CN211404744U - 一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构 - Google Patents

一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构。包括多个紧密排列周期单元结构,每个周期单元结构包括顶底层金属贴片、介质板以及上下半金属过孔组成;顶底层金属贴片分别贴于介质板上下表面,并以介质板中心立体对称;顶底层金属贴片均包括圆形贴片和矩形贴片连接而成;圆形贴片布置于介质板表面的中心处,半金属过孔位于介质板表面上/下边沿的中间,圆形贴片和半金属过孔之间通过矩形贴片连接。本实用新型适用于超小型化、超薄结构以及宽入射角稳定的频率选择表面设计,其单元尺寸与厚度极小,谐振频率在0~88°的入射角度范围内稳定不变。

Description

一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构
技术领域
本实用新型涉及超表面技术领域,特别是涉及了一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,可应用于超小型化、超薄结构以及宽入射角稳定的频率选择表面设计。
背景技术
频率选择表面FSS(Frequency selective surfaces),又称为空间滤波器,通常由二维周期结构组成。对特定频率下的入射电磁波有透射、反射或者吸收的功能,因此广泛的应用在高性能天线罩雷达罩、天线反射板、空间电磁干扰屏蔽和吸收体、电磁隐身的设计中。
过去二十多年,大量专家学者对频率选择表面进行了深入研究,由简单的单阶谐振结构,到结构复杂的多阶宽带宽、可调功能实现,再到工作带边沿陡降性研究,都取得了众多技术突破。但是,众多的研究是基于电磁波垂直入射的情况下进行的。随着通信技术的高速发展,实际应用需要基于FSS设计的功能器件对入射角度不敏感,才能保证所属***的高性能工作。然而FSS结构往往对入射角度很敏感,随着入射角度的改变,FSS的工作频率将会发生偏移,造成***性能的下降,使得如何提高频率选择表面的角度性能成为一大挑战。此外,随着通信向高频高速、芯片封装等功能器件向高集成度方向的发展,传统基于波动物理谐振的频率选择表面结构尺寸需要同工作频率波长相比拟,造成结构庞大不利于工程实现以及***小型化的需求,这使得可应用于芯片封装等狭小空间内的超小型化超薄FSS结构成为另一大挑战。因此,如何设计一种对入射电磁波全角不敏感的超小型化、超薄FSS结构对于新一代移动通信技术的发展是至关重要的。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的不足,本实用新型提供了一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,充分利用结构层间强电耦合,实现结构极高的小型化程度,实现结构谐振频率对入射电磁波的完全不敏感。本实用新型适用于超小型化、超薄结构以及宽入射角稳定的频率选择表面设计,其单元尺寸与厚度极小,谐振频率在0~88°的入射角度范围内稳定不变。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是:
所述频率选择表面结构包括多个紧密排列的周期单元结构,每个周期单元结构主要由一层介质层和两层金属层以及连接两层金属层的金属过孔组成,其中两层金属层分别贴于介质层两表面;所述周期单元结构包括顶层金属贴片P1、介质板D0和底层金属贴片P2,以及连接顶层金属贴片P1和底层金属贴片P2之间的上下半金属过孔V1和V2组成;顶层金属贴片P1贴于介质板D0上表面,底层金属贴片P2贴于介质板D0下表面,底层金属贴片P2为顶层金属贴片P1以介质板D0的立体几何中心为中心的立体对称布置;所述顶层金属贴片P1主要由顶圆形贴片A1和顶矩形贴片B1连接而成;顶圆形贴片A1布置于介质板D0上表面的中心处,下半金属过孔V1位于介质板D0上表面下边沿的中间,顶圆形贴片A1和下半金属过孔V1之间通过顶矩形贴片B1连接;所述底层金属贴片P2主要由底圆形贴片A2和底矩形贴片B2连接而成;底圆形贴片A2布置于介质板D0下表面的中心处,上半金属过孔V0位于介质板D0下表面上边沿的中间,底圆形贴片A2和上半金属过孔V2之间通过底矩形贴片B2连接。
所述顶圆形贴片A1和底圆形贴片A2圆形大小相同。
所述的顶矩形贴片B1和底矩形贴片B2以介质板D0的立体几何中心为中心立体对称,下半金属过孔V1位置和上半金属过孔V2位置以介质板D0的立体几何中心为中心立体对称。
