CN114498061B - 一种频率选择表面单元、频率选择表面及频率选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率选择表面单元、频率选择表面及频率选择方法，包括：第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线；第一电磁偶极子天线设置于第二电磁偶极子天线的上方，且通过背靠背的方式连接，以形成间距小且具有双极化的紧耦合天线；第一电磁偶极子天线包括：第一电偶极子天线和第一金属柱；第一电偶极子天线和第一金属柱固定连接；第二电磁偶极子天线包括：第二电偶极子天线、第二金属柱以及地板结构，第二电偶极子天线和第二金属柱固定连接；本发明通过设置自带电偶极子特性的宽带天线，在不增加天线厚度和额外电路结构的情况下实现天线的电偶极子特性，从而使得频率选择表面具有低厚度、高选择性以及宽带的特性。

Description

一种频率选择表面单元、频率选择表面及频率选择方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及的是一种频率选择表面单元、频率选择表面及频率选择方法。

背景技术

对于相互干扰的***，频率选择表面可以用于屏蔽带外信号，只通过本身***需要通过的频率，在天线***中可以用于解耦，频率选择表面作为覆盖层提升天线增益、隔离度、选择性、以及波束调控等性能等。频率选择表面是一种利用周期性单元均分布的结构，其作为一种空间滤波器，对空间电磁波进行频率选择，在实际的应用中需要高选择性的频率选择表面。

目前，用于提高频率选择表面的选择性的方案有：

第一种是通过多层结构实现多阶滤波；

第二种是通过引入不同的耦合路径；

第三种是采用3D结构。

在上述三种方案中，多层结构会导致设计的厚度大，而3D结构其厚度大，并且加工后需要复杂的装配。

因此，需要一种能够实现低厚度、高选择性以及高宽带的频率选择表面，以在提高频率选择表面的选择特性的前提下，适应于多种场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种频率选择表面单元、频率选择表面及频率选择方法，以解决现有的频率选择表面厚度高、选择性低以及宽带窄的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种频率选择表面单元，所述频率选择表面单元包括：

第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线；所述第一电磁偶极子天线设置于所述第二电磁偶极子天线的上方，且通过背靠背的方式连接，以形成间距小且具有双极化的紧耦合天线；

所述第一电磁偶极子天线包括：第一电偶极子天线和第一金属柱；所述第一电偶极子天线和所述第一金属柱固定连接；

所述第二电磁偶极子天线包括：第二电偶极子天线、第二金属柱以及地板结构，所述第二电偶极子天线和所述第二金属柱固定连接；

所述第一金属柱将所述地板结构与所述第一电偶极子天线固定连接，所述第二金属柱将所述地板结构与所述第二电偶极子天线固定连接；

所述第二电偶极子天线与所述第一电偶极子天线背对背设置，且所述第二电偶极子天线与所述第一电偶极子天线通过所述地板结构的耦合缝隙形成耦合连接；

所述第一金属柱和所述第二金属柱均为磁偶极子；通过所述第一电偶极子天线接收电磁波，并通过所述地板结构的耦合缝隙传输至所述第二电偶极子天线，利用所述第二电偶极子天线发射出去，以所述第一电磁偶极子天线和所述第二电磁偶极子天线的滤波特性实现所述频率选择表面的频率选择功能。

在一种实现方式中，所述第一电偶极子天线为矩形金属片；

所述矩形金属片在距离所述频率选择表面单元的边界小于0.1波长；所述第一电偶极子天线设置有第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域，在所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域中，两两区域之间形成挖空的直线缝隙。

在一种实现方式中，所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域互为镜像对称的结构；所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域均为C形弯折结构或弧线形结构。

在一种实现方式中，在所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域中，各区域均设置有挖空的残角矩形；所述残角矩形设于各区域的中心位置，并在所述残角矩形的末端到所述第一电偶极子天线的一角形成一段枝节。

在一种实现方式中，所述残角矩形的边长总长度与所述枝节的长度之和大于高频零点的0.2波长。

在一种实现方式中，所述第二电偶极子天线的结构与所述第一电偶极子天线的结构特点相同。

在一种实现方式中，所述地板结构设置有十字形缝隙结构，所述十字形缝隙结构为经过角度圆滑处理的缝隙结构，且所述十字形缝隙结构总边长大于或等于0.1波长。

在一种实现方式中，所述十字形缝隙结构为沿着正交方向形成的大于二段阶梯状结构，或所述十字形缝隙结构为沿着正交方向形成的直线状、波浪状结构。

在一种实现方式中，所述十字形缝隙结构的交叉处为直角状或圆弧角状的结构，所述十字形缝隙结构的端部为直角状结构、钝角状结构、锐角状结构、0度角状结构以及弧形状结构中的任意一种。

