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CN116683192A - 一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面 - Google Patents

一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面 Download PDF

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CN116683192A CN202310809939.1A CN202310809939A CN116683192A CN 116683192 A CN116683192 A CN 116683192A CN 202310809939 A CN202310809939 A CN 202310809939A CN 116683192 A CN116683192 A CN 116683192A
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Abstract

本发明涉及人工电磁结构技术领域，具体公开一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，包括多个结构单元，所述结构单元包括耦合介质基底、金属贴片以及编织结构，所述耦合介质基底的表面设置有所述金属贴片以及所述编织结构。本发明通过在Nader Behdad提出的传统MFSS基础上，引入针织结构替换传统的金属线框，不仅在保持MFSS单元周期尺寸不变的情况下增大了整体的等效电感L，而且引入的针织结构破坏了表面波的谐振回路，在斜入射TM极化下没有表面波出现在通带或过渡带内，从而改善了滤波特性。

Description

一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面
技术领域
本发明涉及人工电磁结构技术领域，特别涉及一种宽带频率选择表面，具体是一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)作为一种由周期单元排列的人工电磁结构受到国内外学者的关注。宽带带通FSS由于其良好空间滤波特性，而在雷达天线系统、电磁屏蔽等领域被广泛地应用。
传统的FSS由金属贴片单元或者孔径单元周期排列而成。在传统FSS的基础上，Nader Behdad提出了一种由贴片层和线框层交替级联耦合的小型化频率选择表面(Miniaturized Frequency Selective Surface,MFSS)。其谐振机理可以用L-C并联等效电路模型解释，其中贴片层为等效电路模型中的等效电容C，线框层为等效电感L,通过交替级联耦合贴片层和线框层可以得到高阶MFSS。为了得到边缘陡峭、通带平坦的宽带MFSS，我们可以降低品质因子Q，即增大等效电感L，减小等效电容C。然而增大等效电感L难免会增大MFSS的单元尺寸，导致在斜入射时TM极化下表面波零点出现在边缘过渡带甚至通带内，从而影响其滤波特性。
近年来，三维频率选择表面(3D Frequency Selective Surface,3D-FSS)由于其设计的空间灵活性以及其可以形成多个谐振回路，从而被广泛地应用于宽带FSS的设计。如白明提出的基于交错金属线框的宽带3D-FSS；李波与祝雷提出的基于开槽线的宽带3D-FSS综合设计；邵理阳与张青峰提出的单层超宽带3D-FSS，这些3D-FSS设计都得到了超宽带的平坦通带。然而由于3D-FSS是立体的三维结构无法弯曲，因此不适用于曲面结构的应用，如雷达罩、天线罩等。
传统的由贴片层和线框层交替级联耦合的MFSS虽然可以通过增大等效电感L、减小等效电容C来减小品质因子Q从而实现增大相对带宽，然而增大等效电感L难免会导致MFSS的单元周期尺寸过大，在斜入射时TM极化下产生表面波，从而影响整体的滤波特性。3D-FSS虽然可以形成多条谐振回路，从而产生多个谐振极点实现宽带带宽带通FSS。然而由于3D-FSS的空间立体结构，其不适合曲面结构的应用上。
发明内容
提供了本申请以解决背景技术中提出的技术问题。因此需要一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，在Nader Behdad提出的传统MFSS基础上，引入针织结构替换传统的金属线框，不仅在保持MFSS单元周期尺寸不变的情况下增大了整体的等效电感L，而且引入的针织结构破坏了表面波的谐振回路，在斜入射TM极化下没有表面波出现在通带或过渡带内，从而改善了滤波特性。
为了解决达到上述目的，本发明提供一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其采用的技术方案如下：
一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，包括多个结构单元，所述结构单元包括耦合介质基底、金属贴片以及编织结构，所述耦合介质基底的表面设置有所述金属贴片以及所述编织结构。
作为优选，所述金属贴片周期性排列于所述耦合介质基底的表面，以提供等效电路模型中的等效电容C。
作为优选，所述针织结构用于提供等效电路模型中的等效电感L+Lvia。
作为优选，所述等效电路模型为四阶L-C并联耦合电路。
作为优选，所述针织结构包括多个小段贴片，所述多个小段贴片交替印刷于所述耦合介质基底的正反两面，并由金属化的过孔连接。
作为优选，所述耦合介质基底的介电常数为4～5。
作为优选，所述耦合介质基底的介电常数为4.3。
作为优选，采用FR4材料作为耦合介质基底。
作为优选，多个结构单元周期排列。
本发明的有益效果是：
(1)可以实现平坦的通带；
(2)引入针织结构，在保持周期尺寸不变的情况下总体的等效电感得到增大，相对带宽得到提高；
(3)针织结构破坏了表面波原有的谐振回路，MFSS的滤波特性得到改善；
(4)该MFSS设计适用于曲面结构应用。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1示出了根据现有技术中的一种传统MFSS的立体结构图。
图2示出了根据本发明实施例的一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面的立体结构图。