频率选择表面结构中,同一列的多个周期单元结构相连接,同一列的多个周期单元结构的顶矩形贴片B1和底矩形贴片B2均平行布置,使得相邻两个周期单元结构中,位于上侧的周期单元结构的下半金属过孔V1和位于下侧的周期单元结构的上半金属过孔V2对接拼成完成的一个圆形过孔,使得位于上侧的周期单元结构的顶矩形贴片B1和位于下侧的周期单元结构的底矩形贴片B2通过圆形过孔连接。
所述的介质板D0采用Rogers RT5880板材,介电常数为2.2,介质损耗角正切值为0.0009。
所述的入射于所述频率选择表面结构的电磁波频率为1GHz-5GHz。
入射于所述频率选择表面结构的电磁波角度在±88°范围内变化时,传输零点始终保持在2.35GHz不变。
应用于对角度不敏感天线罩、雷达罩以及全角稳定吸收体,在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。
本实用新型是一个反射型FSS,当自由空间中电磁波入射到所述频率选择表面结构,会对特定入射频率的电磁波产生选择特性,使得工作频段的电磁波信号全部反射,而带外信号可以通过所述频率选择表面结构,同时结构谐振频率对入射角度完全不敏感。
本实用新型适用于超小型化、超薄结构以及宽入射角稳定的频率选择表面设计,其单元尺寸与厚度极小,谐振频率在0~88°的入射角度范围内稳定不变。可以很好的应用在角度不敏感天线罩、雷达罩以及全角稳定吸收体的设计中,在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。
本实用新型的天线罩工作原理如下:
当空间中电磁波以不同的角度θ到达结构表面时,会在结构上激励其不一样的模式,使得在不同入射角度下结构的等效参数发生变化,从而使得结构的性能发生改变,为了克服入射角度问题,本实用新型提出强耦合频率选择表面的设计概念来提高FSS结构的角度稳定性能;
本实用新型提出了强耦合频率选择表面的设计概念,在单元结构的几何中心处,顶层与底层金属分别分布着圆形贴片A1和A2,又由于本设计采用一层很薄的介质层,因此,顶层与底层所对应的圆形金属之间存在很强的耦合作用,将电场始终束缚在两个圆片中间,从而形成强耦合电容,在斜入射时,该强耦合也不会被入射的电磁波所改变,始终保持稳定模式,故而所提出强耦合频率选择表面具有很好的角度稳定性能。
如图6所示,在谐振频率2.35GHz下介质中间处的电场分布,可以发现电场被完全束缚在顶层圆形贴片A1和底层圆形贴片A2间,从等效电路的角度出发,其可以等效为大电容Cs。
在频率选择表面结构的谐振频率2.35GHz下的结构电流分布如图7所示,电流主要集中在上下两层矩形贴片B1和B2,以及连接上下两层的金属过孔上。因此,矩形金属贴片可以视为电感L0,同样金属过孔也等效为电感Lv。所提出的结构的等效电路模型如图2所示,电感L0和Lv可以等效为一个电感Ls,电感Ls和耦合电容Cs组成LC串联谐振电路,从而在谐振频率
Figure BDA0002337082880000031
附近形成阻带,使得该频段的入射电磁波被反射。
连接上下两层矩形贴片的金属过孔V1和V2对角度稳定性非常重要,如果没有该金属过孔,结构谐振的原理属于波动物理,谐振的产生主要受到结构点尺寸长度的影响,将会对入射角度特别敏感;而金属过孔的存在,保证了结构始终处于电路物理,保证了结构的角度稳定性。
本实用新型的有益效果是:
本实用新型强耦合频率选择表面采用了层间的强耦合机制实现频率选择表面结构的超小型化设计,最终单元尺寸约为0.07λ,可以在狭小空间内可放置更多的单元,从而使得所制作板子更接近于无限周期结构,此外,该结构厚度极薄,减少了结构的整体重量,更加轻便,有利于***的小型化与集成设计,但该小型化程度仍适用于传统PCB工艺进行加工生产。
本实用新型的结构可以等效为一个LC串联谐振电路,在谐振频率2.35GHz附近产生一个稳定阻带,其中-10dB抑制带宽达到2GHz(1.5GHz~3.5GHz),对该频段内的入射电磁波有很好的抑制效果。
本实用新型独特的结构设计,使得本实用新型具有极好的角度稳定性能,在±88°的入射角度范围内,其传输零点相当稳定,即使在接近90°时,谐振频率仍然稳定在2.35GHz处,实现了对入射电磁波的全角不敏感性。
的设计中有重大突破,在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。
本实用新型所提出的强耦合频率选择表面可广泛拓展于对角度不敏感的高性能天线罩、雷达罩以及全角稳定吸收体设计中,同时在FSS功能器件小型化、5G等现代通信、雷达及军事通信中具有极高的应用价值。
综合来说,本实用新型适用于超小型化、超薄结构以及宽入射角稳定的频率选择表面设计,其谐振频率能够在全角范围[0°~90°)内保持不变,突破了传统FSS结构对入射角度敏感的限制,给高性能FSS功能器件设计提供设计方案与理论指导。在现代通信、雷达及军事国防等领域应用价值巨大。