第二方面，本发明提供一种频率选择表面，包括：多个如第一方面所述的频率选择表面单元。

第三方面，本发明提供一种频率选择方法，应用于如第二方面所述的频率选择表面，所述频率选择方法包括：

通过电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子产生低频传输零点；

通过第一电偶极子天线和第二电偶极子天线形成的开口谐振环产生高频传输零点；

通过所述低频传输零点和/或所述高频传输零点断开传输对应的频率信号，或通过所述低频传输零点和/或所述高频传输零点拒绝接收对应的频率信号。

在一种实现方式中，所述通过电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子产生低频传输零点，包括：

根据所述电偶极子和所述磁偶极子的特征阻抗确定所述电磁偶极子天线的输入阻抗；

将所述电磁偶极子天线的输入阻抗调整为0或者无穷大，以产生所述频率选择表面的低频传输零点。

在一种实现方式中，所述通过第一电偶极子天线和第二电偶极子天线的开口谐振环产生高频传输零点，包括：

根据所述第一电偶极子天线的开口谐振环确定产生第一高频频率所需的开口谐振环的长度；

根据所述第二电偶极子天线的开口谐振环确定产生第二高频频率所需的开口谐振环的长度；

根据第一电流将所述第一电偶极子天线的开口谐振环调整为谐振状态，并根据默认电流将所述第二电偶极子天线的开口谐振环调整为不工作状态，以产生基于所述第一电偶极子天线的高频传输零点；

根据第二电流将所述第二电偶极子天线的开口谐振环调整为谐振状态，并根据默认电流将所述第一电偶极子天线的开口谐振环调整为不工作状态，以产生基于所述第二电偶极子天线的高频传输零点；

将所述第一高频频率所对应的零点位置与所述第二高频频率所对应的零点位置进行对调，并通过所述第一电偶极子天线的开口谐振环与所述第二电偶极子天线的开口谐振环长度的差异，再次产生两个高频传输零点，以实现带外抑制特性。

本发明采用上述技术方案具有以下效果：

本发明基于互易定理，将频率选择表面设置成一个小型的天线收发***，通过第一电偶极子天线接收电磁波，并通过地板结构的耦合缝隙传输至第二电偶极子天线，利用第二电偶极子天线发射出去，以第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线的滤波特性实现频率选择表面的频率选择功能，从而将频率选择表面的选择性问题变成一个设计天线的滤波特性问题，利用天线的辐射零点，在不增加天线厚度和额外电路机构的情况下实现天线的滤波特性，从而实现频率选择表面的低厚度、高选择性、宽带特性。通过紧耦合的设计实现了，单元结构的小型化，从而实现了频率选择表面的良好角度稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明的一种实现方式中频率选择表面单元的结构示意图。

图2是本发明的一种实现方式中第一电偶极子天线的结构示意图。

图3是本发明的一种实现方式中地板结构的结构示意图。

图4是本发明的其他实现方式中第一电偶极子天线中各区域的枝节结构的示意图。

图5是本发明的其他实现方式中十字形缝隙的结构示意图。

图6是本发明的一种实现方式中滤波天线的原理示意图。

图7是本发明的一种实现方式中频率选择表面单元的具体结构示意图。

图8是本发明的一种实现方式中频率选择表面的频率选择结果示意图。

图9是本发明的一种实现方式中电磁偶极子的等效示意图。

图10是本发明的一种实现方式中频率选择表面随着金属柱的高度变化示意图。

图11是本发明的一种实现方式中频率选择表面随着金属柱的中心间距变化示意图。

图12是本发明的一种实现方式中频率选择表面随着金属柱的直径变化示意图。

图13是本发明的一种实现方式中高频传输零点随着开口谐振环的变化示意图。

图14是本发明的一种实现方式中高频传输零点的电流分布示意图。

图15是本发明的一种实现方式中传输极点的电流分布示意图。

图16是本发明的一种实现方式中频率选择方法的流程图。

图中：

100、第一电偶极子天线；200、地板结构；300、第二电偶极子天线；410、第一金属柱；420、第二金属柱；1、第一区域；2、第二区域；3、第三区域；4、第四区域。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