图3示出了根据本发明实施例的一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面的金属贴片的结构图。
图4示出了根据本发明实施例的一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面的针织结构的示意图。
图5示出了根据本发明实施例的等效电路模型的电路结构图。
图6示出了根据本发明实施例的垂直入射时传统MFSS以及基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面的传输曲线对比。
图7示出了根据本发明实施例的在入射角度为40°时传统MFSS以及基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面的传输曲线对比。
图中，101为介质基底，102为贴片，103为金属线框，200为结构单元，201为耦合介质基底，202为金属贴片，203为编织结构，2031为小段贴片，2032为过孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，为一种传统MFSS的立体结构图，传统MFSS的结构单元包括有介质基底101、贴片102以及金属线框103。本实施例基于如图1所示的传统MFSS进行改进，得到一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面。该频率选择表面基于传统MFSS的L-C并联耦合等效电路的机理，在传统MFSS的基础上，引入针织结构替代金属线框，即将其中线框层的单面金属线框分割成多个小段贴片，并将这些贴片交替印刷在介质板的正反两面，并由金属化的过孔连接。金属化的过孔提供了额外的等效电感Lvia，使得在维持周期尺寸不变的情况下，总体的等效电感得到增大。此外，由于引入了针织结构从而破坏了原有表面波的谐振回路，本发明在斜入射时TM极化下可以避免表面波零点出现在过渡带甚至通带内，从而很好的改善了MFSS的滤波特性。
具体说来，参见图2，该频率选择表面包括多个结构单元200，所述结构单元200包括耦合介质基底201、金属贴片202以及编织结构203，所述耦合介质基底201的表面设置有所述金属贴片202以及所述编织结构203。
金属贴片202可以是方形结构，具体结构请参见图3。
结合图1，本实施例通过利用编织结构203来代替图1中的金属线框103。更具体地，结合图4所示，该编织结构203包括多个小段贴片2031，所述多个小段贴片2031交替印刷于所述耦合介质基底201的正反两面，并由金属化的过孔2032连接。
在一些实施例中，通过周期排列结构单元200，可以得到高阶宽带带通MFSS。
在一些实施例中，采用FR4材料作为耦合介质基底201，且所述耦合介质基底201的介电常数为4～5。
示例性的，本实施例中采用介电常数为4.3的FR4材料作为耦合介质基底，并在其表面周期印刷方形金属贴片来实现贴片层以及针织结构层，得到该基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面。如图5所示，该频率选择表面的等效电路模型为四阶L-C并联耦合电路。其中，周期排列的方形金属贴片提供了等效电路模型中的等效电容C，针织结构提供了等效电路模型中的等效电感L+Lvia。图5中，Z0、Z3表示自由空间阻抗以及耦合介质基底的阻抗，h2、h3表示耦合介质基底的厚度，C1、C2表示周期排列的方形金属贴片提供的等效电容的数值，L1、L2和Lvia分别表示针织结构中贴片以及金属化过孔提供的等效电感的数值。
相较于传统MFSS，金属化的过孔提供了额外的等效电感Lvia。因此，如图6所示，其通带的中心频率向低频处偏移，在5GHz-10GHz范围内实现了平坦通带。如图7所示，在入射角40°TM极化下相较于传统MFSS，其针织结构破坏了表面波的谐振回路，因此避免表面波零点出现在过渡带上，大大改善了滤波特性。
综上所述，本发明提出一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面。在Nader Behdad提出的MFSS基础上，引入针织结构，即将其中线框层的单面金属线框分割成多个小段贴片，并将这些贴片交替印刷在介质板的正反两面，并由金属化的过孔连接。因此，在MFSS单元尺寸不变的情况下，线框层线框的总长度得到增加(原先金属线框的长度加上金属过孔的长度)，总的等效电感得到增大，相对带宽也因此得到提高，能够适用于曲面结构。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，包括多个结构单元，所述结构单元包括耦合介质基底、金属贴片以及编织结构，所述耦合介质基底的表面设置有所述金属贴片以及所述编织结构。
2.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，所述金属贴片周期性排列于所述耦合介质基底的表面，以提供等效电路模型中的等效电容C。
3.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，所述针织结构用于提供等效电路模型中的等效电感L+Lvia。
4.如权利要求2或3所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，所述等效电路模型为四阶L-C并联耦合电路。
5.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，所述针织结构包括多个小段贴片，所述多个小段贴片交替印刷于所述耦合介质基底的正反两面，并由金属化的过孔连接。
6.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，所述耦合介质基底的介电常数为4～5。
7.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，所述耦合介质基底的介电常数为4.3。
8.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，采用FR4材料作为耦合介质基底。
9.如权利要求1所述的基于针织结构的高阶宽带带通小型化频率选择表面，其特征在于，多个结构单元周期排列。
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