CN111817011A - 一种窄带带通频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄带带通频率选择表面。该频率选择表面由若干个相同的单元结构周期排列构成，每个单元结构包括一个方形金属筒和一个方形介质块。方形介质块的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字，中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板。单元结构的上下表面谐振结构通过中间层矩形孔径发生电磁耦合作用，产生了两个传输极点，形成了平坦通带。同时，在通带右侧带外引入了两个传输零点，使得本发明具有高的频率选择性和宽的带外抑制。同时该频率选择表面在双极化模式下具有良好的角度稳定性。

Description

一种窄带带通频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种窄带带通频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)作为一种空间滤波器，近年来被研究人员广泛关注。由于其独特的空间滤波特性，常被应用于雷达天线罩、吸波材料以及天线副反射器等。在窄带通信应用场景中，设计具有窄带特性的带通FSS十分必要。
传统二维FSS，往往在实现高性能指标时会受限，比如有限的谐振模式无法引入更多的传输零极点，单层FSS的工作带宽有限以及多层FSS带来的厚度及电尺寸的增加等不足。后来研究人员提出了三维FSS的概念，相比于二维FSS来说，三维FSS增加了一个维度的设计自由度，单元结构更加容易实现多个谐振模式的构建，为高性能FSS设计提供了思路。新加坡南洋理工大学沈忠祥教授团队最早提出了三维FSS概念，他们基于屏蔽微带线结构设计了一系列带通三维FSS，以上问题得到了有效地改善，但这些结构只能工作于单极化模式，限制了它们的实际应用。后来有研究人员基于方同轴波导结构提出了双极化带通三维FSS，由于其单元结构的对称性设计，因此很容易实现双极化性能，但是其重量比较大、组装复杂、成本高。也有研究人员基于过孔的金属板加载介质谐振器，借助电磁耦合作用，实现了具有宽频特性的带通三维FSS，但是通带两侧没有任何传输零点，其频率选择性能和带外抑制性能一般。因此，在窄带通信应用背景下，设计一款具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制、良好的角度稳定性、双极化等优势的FSS十分有意义。
发明内容
本发明提供一种窄带带通频率选择表面，实现TE和TM两种极化模式、不同入射角度下稳定的频率响应，同时具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制以及较小的电尺寸。
本发明提供一种窄带带通频率选择表面，它由若干个相同的单元结构周期排列构成，每个单元结构包括一个方形金属筒和一个方形介质块。方形介质块的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字，中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板。
本发明所提供的一种窄带带通频率选择表面，单元结构的上下表面谐振结构通过中间层矩形孔径发生电磁耦合作用，产生了两个传输极点，形成了平坦通带。同时，在通带右侧带外引入了两个传输零点，使得本发明具有高的频率选择性和宽的带外抑制。本发明由于单元结构具有对称性，很容易实现双极化；同时在TE和TM双极化模式下，当0°，30°，60°角度入射时具有良好的角度稳定性。相比于现有带通FSS来说，该FSS具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制、良好的角度稳定性、双极化以及较小的电尺寸等优势。
附图说明
图1为本发明提出的窄带带通频率选择表面的单元结构三维示意图。
图2为构成本发明单元结构的部件示意图(a)方形金属筒；(b)方形介质块。
图3为本发明提出的窄带带通频率选择表面的单元结构尺寸标注示意图(a)透视图及参数标注；(b)上下表面及参数标注(c)中间层及参数标注。
图4为本发明提出的窄带带通频率选择表面(4×4个单元结构)的三维示意图。
图5为本发明提出的窄带带通频率选择表面在电磁波垂直入射时的传输系数和反射系数仿真结果图。
图6为本发明提出的窄带带通频率选择表面在不同入射角度下的传输系数仿真结果图(a)TE模式；(b)TM模式。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
图1为本发明提出的窄带带通频率选择表面的单元结构三维示意图。每个单元结构由一个方形金属筒1和一个方形介质块2组合而成。
图2给出了构成本发明单元结构的部件示意图。图2(a)为方形金属筒1；图2(b)为方形介质块2。方形介质块2的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字21、中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板22。
图3为本发明提出的窄带带通频率选择表面的单元结构尺寸标注示意图。图3(a)为单元结构透视图，图3(b)为单元结构上下表面示意图，图3(c)为单元结构中间层示意图。设计参数为p＝9.5mm，l0＝3mm，l＝7mm，w0＝0.5mm，w＝0.5mm，h＝1.5mm，方形介质块的相对介电常数为4.4。
图4为本发明提出的窄带带通频率选择表面(4×4个单元结构)的三维示意图，它由图1所示的单元结构在二维平面方向上周期排列构成。
图5为本发明在电磁波垂直入射时的传输系数和反射系数仿真曲线。由图可以发现，产生的两个传输极点分别为6.36GHz和6.42GHz，由此形成了一个平坦通带，通带中心频率为6.39GHz，其通带3dB相对带宽仅为2.8％。同时在右侧带外产生了两个传输零点(分别位于7GHz和8.2GHz处)，其频率选择性能得到了提高。右侧阻带20dB带宽为6.4GHz(6.6～13GHz)，对应的相对带宽为65.3％。其单元结构的电尺寸(p×p×h)为0.2λ0×0.2λ0×0.03λ0，其中λ0为自由空间波长。由此可知，该FSS具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制以及较小的电尺寸。
图6(a)和图6(b)分别为本发明在TE和TM两种极化模式下不同入射角度对应的传输系数仿真曲线。由图可知，在TE和TM两种极化模式下，电磁波以0°，30°，60°角度入射时具有较好的角度稳定性。
本发明公开了一种窄带带通频率选择表面，它由若干个相同的单元结构周期排列构成，每个单元结构包括一个方形金属筒和一个方形介质块。方形介质块的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字，中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板。本发明所提供的一种窄带带通频率选择表面，单元结构的上下表面谐振结构通过中间层孔径发生电磁耦合作用，产生了两个传输极点，形成了平坦通带。同时，在通带右侧带外引入了两个传输零点，使得本发明具有高的频率选择性和宽的带外抑制。本发明由于单元结构具有对称性，很容易实现双极化；同时在TE和TM双极化模式下，当0°，30°，60°角度入射时具有良好的角度稳定性。相比于现有带通FSS来说，该FSS具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制、良好的角度稳定性、双极化以及较小的电尺寸等优势。

Claims (3)

1.一种窄带带通频率选择表面，由若干个相同的单元结构周期排列组成，其特征在于，所述单元结构由一个方形金属筒和一个方形介质块组成。
2.根据权利要求1所述的窄带带通频率选择表面，其特征在于，所述方形介质块的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字。
3.根据权利要求1所述的窄带带通频率选择表面，其特征在于，所述方形介质块的中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板。
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