示例性装置

如图1~8所示，本实施例提供一种频率选择表面，其包括多个频率选择表面单元。

如图1所示，在本实施例的一种实现方式中，频率选择表面单元包括：

第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线；所述第一电磁偶极子天线设置于所述第二电磁偶极子天线的上方，且通过背靠背的方式连接，以形成间距小且具有双极化的紧耦合天线；

所述第一电磁偶极子天线包括：第一电偶极子天线100和第一金属柱410；所述第一电偶极子天线100和所述第一金属柱410固定连接；

所述第二电磁偶极子天线包括：第二电偶极子天线300、第二金属柱420以及地板结构200，所述第二电偶极子天线300和所述第二金属柱420固定连接；

所述第一金属柱410将所述地板结构200与所述第一电偶极子天线100固定连接，所述第二金属柱420将所述地板结构200与所述第二电偶极子天线300固定连接；

所述第二电偶极子天线300与所述第一电偶极子天线100背对背设置，且所述第二电偶极子天线300与所述第一电偶极子天线100通过所述地板结构200的耦合缝隙形成耦合连接；所述第一金属柱410和所述第二金属柱420均为磁偶极子；通过所述第一电偶极子天线100接收电磁波，并通过所述地板结构200的耦合缝隙传输至所述第二电偶极子天线300，利用所述第二电偶极子天线300发射出去，以所述第一电磁偶极子天线和所述第二电磁偶极子天线的滤波特性实现所述频率选择表面的频率选择功能。

所述第一金属柱410与所述第二金属柱420组成磁偶极子。

本实施例基于互易定理，将频率选择表面理解成一个小型的天线收发***，从而将频率选择表面的选择性问题变成一个设计天线的滤波特性问题，利用天线的辐射零点，设计具有良好高选择性，角度稳定性良好，宽带的设计频率选择表面，从而大大降低频率选择表面选择性设计的难度。

在本实施例中，将第一电偶极子天线100和第二电偶极子天线300进行背靠背的相连，组成一个小型的“收发***”，接收电磁波，并进行滤波后，发送出去，其结构设计原理如图1所示。

根据互易定理，天线的辐射零点，可以产生对应频率选择表面的传输零点。因此，频率选择表面选择性的传输零点转化为滤波天线的辐射零点的设计，而辐射零点的设计大大减低了频率选择表面的设计难度。滤波天线的设计思路通常有两类：一类是通过馈电结构的滤波电路来实现天线的辐射零点；另外一类是通过天线本身的结构实现辐射零点。根据本实施例的设计思路，选择自带滤波特性的宽带天线（即第一电偶极子天线100和第一金属柱410组成的电磁偶极子天线），在不增加天线厚度和额外电路机构的情况下实现天线的滤波特性，从而实现频率选择表面的低厚度、高选择性、宽带特性、角度稳定性好。

具体地，如图2所示，在本实施例的一种实现方式中，在设置天线收发***时，第一电偶极子天线100为矩形金属片；第一电偶极子天线100设置有第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构，在第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4中，两两区域之间形成挖空的直线缝隙。

进一步地，第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4互为镜像对称的结构；第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4均为C形弯折结构或弧线形结构。在第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4中，各区域均设置有挖空的残角矩形；残角矩形设于各区域的中心位置，并在残角矩形的末端到第一电偶极子天线100的一角形成一段枝节。而且，残角矩形的边长总长度与枝节的长度之和大于高频零点的0.2波长。

值得一提的是，第二电偶极子天线300的结构与第一电偶极子天线100的结构相同。

在实际设置的过程中，频率选择表面全部采用PCB板材的集成化工艺，不需要装配，但不限于采用PCB工艺，只需要实现相同的结构特点也可实现相同的性能，如芯片工艺，CMOS工艺等；如图2所示，第一电偶极子天线100为在矩形金属片中挖空一个残角矩形，沿原矩形中心连接到矩形金属片一角的沿线挖空并在末端生出一段枝节，残角矩形的边长总长度于枝节的长度的总和为大于高频零点的0.2波长。实现陷波结构，实现带外的传输零点。该第一电偶极子天线100由第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构组成。

