CN105226355A - 高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明属于频率选择表面的技术领域，提供一种高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面，在保证基片集成波导频率选择表面高选择性前提下，解决现有技术提供频率选择表面结构寄生通带抑制度低的问题。该基片集成波导频率选择表面，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层、介质层、第二金属覆铜层；第一、第二金属覆铜层上沿边缘刻蚀有相同尺寸“L”型缝隙，所述“L”型缝隙由短边和长边构成，且第一金属覆铜层上“L”型缝隙的短边与第二金属覆铜层上“L”型缝隙的长边对应开设、相应的长边与短边对应开设。本发明在保证基片集成波导频率选择表面高选择性前提下，有效提高频率选择表面结构的寄生通带抑制度。

Description

高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面

技术领域

本发明属于频率选择表面的技术领域，特别涉及一种高寄生通带抑制基片集成波导频率选择表面。

背景技术

频率选择表面是一种空间滤波器，是由金属贴片或缝隙组成的周期阵列结构。基于不同的单元形式，频率选择表面广泛应用于微波、毫米波和太赫兹频段，如用作反射面天线的子反射面和天线罩等。基片集成波导较于传统微带和金属波导，具有低剖面、低损耗特性；基于基片集成波导技术的频率选择表面具有高选择性、带宽易控制、易加工等优点。

例如，文献《Polarizationrotatingfrequencyselectivesurfacebasedonsubstrateintegratedwaveguidetechnology》(SimoneA.Winkler,WeiHong,MaurizioBozzi,andKeWu,“IEEETransactionsonAntennasandPropagation,vol.58,no.4,Apr.2010.)中提出了一种基片集成波导频率选择表面，其包含一层介质层和两层金属覆铜层。上层金属覆铜层边缘蚀刻垂直缝隙，下层金属覆铜层边缘蚀刻水平缝隙，中间介质层中利用金属化过孔构成基片集成波导谐振腔。由于电气性能的需要，该频率选择表面的腔体工作在高次模TM₁₂₀/TM₂₁₀，腔体尺寸偏大，带外抑制性能不佳。

又如公开号为CN1825678A的中国专利中提出了一种基片集成波导频率选择表面，基片为具有双面金属面的介质基片，上下金属表面中心刻蚀关于长宽两个方向完全对称的“井”型缝隙。中心频率为13.1GHz，同样工作在腔体高次模TM₁₂₀，基片厚度为1mm，寄生通带出现频率为1.52f₀。

公开号为CN101170207A的中国专利公开一种双通带频率选择表面，单元基片的两面镀有金属层，贯穿整个介质基片排列两组不同大小正方形的金属化通孔，对应腔体内的上、下金属层中心蚀刻相同的高频、低频正方形缝隙。两通带中心频率分别为9GHz、11GHz，工作在腔体高次模TM₁₂₀，基片厚度为1mm，寄生通带出现频率为1.15f₀。

从上述文献中可以发现，虽然基片集成波导频率选择表面与传统频率选择表面相比在性能上具有优势，但都工作在腔体高次模，致使单元尺寸较大，而栅瓣出现频率与单元尺寸成反比，因此并没有很好的解决寄生通带抑制问题，要同时实现频率选择表面高选择特性和高寄生通带抑制度困难较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面，在保证基片集成波导频率选择表面高选择性前提下，解决现有技术提供频率选择表面结构寄生通带抑制度低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面，其特征在于，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层、介质层、第二金属覆铜层；第一金属覆铜层沿边缘刻蚀有“L”型缝隙，第二金属覆铜层在对应位置刻蚀有相同尺寸“L”型缝隙，所述“L”型缝隙由短边和长边构成，且第一金属覆铜层上“L”型缝隙的短边与第二金属覆铜层上“L”型缝隙的长边对应开设、第一金属覆铜层上“L”型缝隙的长边与第二金属覆铜层上“L”型缝隙的短边对应开设；介质层上围绕“L”型缝隙设置一系列贯穿金属化孔，与第一金属覆铜层和第二金属覆铜层共同构成基片集成波导波导谐振腔。

进一步的，所述金属化孔呈正方形排列，所述“L”型缝隙位于金属化孔围成正方形的任意一角。

所述“L”型缝隙的长边和短边满足以下关系：

四分之一模谐振腔腔体主模TM_0.5,0.5,0谐振频率：

缝隙谐振频率： $f_s=\frac{c_0}{2({\mathrm{sl}}_1+{\mathrm{sl}}_2)\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}},$

其中，sl₁为短边长度，sl₂为长边长度，c₀为真空中光速，ε_r为所用介质介电常数。

更进一步的，本发明高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面的宽高比大于10倍。

从工作原理上说明：本发明结构针对集成波导频率选择表面的单元结构进行说明，该基片集成波导频率选择表面的宽高比(宽高比＝单元长度/介质厚度)大于10倍，由于其很大的宽高比，四分之一模腔体能够维持全模腔体主模电场图不变，因此边缘(“L”型)缝隙可等效为该四分之一模腔体磁壁(主模电场方向与磁壁平行)，并能激励腔体主模，致使单元小型化；而且，该边缘缝隙长度接近腔体边长的两倍，根据腔体谐振频率和缝隙谐振频率计算公式，缝隙谐振频率接近腔体主模TM_0.5,0.5，0，从而作为另一个谐振点，在工作频率范围内，与腔体主模形成双频响应，有效改善通带特性。通过适当调节缝隙短边与长边的长度，改变两种谐振模式耦合量的大小，很方便地实现带宽控制。

