CN110880632A - 一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面,属于频率选择表面的技术领域。本发明在每个基于基片集成波导腔宽带宽角频率选择表面单元中,通过开设在第一金属层与第二金属层上的方环缝隙,构成完整的四分之一模基片集成波导腔。腔体是完整的,不受缝隙尺寸的影响,从而使得该结构的腔体主模和缝隙模式的谐振频率能够分别独立控制,进而实现对四分之一模基片集成波导谐振腔模式与方环缝隙模式频率间距的调整,完成宽带设计,以此增加带宽。解决了现有技术中基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性与宽工作带宽无法同时兼顾的问题,在保证入射角度稳定的同时,大幅度提高了工作带宽。
Description
技术领域
本发明属于频率选择表面的技术领域,特别涉及一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面。
背景技术
传输型频率选择表面是一种空间滤波器,只允许感兴趣频段的电磁波透过,其应用广泛,如用作天线罩、极化变换表面以及反射/传输阵等。随着无线通信技术的发展,宽带、宽角以及低损耗等高性能频率选择表面显得越来越重要。此外,频率选择表面也须具备高频率选择特性和宽阻带效应,以增强带外信号抑制能力。
基于基片集成波导的频率选择表面相较于传统结构,具备多种天然优势,如插损小、通带平坦和频率选择性高等。
例如,文献《Polarization rotating frequency selective surface based onsubstrate integrated waveguide technology》(Simone A.Winkler,Wei Hong,MaurizioBozzi,and Ke Wu,“IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.58,no.4,Apr.2010.)提出了一种基于单层基片集成波导腔的极化变换频率选择表面。水平线极化电磁波通过基片集成波导腔顶层垂直缝隙耦合,激励起腔内简并模TM120和TM210,然后经波导腔底层水平缝隙耦合出射,变为垂直线极化电磁波。该频率选择表面插损仅为0.2dB,工作带宽为9.1%,但因单元尺寸较大,导致最大可工作入射角为20度。
又如文献《A bandpass frequency selective surface with a low cross-polarization based on cavities with a hybrid boundary》(L.L.Yang,X.C.Wei,D.Yi,and J.M.Jin“IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.65,no.2,Feb.2017.”)提出了一种基于混合电磁边界的小型化频率选择表面。该结构单元通过中间的一排金属化通孔分为两个腔,并与位于腔上下表面的缝隙一起产生三个谐振模式,以优化传输通带。其带内波纹较小,插损仅0.37dB,工作带宽为11%,并且通带两端均具备高选择特性,最大可工作入射角为45度。
公开号为CN105226355A的中国专利公开了一种基于四分之一模基片集成波导腔的频率选择表面。该结构单元腔上下表面刻蚀的“L”型缝隙,一方面作为磁壁用以模拟四分之一模腔,另一方面提供一个缝隙谐振点,与腔体主模一起优化传输通带。该单元相较于传统全模基片集成波导腔单元,其尺寸减小了65%。其插损为0.3dB,工作带宽为7%,最大可工作入射角为60度。
从现有报道中可以看出,基于传统全模基片集成波导腔的频率选择表面插损较小,但因单元尺寸较大导致入射角稳定性差。而利用小型化单元可有效减低入射角敏感性,但因工作模式之间相互影响导致带宽较窄,要同时实现基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性和宽工作通带,难度较大,目前尚未相关报道。
发明内容
针对上述现有技术的存在的问题或不足,为解决现有技术中基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性与宽工作带宽无法同时兼顾的问题。本发明提供一种宽带宽角基片集成波导频率选择表面。
本发明的技术方案是:
一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面,包括n个基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元,其中n>1;所述基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元成矩阵排布;
所述频率选择表面单元包括从上往下依次层叠的第一金属层、介质层以及第二金属层;
所述第一金属层呈正方形,其上刻蚀有方环缝隙,所述方环缝隙的中心与第一金属层的中心重合,沿方环缝隙的内侧与外侧分别开设贯穿第一金属层、介质层以及第二金属层的金属化通孔;
所述第二金属层与第一金属层结构完全相同,其上开设的方环缝隙和金属化通孔均与第一金属层上的方环缝隙和金属化通孔上下垂直对准;
位于方环缝隙外侧的金属化通孔其连线平行于方环缝隙外环、且沿方环缝隙外环四边设置,并与第一金属层、第二金属层共同构成基片集成波导腔;
位于方环缝隙内侧的金属化通孔其连线平行于方环缝隙的内环、且沿方环缝隙内环任意相邻的两边设置,并与第一金属层、第二金属层共同构成四分之一模基片集成波导谐振腔。
进一步的,所述方环缝隙的外边长l1、内边长l2满足以下关系:
其中,f0为频率选择表面中心工作频率,c0为真空中光速,εr为介质基板的相对介电常数。
进一步的,所述基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面中,每个基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元依次排布,距离为零。
从工作原理上说明:线极化电磁波经顶层方环缝隙耦合激励起四分之一模基片集成波导腔体主模TM0.5,0.5,0,然后经底层方环缝隙耦合出去,形成传输响应。四分之一模基片集成波导腔结构完整,不受方环缝隙影响,因此缝隙模式和腔体主模能够分别独立控制,最大程度拓展工作带宽。
本发明提供的一种基于基片集成波导腔宽带宽角频率选择表面,在每个基于基片集成波导腔宽带宽角频率选择表面单元中,通过开设在第一金属层与第二金属层上的方环缝隙,构成完整的四分之一模基片集成波导腔。腔体是完整的,不受缝隙尺寸的影响,从而使得该结构的腔体主模和缝隙模式的谐振频率能够分别独立控制,进而实现对四分之一模基片集成波导谐振腔模式与方环缝隙模式频率间距的调整,完成宽带设计,以此增加带宽。解决了现有技术中基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性与宽工作带宽无法同时兼顾的问题,在保证入射角度稳定的同时,大幅度提高了工作带宽。在本发明中,所述基于基片集成波导腔宽带宽角频率选择表面,是由每个基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元呈周期性排布成矩形的方式构成,每个基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元即为一个宽带宽角频率选择表面单元周期,通过调整基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元的周期长度,可优化阻抗匹配带宽,进一步拓展工作带宽。
附图说明
图1是本发明的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元三维结构示意图。
图2是本发明实施例的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元结构俯视图。
图3是本发明实施例的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元阵列排布方式。
图4是本发明实施例的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面仿真S参数结果图。
图5是本发明实施例的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面仿真传输系数随入射角变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,详述本发明的技术方案。
如图3所示,一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面,由9个正方形的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元采用矩阵排布,且各相邻的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元之间共用方环缝隙外侧的金属化通孔。
而构成基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面的每个单元则如图1和图2所示:包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层1、介质层2以及第二金属覆铜层3;
所述第一金属覆铜层1上刻蚀有方环缝隙11,并在方环缝隙的内侧与外侧分别设有贯穿第一金属覆铜层1、介质层2以及第二金属覆铜层3的金属化通孔22、21;所述金属化通孔等距离设置。所述第二金属覆铜层3与第一金属覆铜层结构完全相同,其上开设的方环缝隙、金属化通孔分别与第一金属层上的方环缝隙11、金属化通孔上下垂直对准。
位于方环缝隙外侧的金属化通孔21其连线平行于方环缝隙外环、且沿方环缝隙外环四边设置,并与第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3共同构成基片集成波导腔;
位于方环缝隙内侧的金属化通孔22其连线平行于方环缝隙的内环、且沿方环缝隙内环任意相邻的两边设置,并与第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3共同构成四分之一模基片集成波导谐振腔。
需要注意的是,所述金属覆铜层呈正方形,其上开设的方环缝隙的中心与金属覆铜层的中心重合;另外,方环缝隙外侧的宽度需大于金属化通孔21的直径。
所述金属化通孔22、21形状为圆形。在本实施例中,为进一步小型化基于基片集成波导的宽带宽角频率选择表面单元,将所述方环缝隙外侧金属化通孔21设为半圆形,四个角上为1/4圆形,该金属化通孔21开设在第一金属铜覆层1的边界线上,相邻的基于基片集成波导的宽带宽角频率选择表面单元上的金属化通孔21共同构成圆形。相邻的基于基片集成波导的宽带宽角频率选择表面单元之间的共用金属化通孔21,使得整体结构更加简单。