如图2所示，为了实现对两个极化方向的电磁波调控，并工作在同一个频率范围，本实施例中采用第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构为镜像对称。

在本实施例的另一种实现方式中，若只为了单极化工作或在不同极化方向工作频段不要求一致，第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构可以不用一致；第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构可以采用弯折形式类似于C形的弯折，其可以为多次弯折，也可以是弧线形。弯折的支枝节结构可以向外也可以向里，部分例子如图4所示。第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构距离边界（即第一电偶极子天线100的边界）的距离很小（W7-(2*L1+W1)<0.1波长），形成紧耦合天线的特性，使得天线的带宽变宽。

如图3所示，在本实施例的一种实现方式中，地板结构200设置有十字形缝隙结构，十字形缝隙结构为经过角度圆滑处理的缝隙结构，且十字形缝隙结构总边长大于或等于地板结构总边长。十字形缝隙结构为沿着正交方向形成的大于二段的阶梯状结构，或十字形缝隙结构为沿着正交方向形成的直线状、波浪状结构。

进一步地，十字形缝隙结构的交叉处为直角状或圆弧角状的结构，十字形缝隙结构的端部为直角状结构、钝角状结构、锐角状结构、0度角状结构以及弧形状结构中的任意一种。

在实际设置的过程中，地板结构200为耶路撒冷十字形的缝隙，十字缝隙的作用是将两个极化的电磁波在不同层之间传输。十字缝隙结构为大于等于四条边的多边形以及其角度做圆滑处理的变化形状。在平面结构上看，沿着两个正交方向上2段的阶梯状或者为直线状，波浪线状，两个正交方向上缝隙总长大于0.1波长，宽度大于0.001波长，长度和宽度影响不同层电磁波的传输效率。 当两个极化的电磁波工作不在同一频段时，两个正交方向的缝隙可以不一样。缝隙9和10为分成三部分分布的缝隙宽度不一样，其也可以分成多段，宽度不一样的缝隙。缝隙中角度5 可以是直角也可以是圆弧形，角度6~9 可以是直角、钝角、锐角或者0度或者为弧形，部分变化的例子如图5所示。

具体地，在本实施例的一种实现方式中，磁偶极子为金属柱天线，磁偶极子与地板结构连接，且磁偶极子的两端分别与第一电偶极子天线100和第二电偶极子天线300连接。

在实际设置的过程中，金属柱的作用为构成磁偶极子，其位置应位于第一区域1、第二区域2、第三区域3以及第四区域4这四个结构上，并分别于与四个结构相连接。

具体设计实例，为了实现宽带特性，选用了如图6所示的电磁偶极子天线，其具有宽带以及双极化的特性。将两个电磁偶极子天线背靠背放置，并通过地板的耦合缝隙相连，用来实现频率选择表面，其结构示意如图7所示。采用的介质板板材为Rogers RO4350，频率选择表面整体厚度为0.12波长（中心频率），单元的周期为0.19波长。

具体尺寸为(单位毫米)：L1 = 2.1, L2 = 1.96, L3+ = 1.3, L3- = 1.0, L4 =0.4, L5 = 0.6, L6 = 3.1, L7 = 0.65, W1 = 0.3, W2 = 0.35, W3 = 0.6, W4 = 0.4,W5 = 0.2, W6 = 0.2, W7 = 0.2, 2a = 0.4. D = 1.5, H = 1.524。

其中，L1+L2+L3>0.4个波长，H<=0.5波长，W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7均小于0.5波长，D<W7,L6+2*L4<=W7,L5<=W7,a>0.1mm,W7-(2*L1+W1)<0.1波长）本实施例实现的频率选择表面的频率响应如图8所示，相对3dB通带带宽为38.6 %，-20dB的带外抑制带宽分别为高频带为6.7% ，低频带为13.8%。带宽定义如下：

因为设计的对称性，所以频率对两个极化方向入射波的频率响应一致具有双极化特性。

本实施例采用上述技术方案具有以下效果：

本实施例基于互易定理，将频率选择表面设置成一个小型的天线收发***，通过第一电偶极子天线接收电磁波，并通过地板结构的耦合缝隙传输至第二电偶极子天线，利用第二电偶极子天线发射出去，以第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线的滤波特性实现频率选择表面的频率选择功能，从而将频率选择表面的选择性问题变成一个设计天线的滤波特性问题，利用天线的辐射零点，在不增加天线厚度和额外电路机构的情况下实现天线的滤波特性，从而实现频率选择表面的低厚度、高选择性、宽带特性。