附图说明
图1是本实用新型实施例的天线罩三维结构图;
图2是本实用新型单元结构三维视图及其对应的等效电路模型;
图3是本实用新型单元结构的主视图;
图4是本实用新型单元结构的顶层金属结构视图;
图5是本实用新型单元结构的底层金属结构视图;
图6是本实用新型单元结构在2.35GHz时介质中电场分布视图;
图7是本实用新型单元结构在2.35GHz时顶层金属结构中电流分布视图;
图8是本实用新型在入射电磁波多角度入射时的传输谱;
图9是本实用新型对应等效电路模型仿真结果同全波仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
如图1所示,具体实施的频率选择表面结构包括多个紧密排列的周期单元结构,每个周期单元结构主要由一层介质层和两层金属层以及连接两层金属层的金属过孔组成,其中两层金属层分别贴于介质层两表面。
如图2和图3所示,周期单元结构包括顶层金属贴片P1、介质板D0和底层金属贴片P2,以及连接顶层金属贴片P1和底层金属贴片P2之间的上下半金属过孔V1和V2组成;顶层金属贴片P1贴于介质板D0上表面,底层金属贴片P2贴于介质板D0下表面,底层金属贴片P2为顶层金属贴片P1以介质板D0的立体几何中心为中心的立体对称布置。
如图4所示,顶层金属贴片P1主要由顶圆形贴片A1和顶矩形贴片B1连接而成;顶圆形贴片A1布置于介质板D0上表面的中心处,下半金属过孔V1位于介质板D0上表面下边沿的中间,顶圆形贴片A1和下半金属过孔V1之间通过顶矩形贴片B1连接。如图5所示,底层金属贴片P2主要由底圆形贴片A2和底矩形贴片B2连接而成;底圆形贴片A2布置于介质板D0下表面的中心处,上半金属过孔V2位于介质板D0下表面上边沿的中间,底圆形贴片A2和上半金属过孔V2之间通过底矩形贴片B2连接。
如图2所示,顶圆形贴片A1和底圆形贴片A2圆形大小相同,顶矩形贴片B1和底矩形贴片B2以介质板D0的立体几何中心为中心立体对称,下半金属过孔V1位置和上半金属过孔V2位置以介质板D0的立体几何中心为中心立体对称。
频率选择表面结构中,同一行的多个周期单元结构不相连接,同一列的多个周期单元结构相连接,同一列的多个周期单元结构的顶矩形贴片B1和底矩形贴片B2均平行布置,使得相邻两个周期单元结构中,位于上侧的周期单元结构的下半金属过孔V1和位于下侧的周期单元结构的上半金属过孔V2对接拼成完成的一个圆形过孔,使得位于上侧的周期单元结构的顶矩形贴片B1和位于下侧的周期单元结构的底矩形贴片B2通过圆形过孔连接,这样顶层与底层金属通过结构边缘处的金属过孔连接,同一列的多个周期单元结构相连接后的上侧和下侧两端引出连接同一列的多个周期单元结构上下两侧的半金属过孔分别与其相邻单元结构的首尾半金属过孔相连接。
具体实施中,介质板D0采用Rogers RT5880板材,介电常数为2.2,介质损耗角正切值为0.0009。
本实用新型实施例以全角反射体为例,具体阐述本实用新型各个部分的实施方式及各个结构参数对于该模型性能的影响:
如图1所示,实施例采用了20*20的周期单元阵列,本实用新型中单元周期为10mm,各部分结构尺寸如表1所示,在实际应用中可根据具体的设计目标进行相应尺寸的选择。当顶层圆形金属贴片A1与底层圆形金属贴片A2的相对面积增大时,会使得阻带向低频方向移动,这主要是由于A1和A2控制着强耦合电容的大小,当他们相对面积增大时,相应的电容Cs增大,从而使得谐振频率向低频移动;同样,当顶层金属贴片B1或者顶层金属贴片B2宽度增大时,阻带将会向高频方向移动,这主要是由于当B1或者B2宽度增大时,其等效电感会相应减小,使得传输零点增大。
此外,该结构的介质对频率选择表面性能有着很大的影响,因为介质的介电常数和介质厚度将会控制顶层和底层金属圆片间的耦合。当介电常数增大时,谐振频率将会向低频移动,同样的,当介质厚度增加时将会使得该耦合减弱,使得谐振频率向高频移动。介质的重要影响为频率选择表面性能的调节增加了一个重要参考点,使得目标结构设计更加灵活。
表1本实用新型结构各部分尺寸
P l<sub>0</sub> W<sub>0</sub> r<sub>1</sub>
10mm 3mm 0.11mm 2mm
r<sub>2</sub> ε<sub>r</sub> h<sub>0</sub>
0.15mm 2.2 0.254mm
本实用新型中介质板采用的Rogers RT5880板材,其周期单元尺寸为10mm。该板材的特点是其介质损耗非常小,因此对通带的***损耗影响更小一些。但是该板材的价格比较高,在实际的应用中可以根据既定目标,选择合适的介质种类进行设计。
