接；所述第二介质基板(2)上的四个端点，与该四个端点在第三介质基板(4)下表面投影位置处的四个第二开口金属环(5)靠近介质基板中心的端点之间通过金属化通孔(6)连接。

2.根据权利要求1所述的小型化带阻型频率选择表面，其特征在于，所述第一介质基板(1)、第二介质基板(2)和第三介质基板(4)，均采用边长为t、厚度为h的正方型板材，t＝4.6mm～6mm，h＝0.5mm～1mm。

3.根据权利要求1所述的小型化带阻型频率选择表面，其特征在于，所述第二开口金属环(5)，为规则或不规则的“U”型金属条带，金属条带的宽度为w＝0.1mm～0.6mm，“U”型金属条带两个端点之间的连线与该“U”型金属条带开口方向所对的第三介质基板(4)一组对边的中心连线平行。

4.根据权利要求1所述的小型化带阻型频率选择表面，其特征在于，所述第一开口金属环(3)，采用矩形环结构，环的线宽为w＝0.1mm～0.6mm，该第一开口金属环(3)上的开口位于矩形环一组对边的一个边上，开口的宽度为d＝0.4mm～1.5mm，另一组对边上设置有规则或不规则的向内凹陷的矩形结构。