示例性方法

如图9~16所示，基于上述实施例，本实施例提供一种频率选择方法，应用于如上实施例的频率选择表面。

如图16所示，在本实施例的一种实现方式中，包括以下步骤：

步骤S100，通过电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子产生低频传输零点；

步骤S200，通过第一电偶极子天线和第二电偶极子天线形成的开口谐振环产生高频传输零点；

步骤S300，通过所述低频传输零点和/或所述高频传输零点断开传输对应的频率信号，或通过所述低频传输零点和/或所述高频传输零点拒绝接收对应的频率信号。

在一种实现方式中，步骤S100具体包括：

步骤S101，根据电偶极子和磁偶极子的特征阻抗确定电磁偶极子天线的输入阻抗；

步骤S102，将电磁偶极子天线的输入阻抗调整为0或者无穷大，以产生频率选择表面的低频传输零点。

本实施例中频率选择表面各个传输零点的实现以及调控：

低频传输零点的实现具体如下：

电磁偶极子天线可以等效为如图9所示的电路图，电磁偶极子可以分成电偶极子和磁偶极子两个部分。磁偶极子可以等效为一个传输线，其特征阻抗为

，电长度为

，电偶极子等效为磁偶极子的负载

，因此电磁偶极子可以等效为传输线模型：

负载的电偶极子

：

其中，

为电偶极子的特征阻抗

，

和

是电偶极子的长度和等效的宽度，

和

为损耗常数和相位常数。

磁偶极子由四根短路的金属柱组成，

可以等效为平行双线的特征阻抗

的一半。

这里，

为等效的介电常数D为相临金属柱的中心距离，

为金属柱的直径。

因此，电磁偶极子天线的等效输入阻抗为：

当

或者

，电磁偶极子为传输零点，可以产生其对应的频率选择表面的传输零点，具体为：

公式(6)和（7）代表了低频的两个零点，并且H,

, D可以影响两个传输零点的频率。

如图10~12所示，可以发现，随着H的增加，两个传输传输零点（

和

）都将增加，因为H不影响

和

但不会影响

。当D和

增加时，两个传输传输零点（

和

）也将增加。因此低频的两个传输零点可以通过介质板的厚度以及短路金属柱来独立控制。

在一种实现方式中，步骤S200具体包括：

步骤S201，根据第一电偶极子天线的开口谐振环确定产生第一高频频率所需的开口谐振环的长度；

步骤S202，根据第二电偶极子天线的开口谐振环确定产生第二高频频率所需的开口谐振环的长度；

步骤S203，根据第一电流将第一电偶极子天线的开口谐振环调整为谐振状态，并根据默认电流将第二电偶极子天线的开口谐振环调整为不工作状态，以产生基于第一电偶极子天线的高频传输零点；

步骤S204，根据第二电流将第二电偶极子天线的开口谐振环调整为谐振状态，并根据默认电流将第一电偶极子天线的开口谐振环调整为不工作状态，以产生基于第二电偶极子天线的高频传输零点；

步骤S205，将第一高频频率所对应的零点位置与第二高频频率所对应的零点位置进行对调，并通过第一电偶极子天线的开口谐振环与第二电偶极子天线的开口谐振环长度的差异，再次产生两个高频传输零点，以实现带外抑制特性。

高频传输零点的实现具体如下：

为了实现所设计的频率选择表面的带外抑制特性，我们采用了开口谐振环的方式引入高频传输零点，开口谐振环的谐振频率为：

为了进一步的提升设计的频率选择表面的带外抑制特性，采用了不对称的设计，

，通过开口谐振环的尺寸不一样实现两个高频传输零点，即根据第一电偶极子天线的开口谐振环确定产生第一高频频率所需的开口谐振环的长度，根据第二电偶极子天线的开口谐振环确定产生第二高频频率所需的开口谐振环的长度，其中，第一高频频率与第二高频频率所需要的开口谐振环的长度不相等。如图13所示，为采用对称设计与不对称设计的对比，可以发现不对称成性可以有效的提升高频的带外抑制特性，带外-20dB达到了1.2GHz的带宽。

