专利名称：基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面的制作方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，涉及一种基于基片集成波导技术构成的基 于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面，可以作为频段多工器，广 泛应用在卫星通信、武器平台的雷达等无线通信系统应用场合。
背景技术：
频率选择表面(FSS)在工程应用中十分广泛。FSS对电磁波的透射和 反射具有良好的选择性，对于其通带内的电磁波呈现全通特性，而对其阻 带内的电磁波则呈全反射特性，具有空间滤波功能。在微波领域中，FSS 可用于通讯卫星系统的频段多工器，利用多馈源配置来扩大通讯容量。另 一个主要用途是制作天线罩，用于航空航天中雷达天线的屏蔽与隐身。还 可以作为单片集成插入物来制作高性能的波导滤波器。FSS的主要性能是 频率选择特性，对于激励源的入射方向及极化的敏感程度以及带宽的稳定 性。以往多频带FSS多是由在同一平面或者多层平面内不同谐振长度的缝 隙或者贴片构成，近来还有用分形几何结构，或是用优化算法得到任意无 规则形状的结构实现。但是这些实现方法都有不同程度的缺陷如选择特性 不好，结构比较复杂难于设计，制造成本高昂，或几何结构不能对应明确 的物理意义，从而无法进行快速有效的设计。特别是对于窄频带间隔的多 通带应用场合传统方法很难实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于基片集成波导技术构成的基于相邻单元 微扰的三频段高性能频率选择表面，这种频率选择表面在工作频段对于变 角度入射性能稳定性好，两个通带的选择特性大大提高，易于实现很窄频 率间隔的多通带。其几何结构对应的物理意义明确，使得易于设计，而且 结构简单易于加工，成本低。
本发明的基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面包括介质基
片，介质基片的两面镀有金属层，分别是上金属层和下金属层；贯穿上金 属层、介质基片和下金属层周期性地开有多组通孔，通孔内壁镀金属层， 形成金属化通孔；每组金属化通孔排列为两个相邻的正方形，分别构成高
频基片集成波导腔体和低频基片集成波导腔体，高频基片集成波导腔体的
边长小于低频基片集成波导腔体的边长；高频基片集成波导腔体中心点和 低频基片集成波导腔体中心点的连线与高频基片集成波导腔体以及低频基 片集成波导腔体对应的边平行。
对应高频基片集成波导腔体区域内的上、下金属层分别对应蚀刻有完 全相同的两个正方环形的高频缝隙，高频缝隙与高频基片集成波导腔体的 中心重合、四边分别平行；对应低频基片集成波导腔体区域内的上、下金 属层分别对应蚀刻有完全相同的两个正方环形的低频缝隙，低频缝隙与低 频基片集成波导腔体的中心重合、四边分别平行；高频缝隙的边长小于低 频缝隙的边长。
对应的一个高频基片集成波导腔体、高频缝隙、低频基片集成波导腔 体、低频缝隙组成频率选择表面的一个周期单元，多个周期单元顺序排 列，构成周期单元的矩形网格阵列。
所述的金属化通孔的直径小于频率选择表面工作的中心频率所对应空 气波长的十分之一，金属化通孔的直径和基片集成波导腔体同一边上相邻 两个金属化通孔的孔心距的比值大于0.5。
本发明的基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面是在普通的 介质基片上通过采用基片集成波导技术制造等效于传统闭合金属腔的腔体 结构，从而引入腔体的高品质因素谐振来提高频率选择表面的频率选择特 性，增强它对于激励源的入射角度和极化的不敏感性以及各种环境下的带 宽稳定性。其次在相邻单元利用基于基片集成波导技术的频率选择表面具 有双模谐振的特性，可以分别调节每个通带的位置，带宽和选择特性。在 结构上，基片为具有双面金属层的介质基片，在介质基片上相邻周期间隔 范围内以均匀的间隔设有多组金属化通孔，形成大小不同的相邻高频、低
