CN116706561A - 宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构 - Google Patents

宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，该结构的每个频率选择表面结构单元包括从上至下依次粘合的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；所述第一金属层、第二金属层和第三金属层结构大小相同。第一金属层包括第一正方形贴片，其上刻蚀第一弯折缝隙方环和第二弯折缝隙方环，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；第二金属层包括第二正方形贴片，其上刻蚀第三弯折缝隙方环；第三金属层包括第三正方形贴片，其上刻蚀第四弯折缝隙方环和第五弯折缝隙方环，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠。本发明提出的频率选择结构具有宽通带、零点可控、极化不敏感、高选择性、斜入射性能稳定等优点，非常适合现代无线通信***。

Description

宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，特别是一种宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构及其设计方法。
背景技术
频率选择结构(FSS，Frequencyselectivestructure)是由相同的单元按照周期性排列构成的人工电磁结构阵列。它对不同工作频率、极化状态和入射角度的空间电磁波具有不同的选择性能，因而可以看作空间电磁波的滤波器。FSS在雷达天线罩、天线反射器、极化器等领域得到了广泛的应用。
将FSS天线罩外部加载到具有扫描特性的相控阵天线上时，在广入射角下也能保持稳定的滤波特性变得至关重要。此外，高选择性使得通带内外输出的波能量相差很大，可以有效提高无线通信***的通信质量和抗干扰能力，保证电磁***的高效运行。
文献“Miniaturized-ElementBandpassFSSbyLoadingCapacitiveStructures,”(P.C.Zhao,Z.Y.Zong,W.Wu,B.LiandD.G.Fang,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.67,no.5,pp.3539-3544,May2019)提出的一种卷积频率选择表面，可以在谐振频率下提供小至自由空间波长4.84％的单元尺寸，并在高达60°的入射角下实现稳定的性能，该结构角度稳定性良好，但其通带两侧滚降缓慢且带外抑制较差。
文献“DesignandAnalysisofaHigh-SelectivityFrequency-SelectiveSurfaceat60GHz,”(D.S.Wang,P.ZhaoandC.H.Chan,IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.64,no.6,pp.1694-1703,June2016)利用孔径耦合谐振器(ApertureCoupledResonators，ACRs)实现了60GHz的高选择性频率选择表面，提出了一种基于主电耦合的新型ACR FSS结构，所构造的同相信号路径在窄通带的边缘附近产生两个传输零点，从而大大提高了选择性，该结构在提高选择性方面效果显著，但相对带宽较窄，角度稳定性也较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有零点可控的新型FSS，并且可在宽入射角范围内实现高选择性性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一方面，提供了一种宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，所述频率选择结构包括形成周期性阵列的若干频率选择表面结构单元，每个所述频率选择表面结构单元包括从上至下依次粘合的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层；所述第一金属层、第二金属层和第三金属层结构大小相同；
所述第一金属层包括第一正方形贴片，其上刻蚀第一弯折缝隙方环和第二弯折缝隙方环，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；
所述第二金属层包括第二正方形贴片，其上刻蚀第三弯折缝隙方环；