为进一步的说明开口谐振环的影响，设计的频率选择表面在高频零点

,

的电流如图14所示。

由电流分布可以发现，当频率为

时，上层（即第一电偶极子天线）的开口谐振环谐振，此时所采用的电流为第一电流（如图14所示，第一电流为500~600A/m）；而下层（即第二电偶极子天线）的开口谐振环电流很弱，此时所采用的电流为默认电流（如图14所示，默认电流为0~100A/m）处于不工作的状态。

当频率为

时，上层（即第一电偶极子天线）的开口谐振环电流很弱不工作，此时所采用的电流为默认电流（如图14所示，默认电流为0~100A/m）；而下层（即第二电偶极子天线）的开口谐振环电流很强处于强谐振状态，此时所采用的电流为第二电流（如图14所示，第二电流为500~600A/m）。因此可以发现开口谐振环的引入，开口谐振环的强谐振状态，导致电流无法在两个电磁偶极子之间传输，从而形成了传输零点（如图15所示）。而当频率处于带通中，两个电磁偶极子都工作，电磁波可以在两层电磁偶极子之间传输，从而实现传输特性。

在具体的实施过程中，所设置的频率选择表面单元大小为0.19波长，厚度为0.12波长，共由45×45个单元组成，其总体尺寸为 8.56 波长× 8.56波长× 0.12波长。通过测试可以发现，所设计的频率选择表面在40°的入射波下，依然保持了很好的选择特性以及带外抑制特性，具有宽带、低厚度、高选择性、角度稳定性好的特点；此外，通过将第一高频频率所对应的零点位置与第二高频频率所对应的零点位置进行对调，并通过第一电偶极子天线的开口谐振环与第二电偶极子天线的开口谐振环长度的差异，可以再次产生两个高频传输零点，以实现带外抑制特性。

本实施例采用上述技术方案具有以下效果：

本实施例基于互易定理，将频率选择表面设置成一个小型的天线收发***，通过第一电偶极子天线接收电磁波，并通过地板结构的耦合缝隙传输至第二电偶极子天线，利用第二电偶极子天线发射出去，以第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线的滤波特性实现频率选择表面的频率选择功能，从而将频率选择表面的选择性问题变成一个设计天线的滤波特性问题，利用天线的辐射零点，在不增加天线厚度和额外电路机构的情况下实现天线的滤波特性，从而实现频率选择表面的低厚度、高选择性、宽带特性、角度稳定性好。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。

综上，本发明提供了一种频率选择表面单元、频率选择表面及频率选择方法，包括：第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线；第一电磁偶极子天线设置于第二电磁偶极子天线的上方，且通过背靠背的方式连接，以形成间距小且具有双极化的紧耦合天线；第一电磁偶极子天线包括：第一电偶极子天线和第一金属柱；第一电偶极子天线和所述第一金属柱固定连接；第二电磁偶极子天线包括：第二电偶极子天线、第二金属柱以及地板结构，第二电偶极子天线和第二金属柱固定连接；本发明通过将第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线设置为自带滤波特性的宽带天线，在不增加天线厚度和额外电路结构的情况下实现天线的滤波特性，从而使得频率选择表面具有低厚度、高选择性以及宽带的特性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种频率选择表面单元，其特征在于，所述频率选择表面单元包括：

第一电磁偶极子天线和第二电磁偶极子天线；所述第一电磁偶极子天线设置于所述第二电磁偶极子天线的上方，且通过背靠背的方式连接，以形成间距小且具有双极化的紧耦合天线；

所述第一电磁偶极子天线包括：第一电偶极子天线和第一金属柱；所述第一电偶极子天线和所述第一金属柱固定连接；

所述第二电磁偶极子天线包括：第二电偶极子天线、第二金属柱以及地板结构，所述第二电偶极子天线和所述第二金属柱固定连接；

所述第一金属柱将所述地板结构与所述第一电偶极子天线固定连接，所述第二金属柱将所述地板结构与所述第二电偶极子天线固定连接；

所述第二电偶极子天线与所述第一电偶极子天线背对背设置，且所述第二电偶极子天线与所述第一电偶极子天线通过所述地板结构的耦合缝隙形成耦合连接；

所述第一金属柱和所述第二金属柱均为磁偶极子；通过所述第一电磁偶极子天线接收电磁波，并通过所述地板结构的耦合缝隙传输至所述第二电磁偶极子天线，利用所述第二电磁偶极子天线发射出去；