频正方形基片集成波导腔体。在高频、低频腔体内的上下金属层蚀刻相同 的高频、低频正方环形缝隙。
具体工作原理平面波入射到三频段频率选择表面后，低通带频率内 的电磁波通过周期性的低频正方环形缝隙耦合到低频腔体中，并在低频腔 体中两种不同谐振模式相互作用后通过另一个表面的低频正方环形缝隙耦 合到空间。高通带频率内的电磁波则通过周期性的高频正方环形缝隙耦合 到高频腔体中，并通过高频腔体中两种不同谐振模式相互作用后通过另一 个表面的高频正方环形缝隙耦合到空间。在两个通带之间的阻带频率内的 电磁波则完全被发射回去。这样就实现了两个通带一个阻带的高选择性传 输。
有益效果基于基片集成波导技术构成的基于相邻单元微扰的三频段 高性能频率选择表面具有以下优点
a. 这种新型三频段频率选择表面与以往的三频段频率选择表面相比， 由于采用了基片集成波导腔体技术，在两个通带内都实现了单边陡降特性 的滤波，阻带内能量完全反射，选择性能显著改善。并且每个通带完全由 其中一类周期性单元控制，这样每类单元可以分别设计，且几何参数对应 明确的物理意义， 一些改进的解析公式可以用于加快设计进程。
b. 这种新型三频段频率选择表面性能稳定，在工作频段的插入损耗 小，选择性高。而且它的高选择性和带宽稳定性不随入射波的入射角度的 变化而变化。
C.这种新型三频段频率选择表面结构简单，全部结构在普通上下表面 覆有金属层的介质基片上就可以实现。在设计过程中只需要调节一组周期 性单元里面的两个正方环型缝隙的形状和尺寸，以及金属通孔及其构成两 个腔体的尺寸和周期性的大小就可以得到所需要的性能。结构参数少，大 大节省设计优化的时间。
d.这种新型三频段频率选择表面制造简单方便，用普通的PCB制造
图l是本发明的结构示意图； 图2是本发明的立体结构示意图3是本发明一实施例在电场方向平行周期单元窄边的TE波以不同 角度入射时传输响应的测试结果图；
具体实施例方式
如图l和2所示，基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面包 括厚度为l.o毫米Rogers5880介质基片7，介质基片7的两面镀有金属 层，分别是上金属层6和下金属层8。贯穿上金属层6、介质基片7和下 金属层8周期性地开有直径为0.8毫米的多组通孔，通孔内壁镀金属层， 形成金属化通孔3。每组金属化通孔3排列为两个相邻的正方形，分别构 成边长为19.1毫米的高频基片集成波导腔体2和边长为23.3毫米的低频 基片集成波导腔体5，基片集成波导腔体各边上的金属化通孔3的孔间距 相同，均为1.2毫米。对应高频基片集成波导腔体2区域内的上、下金属 层分别蚀刻有宽度为1毫米边长为6.35毫米的正方环形的高频缝隙1，高 频缝隙l与高频基片集成波导腔体2的中心重合、四边分别平行；对应低 频基片集成波导腔体4区域内的上、下金属层分别蚀刻有宽度为l毫米边 长为8.05毫米的正方环形的低频缝隙5，低频缝隙5与低频基片集成波导 腔体4的中心重合、四边分别平行；高频基片集成波导腔体2中心点和低 频基片集成波导腔体5中心点的连线与高频基片集成波导腔体2以及低频 基片集成波导腔体5对应的边平行。对应的一个高频基片集成波导腔体 2、高频缝隙l、低频基片集成波导腔体5、低频缝隙4组成频率选择表面 的一个长度为48.6毫米宽度为24.3毫米的周期单元，多个周期单元顺序
排列，构成周期单元矩形网格阵列。 具体结构几何参数如下
其中A、 Py分别为一组周期性单元的周期长度和宽度，^ 、 M、 G 为两类周期性单元中尺寸较小的那类单元中分别对应于正方环形缝隙的边
长、正方环形缝隙的宽度、金属化通孔构成的基片集成波导腔体的长度和 宽度。丄2 、『2、 C2为周期性单元中尺寸较大的那类单元中分别对应于正 方环形缝隙的边长、正方环形缝隙的宽度、金属化通孔构成的基片集成波 导腔体的长度和宽度。^为通孔直径，《为相邻两个通孔的孔心距，A为 介质层厚度。