所述第三金属层包括第三正方形贴片，其上刻蚀第四弯折缝隙方环和第五弯折缝隙方环，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；
上述所有弯折缝隙方环的结构为：正方形缝隙环的每条边上设有向内的矩形凹槽；
所述第二弯折缝隙方环、第三弯折缝隙方环和第四弯折缝隙方环用于产生三个传输极点；所述第一弯折缝隙方环和第五弯折缝隙方环用于引入两个传输零点。
进一步地，各弯折缝隙方环的长度和宽度均可调，用于调节频率选择表面的滤波特性。
进一步地，各弯折缝隙方环的环路长度的计算方式为：
根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式计算弯折缝隙方环的谐振点频率对应的波长λ：
λ＝c/f
其中，c为真空中光的传播速度，f为谐振点频率；
令λ为弯折缝隙方环的环路长度，根据该环路长度确定弯折缝隙方环各边边长。
进一步地，所述第二弯折缝隙方环、第三弯折缝隙方环、第四弯折缝隙方环的位置相对应，且三者的结构尺寸相近，尺寸差值在预设阈值范围内。
进一步地，所述第一弯折缝隙方环、第五弯折缝隙方环的尺寸均可调，进而实现位置可调，可分别位于第二弯折缝隙方环、第四弯折缝隙方环的内侧或外侧，用于调节两个传输零点的位置；所述第一弯折缝隙方环位于外侧、第五弯折缝隙方环位于内侧时，两个传输零点分别位于通带两侧；所述第一弯折缝隙方环、第五弯折缝隙方环均位于内侧或外侧时，两个传输零点位于通带同一侧。
进一步地，所述第一介质层、第二介质层均采用Rogers5880基板。
进一步地，各金属层采用半固化片Rogers4450F进行粘合。
另一方面，提供了一种宽角度，高选择性，零点可控制的频率选择结构的设计方法，包括如下步骤：
1)设计三阶带通切比雪夫响应结构，选择介质层的介质板材料，根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式，推导出频率选择表面结构单元周期及第二弯折缝隙方环、第三弯折缝隙方环、第四弯折缝隙方环的环路长度，并确定其各边边长；
2)设计低频阻带结构，根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式，推导出第一弯折缝隙方环的环路长度，并确定其各边边长；
3)设计高频阻带结构，根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式，推导出第五弯折缝隙方环的环路长度，并确定其各边边长；
4)通过调整各弯折缝隙方环的长度及宽度对频率选择表面的滤波特进行微调。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明具有高选择性，使用三层金属结构在通带两侧各引入一个传输零点，实现通带两侧的双边陡降，减少了通带与阻带之间的过渡带。
(2)本发明具有零点灵活控制的优点，引入的两个零点位置可以在双侧也可以在同一侧，并且零点的频率可以独立控制而不影响通带。
(3)本发明具有大角度稳定性，在不同极化和60°斜入射情况下仍具有良好的传输响应。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中频率选择结构的立体图。
图2为一个实施例中频率选择结构的具体结构侧视图。
图3为一个实施例中频率选择结构的第一金属层单元结构俯视图。
图4为一个实施例中频率选择结构的第二金属层单元结构俯视图。
图5为一个实施例中频率选择结构的第三金属层单元结构俯视图。
图6为一个实施例中频率选择结构可实现的三种S参数仿真结果图。
图7为一个实施例中频率选择结构中类型一的S参数仿真结果图。
图8为一个实施例中频率选择结构中类型一随参数d3变化的透射系数曲线图。
图9为一个实施例中频率选择结构中类型一随参数d5变化的透射系数曲线图。
图10为一个实施例中频率选择结构中类型一在TE极化入射波下不同入射角下的透射系数曲线图。
图11为一个实施例中频率选择结构中类型一在TM极化入射波下不同入射角下的透射系数曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，所述频率选择结构包括形成周期性阵列的若干频率选择表面结构单元，每个所述频率选择表面结构单元包括从上至下依次粘合的第一金属层6、第一介质层9、第二金属层7、第二介质层10、第三金属层8；所述第一金属层6、第二金属层7和第三金属层8结构大小相同；
所述第一金属层6包括第一正方形贴片，其上刻蚀第一弯折缝隙方环1和第二弯折缝隙方环2，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；
所述第二金属层7包括第二正方形贴片，其上刻蚀第三弯折缝隙方环3；
所述第三金属层8包括第三正方形贴片，其上刻蚀第四弯折缝隙方环4和第五弯折缝隙方环5，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；