分别将所述第一电磁偶极子天线和所述第二电磁偶极子天线的输入阻抗调整为0或者无穷大，以产生低频传输零点，并且，分别通过所述第一电偶极子天线形成的开口谐振环和所述第二电偶极子天线形成的开口谐振环产生高频传输零点，以所述第一电磁偶极子天线和所述第二电磁偶极子天线的滤波特性实现所述频率选择表面的频率选择功能；

所述第一电偶极子天线为矩形金属片；

所述矩形金属片在距离所述频率选择表面单元的边界小于0.1波长；

所述第一电偶极子天线设置有第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域，在所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域中，两两区域之间形成挖空的直线缝隙；所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域均为C形弯折结构或弧线形结构；

所述第二电偶极子天线的结构与所述第一电偶极子天线的结构特点相同。

2.根据权利要求1所述的频率选择表面单元，其特征在于，所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域互为镜像对称的结构。

3.根据权利要求2所述的频率选择表面单元，其特征在于，在所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域以及所述第四区域中，各区域均设置有挖空的残角矩形；所述残角矩形设于各区域的中心位置，并在所述残角矩形的末端到所述第一电偶极子天线的一角形成一段枝节。

4.根据权利要求1所述的频率选择表面单元，其特征在于，所述地板结构设置有十字形缝隙结构，所述十字形缝隙结构为经过角度圆滑处理的缝隙结构，且所述十字形缝隙结构总边长大于或等于0.1波长。

5.根据权利要求4所述的频率选择表面单元，其特征在于，所述十字形缝隙结构为沿着正交方向形成的大于二段阶梯状结构，或所述十字形缝隙结构为沿着正交方向形成的直线状、波浪状结构。

6.根据权利要求4所述的频率选择表面单元，其特征在于，所述十字形缝隙结构的交叉处为直角状或圆弧角状的结构，所述十字形缝隙结构的端部为直角状结构、钝角状结构、锐角状结构、0度角状结构以及弧形状结构中的任意一种。

7.一种频率选择表面，其特征在于，包括：多个如权利要求1~6任一项所述的频率选择表面单元。

8.一种频率选择方法，其特征在于，应用于如权利要求7所述的频率选择表面，所述频率选择方法包括：

通过第一电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子产生低频传输零点，并通过第二电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子产生低频传输零点；

分别通过第一电偶极子天线形成的开口谐振环和第二电偶极子天线形成的开口谐振环产生高频传输零点；

通过所述低频传输零点和/或所述高频传输零点断开传输对应的频率信号，或通过所述低频传输零点和/或所述高频传输零点拒绝接收对应的频率信号。

9.根据权利要求8所述的频率选择方法，其特征在于，所述通过第一电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子产生低频传输零点，包括：

根据所述第一电磁偶极子天线的电偶极子和磁偶极子的特征阻抗确定所述第一电磁偶极子天线的输入阻抗；

将所述第一电磁偶极子天线的输入阻抗调整为0或者无穷大，以产生所述第一电磁偶极子天线的低频传输零点。

10.根据权利要求8所述的频率选择方法，其特征在于，所述分别通过第一电偶极子天线形成的开口谐振环和第二电偶极子天线形成的开口谐振环产生高频传输零点，包括：

根据所述第一电偶极子天线的开口谐振环确定产生第一高频频率所需的开口谐振环的长度；

根据所述第二电偶极子天线的开口谐振环确定产生第二高频频率所需的开口谐振环的长度；

根据第一电流将所述第一电偶极子天线的开口谐振环调整为谐振状态，并根据默认电流将所述第二电偶极子天线的开口谐振环调整为不工作状态，以产生基于所述第一电偶极子天线的高频传输零点；

根据第二电流将所述第二电偶极子天线的开口谐振环调整为谐振状态，并根据默认电流将所述第一电偶极子天线的开口谐振环调整为不工作状态，以产生基于所述第二电偶极子天线的高频传输零点；

将所述第一高频频率所对应的零点位置与所述第二高频频率所对应的零点位置进行对调，并通过所述第一电偶极子天线的开口谐振环与所述第二电偶极子天线的开口谐振环长度的差异，再次产生两个高频传输零点，以实现带外抑制特性。

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