强耦合频率选择表面是本实用新型的设计与方法创新。传统频率选择表面的设计主要考虑同一层内结构间的耦合,与传统的设计不同,本实用新型提出的强耦合频率选择表面除了考虑同一层的耦合,同时引入不同层间结构的耦合,该耦合的强度受到结构相对面积以及介质介电常数、厚度等参数的影响,使得结构的调整增加了更多的维度,使得结构的设计更加灵活。此外,引入的层间的强耦合对结构的小型化设计非常有利,可以使得结构小型化程度极小,使得结构对入射角度不敏感,进而实现全角稳定的结构设计。介质厚度越薄,越有利于结构的小型化设计,使得结构横向小型化的同时,在纵向也实现超薄的设计。表2具体描述了金属圆形贴片半径以及介电常数、介质厚度对传输性能的影响。
表2金属圆形贴片半径以及介电常数、介质厚度对传输性能的影响
Figure BDA0002337082880000071
本实施例在电磁波多角度入射时的传输谱如图8所示,可以发现在入射角度在全角范围内[0°~90°),其谐振频率始终保持在2.35GHz,实现了对全入射角的不敏感设计。同时图9描述了等效电路模型仿真结果同全波仿真结果的对比,传统FSS结构设计中,等效电路模型只能模拟垂直入射的传输性能,可以发现,本实用新型中等效电路除了对垂直入射情况的等效,在多角度入射时的等效结果同全部仿真结果也完全吻合,充分验证了所提出强耦合频率选择表面的理论分析。
因此,本实用新型实现了超小型化超薄的对入射电磁波全角度不敏感的频率选择表面结构设计。

Claims (7)

1.一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,所述频率选择表面结构包括多个紧密排列的周期单元结构,每个周期单元结构主要由一层介质层和两层金属层以及连接两层金属层的金属过孔组成,其中两层金属层分别贴于介质层两表面;其特征在于:所述周期单元结构包括顶层金属贴片P1、介质板D0和底层金属贴片P2,以及连接顶层金属贴片P1和底层金属贴片P2之间的上下半金属过孔V1和V2组成;顶层金属贴片P1贴于介质板D0上表面,底层金属贴片P2贴于介质板D0下表面,底层金属贴片P2为顶层金属贴片P1以介质板D0的立体几何中心为中心的立体对称布置;所述顶层金属贴片P1主要由顶圆形贴片A1和顶矩形贴片B1连接而成;顶圆形贴片A1布置于介质板D0上表面的中心处,下半金属过孔V1位于介质板D0上表面下边沿的中间,顶圆形贴片A1和下半金属过孔V1之间通过顶矩形贴片B1连接;所述底层金属贴片P2主要由底圆形贴片A2和底矩形贴片B2连接而成;底圆形贴片A2布置于介质板D0下表面的中心处,上半金属过孔V2位于介质板D0下表面上边沿的中间,底圆形贴片A2和上半金属过孔V2之间通过底矩形贴片B2连接。
2.根据权利要求1所述的一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,其特征在于:所述顶圆形贴片A1和底圆形贴片A2圆形大小相同。
3.根据权利要求1所述的一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,其特征在于:所述的顶矩形贴片B1和底矩形贴片B2以介质板D0的立体几何中心为中心立体对称,下半金属过孔V1位置和上半金属过孔V2位置以介质板D0的立体几何中心为中心立体对称。
4.根据权利要求1所述的一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,其特征在于:频率选择表面结构中,同一列的多个周期单元结构相连接,同一列的多个周期单元结构的顶矩形贴片B1和底矩形贴片B2均平行布置,使得相邻两个周期单元结构中,位于上侧的周期单元结构的下半金属过孔V1和位于下侧的周期单元结构的上半金属过孔V2对接拼成完成的一个圆形过孔,使得位于上侧的周期单元结构的顶矩形贴片B1和位于下侧的周期单元结构的底矩形贴片B2通过圆形过孔连接。
5.根据权利要求1所述的一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,其特征在于:所述的介质板D0采用Rogers RT5880板材,介电常数为2.2,介质损耗角正切值为0.0009。
6.根据权利要求1所述的一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,其特征在于:所述的入射于所述频率选择表面结构的电磁波频率为1GHz-5GHz。
7.根据权利要求1所述的一种对入射电磁波全角不敏感的强耦合频率选择表面结构,其特征在于:入射于所述频率选择表面结构的电磁波角度在±88°范围内变化时,传输零点始终保持在2.35GHz不变。
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