另外需要说明的是，本发明高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面的“L”缝隙沿边缘开设于由金属化孔围绕形成的正方形的四角中的任意一角，第一金属覆铜层与第二金属覆铜层上“L”缝隙开设于同一角，开设位置垂直对应重叠。

本发明的有益效果：

本发明充分利用四分之一模基片集成波导腔结构特性，使工作频率在腔体主模谐振点，并与缝隙谐振实现双频响应，相较于传统结构，本发明具有以下两个突出优点:

1、本发明基片集成波导频率选择表面工作在腔体的四分之一模TM_0.5,0.5,0，而使得该谐振单元仅为传统单元长度的0.59倍，由于单元大小与频率选择表面栅瓣出现频率成反比，故本发明能够大大提高了栅瓣抑制度。

2、四分之一模结构抑制了某些场非旋转对称的腔体高次模，减少了寄生通带个数；使得本发明基片集成波导频率选择表面寄生通带出现频率远离工作频率，是后者的1.74倍，即有效提高现有基片集成波导频率选择表面的寄生通带抑制度。

附图说明

图1是本发明基片集成波导频率选择表面三维结构示意图，其中，1为第一金属覆铜层、2为介质层、3为第二金属覆铜层。

图2是本发明基片集成波导频率选择表面上层结构图，其中，11为第一金属覆铜层“L”型缝隙、21为贯穿金属化孔。

图3是本发明基片集成波导频率选择表面下层结构图，其中，31为第二金属覆铜层“L”型缝隙。

图4是本发明基片集成波导频率选择表面仿真S参数结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中提供高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面，其结构如图1所示，其上层、下层结构如图2、图3所示，该基片集成波导频率选择表面，包括从上往下依次层叠第一金属覆铜层1、介质层2、第二金属覆铜层3；第一金属覆铜层1上沿边缘刻蚀有“L”型缝隙11，构成频率选择表面单元；第二金属覆铜层3上沿边缘刻蚀有“L”型缝隙31，与“L”型缝隙11垂直对应开设；“L”型缝隙11与“L”型缝隙31尺寸相同，均由短边和长边构成，“L”型缝隙11的短边(sl₁)与“L”型缝隙31的长边(sl₂)垂直对应开设、“L”型缝隙11的长边(sl₂)与“L”型缝隙31的短边(sl₁)垂直对应开设；介质层上围绕“L”型缝隙设置一系列贯穿金属化孔21，贯穿金属化孔呈正方形排列，与第一金属覆铜层和第二金属覆铜层共同构成基片集成波导波导谐振腔。

针对上述结构完成所述基片集成波导频率选择表面的具体设计，其中心频率为10GHz，对其在HFSS中进行电磁全波仿真；选用的介质层2为TLY-5，介电常数为2.2，厚度仅为0.508mm，损耗角正切为0.0009；第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2的厚度均为0.018mm；基片集成波导边长为8mm,边壁孔21的直径为0.5mm，孔中心距为0.75mm；覆铜层上刻蚀的“L”型缝隙11(31)的两枝节长度分别为6.3(6.5)mm、6.5(6.3)mm,宽度为0.3mm,距离边壁孔中心间距为0.45mm；整个单元周期长度为8mm。

进行仿真，结果表明：缝隙谐振频率为9.88GHz,腔体主模谐振频率为10.03GHz，第一寄生通带为缝隙高次模谐振，频率为17.38GHz，为工作频率的1.74倍。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.高寄生通带抑制四分之一模基片集成波导频率选择表面，其特征在于，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层、介质层、第二金属覆铜层；第一金属覆铜层沿边缘刻蚀有“L”型缝隙，第二金属覆铜层在对应位置刻蚀有相同尺寸“L”型缝隙，所述“L”型缝隙由短边和长边构成，且第一金属覆铜层上“L”型缝隙的短边与第二金属覆铜层上“L”型缝隙的长边对应开设、第一金属覆铜层上“L”型缝隙的长边与第二金属覆铜层上“L”型缝隙的短边对应开设；介质层上围绕“L”型缝隙设置一系列贯穿金属化孔，与第一金属覆铜层和第二金属覆铜层共同构成基片集成波导波导谐振腔。

2.按权利要求1所述基片集成波导频率选择表面，其特征在于，所述基片集成波导频率选择表面的宽高比大于10。

3.按权利要求1所述基片集成波导频率选择表面，其特征在于，所述“L”型缝隙的长边和短边满足以下关系：

四分之一模谐振腔腔体主模TM_0.5,0.5,0谐振频率：

缝隙谐振频率： $f_s=\frac{c_0}{2({\mathrm{sl}}_1+{\mathrm{sl}}_2)\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}},$

其中，sl₁为短边长度，sl₂为长边长度，c₀为真空中光速，ε_r为所用介质介电常数。

4.按权利要求1所述基片集成波导频率选择表面，其特征在于，所述金属化孔呈正方形排列，所述“L”型缝隙位于金属化孔围成正方形的任意一角。