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该基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面的具体制造过程
为首先在选取对应参数的基片，贯穿整个基片周期性地开有多组金属化 通孔构成一组大小不同的两个相邻高频、低频正方形基片集成波导腔体。 在低频腔体区域内的上下金属层蚀刻相同的低频正方环形缝隙，在高频腔 体区域内的上下金属层蚀刻相同的高频正方环形缝隙。低频正方形腔体和 高频正方环形缝隙与低频正方形腔体和低频正方环形缝隙构成一个周期单 元，多个周期单元顺序排列，构成周期单元矩形网格阵列的频率选择表 面。这种频率选择表面结合了传统周期性结构缝隙谐振特性和金属腔体结 构的腔体谐振特性，具有很高的频率选择特性。选择合适的高频、低频正 方环形缝隙和高频、低频基片集成波导腔体的尺寸，可以方便地调节两个 通带的位置以及通带间的间隔，从而形成具有高选择特性的三频段频率选 择表面。整个频率选择表面完全由普通的PCB工艺实现，制作简单，成 本低廉。
图3为该频率选择表面在电场方向平行周期单元窄边的TE波以不同 角度入射时传输响应的测试结果，从图中可以看出这种新型的频率选择表 面在平面波以不同角度入射时性能稳定，选择性好。
权利要求
1、基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面，包括介质基片，其特征在于介质基片的两面镀有金属层，分别是上金属层和下金属层；贯穿上金属层、介质基片和下金属层周期性地开有多组通孔，通孔内壁镀金属层，形成金属化通孔；每组金属化通孔排列为两个相邻的正方形，分别构成高频基片集成波导腔体和低频基片集成波导腔体，高频基片集成波导腔体的边长小于低频基片集成波导腔体的边长；高频基片集成波导腔体中心点和低频基片集成波导腔体中心点的连线与高频基片集成波导腔体以及低频基片集成波导腔体对应的边平行；对应高频基片集成波导腔体区域内的上、下金属层分别对应蚀刻有完全相同的两个正方环形的高频缝隙，高频缝隙与高频基片集成波导腔体的中心重合、四边分别平行；对应低频基片集成波导腔体区域内的上、下金属层分别对应蚀刻有完全相同的两个正方环形的低频缝隙，低频缝隙与低频基片集成波导腔体的中心重合、四边分别平行；高频缝隙的边长小于低频缝隙的边长；对应的一个高频基片集成波导腔体、高频缝隙、低频基片集成波导腔体、低频缝隙组成频率选择表面的一个周期单元，多个周期单元顺序排列，构成周期单元的矩形网格阵列。
2、 如权利要求1所述的基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择 表面，其特征在于所述的金属化通孔的直径小于频率选择表面工作的中心 频率所对应空气波长的十分之一，金属化通孔的直径和基片集成波导腔体 同一边上相邻两个金属化通孔的孔心距的比值大于0.5。
全文摘要
本发明涉及一种基于相邻单元微扰的三频段高性能频率选择表面。传统频率选择表面选择性低、性能稳定性差、体积大。本发明在介质基片的两面镀有金属层，贯穿整个介质基片开有排列为多组不同大小正方形的金属化通孔，形成多组相邻高频、低频基片集成波导腔体。对应腔体内的上、下金属层蚀刻相同的高频、低频正方环形缝隙；与普通的由两种不同尺寸的周期性贴片或者缝隙构成的双频带频率选择表面相比，由于新结构引入了腔体谐振模式，实现了通带的单边陡降特性，大大提高了通带的选择特性，同时可以很方便的实现具有超窄频率间隔的多通带频率选择表面，而且其性能对于入射波的角度和极化性的稳定性好。
文档编号H01P1/212GK101170207SQ20071015682
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月12日 优先权日2007年11月12日
发明者孙玲玲, 罗国清 申请人:杭州电子科技大学