针对该方案完成了一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面的具体设计,其中心频率为10GHz,选用的介质层2为TLY-5,介电常数为2.2,损耗角正切为0.0009,厚度为1.016mm。第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3的厚度均为0.018mm。该基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元周期长度为9.6mm,四分之一模基片集成波导腔边长为6.2mm,缝隙宽度为2.6mm,金属化通孔直径为0.5,同一排中相邻两个金属化通孔的孔心距为0.96mm。
基于上述结构,根据四分之一模基片集成波导腔主模与缝隙的谐振频率计算公式
其中,fc和fs分别为四分之一模基片集成波导腔主模和缝隙谐振频率。c0为真空中光速,εr为介质基板的相对介电常数,l2和l1分别方环缝隙内、外环边长;由此可以得知四分之一模基片集成波导腔主模频率与缝隙的频率间距Δf值:
由于已知本发明提供的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元中心工作频率f0为10GHz,等于(fc+fs)/2,介质相对介电常数εr为2.2,根据公式(3)进行计算,得出四分之一模基片集成波导腔主模与缝隙的频率间距Δf大于19%。因而说明本方法提供的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面相较于现有技术更易于宽带设计。
采用商业软件HFSS对上述基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面进行电磁全波仿真。如图4所示,缝隙模式和腔体主模谐振频率分别为9.5和11.9GHz,二者共同形成宽传输通带,其1dB和3dB通带带宽分别从8到11.9GHz(39%)和从6.9到12GHz(54%)。此外,低于工作通带外,无寄生通带产生,只在远离工作通带23.7GHz处产生带宽极窄的寄生通带,因此该频率选择表面在工作通带两端均具备宽阻带特性。
另外,如图5所示,该基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面可在最大60度斜入射下工作,其工作带宽仍大于20%。
综上所述,本发明提供的一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面,将小型化的四分之一模基片集成波导腔体与环绕在腔体周围的方环缝隙进行结合,实现双频响应。相较于传统设计,本发明具有以下两个突出优点:
1、四分之一模基片集成波导腔结构完整,不受缝隙的影响。腔体主模和缝隙模式的谐振频率可分别独立控制,易于宽带设计。
2、基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元的单元周期长度能够优化阻抗匹配带宽,并且不影响工作模式的谐振频率,因此可以通过增加基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元的单元周期长度进一步拓展工作带宽。
基于两个独立可控的工作模式,本发明的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面的1dB和3dB工作通带带宽分别高达34%和49%,远高于现有报道的最大工作带宽。基于四分之一模基片集成波导结构,其最大可工作入射角达到60度。
以上为本发明的优选实施例,在本发明提供的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面中,在不考虑插损的情况下,各相邻的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元之间也可以有一定的间隙。通过上述说明内容,本领域技术人员能够在不偏离本发明技术思想的范围内,进行多种多样的变更以及修改。因此本发明的技术性范围并不局限于说明书的内容,凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰,皆应属于本发明的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面,包括n个基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元,其中n>1;其特征在于:所述基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元成矩阵排布;
所述频率选择表面单元包括从上往下依次层叠的第一金属层、介质层以及第二金属层;
所述第一金属层呈正方形,其上刻蚀有方环缝隙,所述方环缝隙的中心与第一金属层的中心重合,沿方环缝隙的内侧与外侧分别开设贯穿第一金属层、介质层以及第二金属层的金属化通孔;
所述第二金属层与第一金属层结构完全相同,其上开设的方环缝隙与金属化通孔均与第一金属层上的方环缝隙和金属化通孔上下垂直对准;
位于方环缝隙外侧的金属化通孔其连线平行于方环缝隙外环、且沿方环缝隙外环四边设置,并与第一金属层、第二金属层共同构成基片集成波导腔;
位于方环缝隙内侧的金属化通孔其连线平行于方环缝隙的内环、且沿方环缝隙内环任意相邻的两边设置,并与第一金属层、第二金属层共同构成四分之一模基片集成波导谐振腔。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面,其特征在于:所述基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面中,相邻的基于基片集成波导腔的宽带宽角频率选择表面单元依次排布,距离为零。
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