上述所有弯折缝隙方环的结构为：正方形缝隙环的每条边上设有向内的矩形凹槽；
所述第二弯折缝隙方环2、第三弯折缝隙方环3和第四弯折缝隙方环4用于产生三个传输极点；所述第一弯折缝隙方环1和第五弯折缝隙方环5用于引入两个传输零点。
这里，各弯折缝隙方环的长度和宽度均可调，用于调节频率选择表面的滤波特性。
这里，各弯折缝隙方环的环路长度的计算方式为：
根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式计算弯折缝隙方环的谐振点频率对应的波长λ：
λ＝c/f
其中，c为真空中光的传播速度，f为谐振点频率；
令λ为弯折缝隙方环的环路长度，根据该环路长度确定弯折缝隙方环各边边长。
所述第二弯折缝隙方环2、第三弯折缝隙方环3、第四弯折缝隙方环4的位置相对应，且三者的结构尺寸相同或相近尺寸差在预设阈值范围内。
电磁波垂直入射时，与电场方向平行的金属线部分等效为电感，电场方向垂直于金属线之间的缝隙等效为电容，因此弯折缝隙方环构成并联电容电感电路。第二弯折缝隙方环2、第三弯折缝隙方环3和第四弯折缝隙方环4均建模为并联电容电感谐振电路，产生三个传输极点；而第一弯折缝隙方环1和第五弯折缝隙方环5作为悬挂谐振器，直接耦合到第一个和最后一个谐振器，将悬挂谐振器视为集成在带通滤波器内的阻带谐振器，可额外引入两个传输零点，滤波响应的选择性得到大幅改善。
传输零点的位置取决于第一弯折缝隙方环1和第五弯折缝隙方环5的谐振长度。如图1所示，第一弯折缝隙方环1的环路长度相较于第二弯折缝隙方环2更长，其谐振频率相较于工作频率更低，所以该传输零点位于通带左侧。而第五弯折缝隙方环5的环路长度相较于第四弯折缝隙方环4更短，其谐振频率相较于工作频率更高，所以该传输零点位于通带右侧。将此结构布局命名为类型一(TypeI)，其S参数如图6所示，图中类型二(TypeII)和类型三(TypeIII)分别对应以下两种情况：如果第一弯折缝隙方环1和第五弯折缝隙方环5的谐振长度均更短些，即分别位于第二弯折缝隙方环2和第四弯折缝隙方环4的内侧，那么两个传输零点的位置都位于通带右侧；如果第一弯折缝隙方环1和第五弯折缝隙方环5的谐振长度均更长些，即分别位于第二弯折缝隙方环2和第四弯折缝隙方环4的外侧，则两个传输零点的位置都位于通带左侧。(本发明中只举例绘制出类型一的对应结构，即图1，其他两种类型可根据上述描述获知。)
本发明频率选择结构的设计方法，包括如下步骤：
1)设计三阶带通切比雪夫响应结构，选择介质层的介质板材料，根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式，推导出频率选择表面结构单元周期及第二弯折缝隙方环2、第三弯折缝隙方环3、第四弯折缝隙方环4的环路长度，并确定其各边边长；
2)设计低频阻带结构，根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式，推导出第一弯折缝隙方环1的环路长度，并确定其各边边长；
3)设计高频阻带结构，根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式，推导出第五弯折缝隙方环5的环路长度，并确定其各边边长；
4)通过调整各弯折缝隙方环的长度及宽度对频率选择表面的滤波特进行微调。
优选地，所述周期性阵列为矩形阵列。
优选地，所述的第一介质层9和第二介质层10采用Rogers5880基板；各金属贴片层采用半固化片Rogers4450F进行粘合。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
对类型一进行更深一步的仿真分析。本实施例中，所采用的第一介质层9、第二介质层10的相对介电常数为2.2，厚度为2.75mm，所述正方形缝隙环的每条边上设置的矩形凹槽位于该边的中心位置。所述频率选择结构的尺寸规格如图3至图5所示，各尺寸参数如下：第一弯折缝隙方环1的边长由2*(该边长上位于矩形凹槽一侧的长度l1＝0.9mm),2*(矩形凹槽的宽度d1＝0.6mm),矩形凹槽的长度w1＝0.6mm五段长度叠加，第二弯折缝隙方环2的边长由2*(该边长上位于矩形凹槽一侧的长度l2＝0.9mm)，2*(矩形凹槽的宽度d2＝0.5mm),矩形凹槽的长度w2＝0.2m五段长度叠加，第三弯折缝隙方环3的边长由2*(该边长上位于矩形凹槽一侧的长度l3＝1.3mm),2*(矩形凹槽的宽度d3＝0.6mm),矩形凹槽的长度w3＝0.2mm五段长度叠加，第四弯折缝隙方环4的边长由2*(该边长上位于矩形凹槽一侧的长度l4＝1.2mm),2*(矩形凹槽的宽度d4＝0.1mm)，矩形凹槽的长度w4＝0.3mm五段长度叠加，第五弯折缝隙方环5的边长由2*(该边长上位于矩形凹槽一侧的长度l5＝0.7mm),2*(矩形凹槽的宽度d5＝0.4mm)，矩形凹槽的长度w5＝0.55mm五段长度叠加。缝隙的宽度均为c＝0.1mm。
本实施例在电磁仿真软件CST中进行建模仿真，其S参数如图7所示，可以看出该频率选择结构的中心频率为21.3GHz，3dB带宽约为4.5GHz(19.1GHz-23.6GHz)，相对带宽为21％。此外，在图中可以清楚的观察到两个传输零点分别在17.7GHz和25.4GHz，传输零点的引入增强了通带外的陡峭性。图8和图9分别为类型一随参数d3和d5变化的透射系数曲线图，从图中能看出可以通过改变相应的物理参数来独立控制传输零点而不影响通带。
图10和图11分别为TE和TM极化入射波下，本发明的频率选择结构在60°斜入射的情况下的透射曲线图。可以看出，在TE波入射下，通带内的***损耗稍微有所增大，中心频率几乎不变；在TM波入射下，通带和阻带特性基本保持稳定。因此，本发明频率选择结构具有良好的角度稳定性和极化稳定性。
综上，本发明提出的频率选择结构具有宽通带、零点可控、极化不敏感、高选择性、斜入射性能稳定等优点，非常适合现代无线通信***。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，所述频率选择结构包括形成周期性阵列的若干频率选择表面结构单元，每个所述频率选择表面结构单元包括从上至下依次粘合的第一金属层(6)、第一介质层(9)、第二金属层(7)、第二介质层(10)、第三金属层(8)；所述第一金属层(6)、第二金属层(7)和第三金属层(8)结构尺寸相同；
所述第一金属层(6)包括第一正方形贴片，其上刻蚀第一弯折缝隙方环(1)和第二弯折缝隙方环(2)，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；
所述第二金属层(7)包括第二正方形贴片，其上刻蚀第三弯折缝隙方环(3)；
所述第三金属层(8)包括第三正方形贴片，其上刻蚀第四弯折缝隙方环(4)和第五弯折缝隙方环(5)，两个弯折缝隙方环套叠但不重叠；
上述所有弯折缝隙方环的结构为：正方形缝隙环的每条边上设有向内的矩形凹槽；
所述第二弯折缝隙方环(2)、第三弯折缝隙方环(3)和第四弯折缝隙方环(4)用于产生三个传输极点；所述第一弯折缝隙方环(1)和第五弯折缝隙方环(5)用于引入两个传输零点。
2.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，各弯折缝隙方环的长度和宽度均可调，用于调节频率选择表面的滤波特性。
3.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，各弯折缝隙方环的环路长度的计算方式为：
根据缝隙型频率选择表面的谐振频率计算公式计算弯折缝隙方环的谐振点频率对应的波长λ：
λ＝c/f
其中，c为真空中光的传播速度，f为谐振点频率；
令λ为弯折缝隙方环的环路长度，根据该环路长度确定弯折缝隙方环各边边长。
4.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，所述第二弯折缝隙方环(2)、第三弯折缝隙方环(3)、第四弯折缝隙方环(4)的位置相对应，且三者的结构尺寸相近，尺寸差值在预设阈值范围内。
5.根据权利要求2所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，所述第一弯折缝隙方环(1)、第五弯折缝隙方环(5)的尺寸均可调，进而实现位置可调，可分别位于第二弯折缝隙方环(2)、第四弯折缝隙方环(4)的内侧或外侧，用于调节两个传输零点的位置；所述第一弯折缝隙方环(1)位于外侧、第五弯折缝隙方环(5)位于内侧时，两个传输零点分别位于通带两侧；所述第一弯折缝隙方环(1)、第五弯折缝隙方环(5)均位于内侧或外侧时，两个传输零点位于通带同一侧。
6.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，所述第一介质层(9)、第二介质层(10)均采用Rogers5880基板。
7.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，各金属层采用半固化片Rogers4450F进行粘合。
8.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，所述周期性阵列为矩形阵列。
9.根据权利要求1所述的宽角度、高选择性、零点可控制的频率选择结构，其特征在于，所述第一介质层(9)、第二介质层(10)的相对介电常数为2.2，厚度为2.75mm。
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