频率选择表面、频率选择表面结构及天线罩的制作方法

本发明提供一种频率选择表面、频率选择表面结构及天线罩，属于电磁场与微波技术领域。

背景技术

超材料是一类具有自然界中材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。具有透波特性的超材料，其常见的实现方式是通过将设计的金属微结构按既定的排布即频率选择表面，镶嵌在树脂或陶瓷材料中，使其具有调制电磁波、改变电磁波传播方式的功能以达到透波的目的。频率选择表面单元结构可分为两种类型：贴片型单元结构和缝隙型单元结构，两种类型在图案上是互补的，且两者的频率响应特性是相反的。贴片型单元结构是在介质板上按照一定周期排布贴上一些互不相连的金属图案，缝隙型单元结构是在一块完整的金属层面上按照一定周期排布开一些缝隙图案。

目前，利用频率选择表面结构实现x、ku波段宽频透波已有相关研究，但由于从x波段到u波段的超宽频带长达52ghz，目前还未见能够实现从x波段到u波段的超宽频带连续透波的频率选择表面结构。因此，在上述如此宽频带范围内实现透波特性的频率选择表面结构是超材料透波技术的研究难点，也是该领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于提供一种频率选择表面、频率选择表面结构及天线罩，本发明提供的频率选择表面、频率选择表面结构及天线罩能够在x、ku、k、ka、u波段(即从x波段到u波段)的宽频带范围内实现连续透波特性。

本发明的技术解决方案：

根据本发明一方面提供一种频率选择表面，由周期排列的缝隙型单元组成，任意缝隙型单元由正多边形环与位于正多边形环内部的正多边形贴片复合而成，其中，正多边形环与正多边形贴片共中心且具有相同的边数，正多边形环的任意环边内侧均设置有相同的网纹结构，任意网纹结构包括多个“v”字图案，多个“v”字图案间隔设置在环边内侧并与环边呈夹角设置，且“v”字图案的开口方向还不朝向环边设置，以及，对于同一环边内侧的任意“v”字图案，“v”字图案与其相邻的“v”字图案的臂均不相交；对于任意相邻的两条环边，靠近两条环边的交点设置的两条环边内侧的“v”字图案的其中一条臂相交于一点，且两条环边内侧的“v”字图案的相交的臂与两条环边围成的结构为实心金属结构。

进一步地，环边内侧“v”字图案与环边垂直设置。

进一步地，正多边形环为正六边形环并且正多边形贴片为正六边形贴片。

进一步地，缝隙型单元均采用蜂窝型栅格周期排列且周期尺寸相等。

进一步地，正多边形环、正多边形贴片以及多个“v”字图案均为金属材质。

进一步地，正多边形环的每条环边的长度为c，宽度为d，其中，所c满足c＝1.9～2.3mm，d满足正多边形贴片的的边长为e，e满足

进一步地，同一环边内侧的任意相邻“v”字图案之间的环边边长为a，a满足环边内侧的任意“v”字图案的任意一条臂与环边所形成的锐角为θ，θ满足45°≤θ≤75°。

进一步地，任意“v”字图案的任意臂的宽度为f、长度为b，f满足b满足

根据本发明另一方面提供一种频率选择表面结构，所述频率选择表面包括一层或两层介质层，以及设置在所述一层介质层的一侧或两侧的、或两层介质层之间的上述的频率选择表面。

根据本发明再一方面提供一种天线罩，所述天线罩具有上述的频率选择表面结构。

通过上述技术方案，对于本发明的任意频率选择表面单元：在正多边形环结构的每条环边内侧设计网纹结构，从而形成了具有网纹边界的正多边形环结构，通过网纹结构的设计以及与正多边形环边的特定位置关系实现了低频透波特性，此外，在所设计的网纹边界的正多边形环结构内部设计一个正多边形贴片结构，通过此种特殊设计实现了高频透波特性，由于透波特性在低频和高频两个方向的波段扩展，即通过本发明所设计的频率选择表面单元实现了从x波段至u波段的超宽频带连续透波特性，解决了现有频率选择表面结构在该超宽频带范围内无法实现连续透波的问题，突破了超材料超宽频带透波技术的研究难点。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例提供的频率选择表面的缝隙型单元的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的正多边形环的环边的结构示意图；

图3为为根据本发明实施例提供的频率选择表面的结构示意图；

图4为根据本发明实施例提供的频率选择表面结构的侧视图；

图5为根据本发明实施例提供的频率选择表面天线罩的透波特性仿真结果。

上述附图中：

1、第一介质层；2、频率选择表面结构；3、第二介质层；21、正多边形贴片；22、网纹结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-3所示，根据本发明实施例提供一种频率选择表面，由周期排列的缝隙型单元组成，其中：

如图1和2所示，对于任意缝隙型单元，单元由正多边形环与位于正多边形环内部的正多边形贴片21复合而成，其中，正多边形环与正多边形贴片21具有相同的边数且正多边形环与正多边形贴片21还为共中心设置，正多边形环的任意环边内侧均设置有相同的网纹结构22，任意网纹结构22包括多个“v”字图案，多个“v”字图案间隔设置在环边内侧并与环边呈夹角设置，且“v”字图案的开口方向还不朝向环边设置，以及，对于同一环边内侧的任意“v”字图案，“v”字图案与其相邻的“v”字图案的臂均不相交；对于任意相邻的两条环边，靠近两条环边的交点设置的两条环边内侧的“v”字图案的其中一条臂相交于一点，且两条环边内侧的“v”字图案的相交的臂与两条环边围成的结构为实心金属结构。

通过本发明实施例提供的频率表面结构，对于任意缝隙型单元的设计：在正多边形环结构的每条环边内侧设计网纹结构22，从而形成了具有网纹边界的正多边形环结构，通过网纹结构22的设计以及与正多边形环边的特定位置关系实现了低频透波特性，此外，在所设计的网纹边界的正多边形环结构内部设计一个正多边形贴片21结构，通过此种特殊设计实现了高频透波特性，由于透波特性在低频和高频两个方向的波段扩展，即通过本发明所设计的频率选择表面单元实现了从x波段至u波段的超宽频带连续透波特性，解决了现有频率选择表面结构在该超宽频带范围内无法实现连续透波的问题，突破了超材料超宽频带透波技术的研究难点。

在本发明中，多个“v”字图案间隔设置在环边内侧并与环边呈夹角设置，且“v”字图案的开口方向还不朝向环边设置具体是指：对于同一环边内侧的多个“v”字图案，“v”字图案的对称轴与该环边呈夹角设置，并且“v”字图案的两条臂相交的端设置在环边内侧。

优选的，为了便于仿真计算和实现更优的透波效果，对于同一环边内侧的各个“v”字图案，其开口方向朝向同一个方向(该方向是不朝向该环边的即背向所述环边)，换言之，多个“v”字图案可以朝向同一方向倾倒设置，也可以与环边垂直设置。

优选的，对于正多边环的多个环边的“v”字图案，其开口方向顺时针或逆时针依次顺延。

更优选的，为了便于仿真计算和实现更优的透波效果，所述环边内侧“v”字图案与所述环边垂直设置。

在本发明中，为了便于仿真试验中缝隙型单元中各参数的调节以及实现更好的超宽频带连续透波特性，将正多边形环设计为正六边形环并且将正多边形贴片21设计为正六边形贴片。

作为本发明一种实施例，如图1所示，缝隙型单元均采用蜂窝型栅格周期排列且周期尺寸相等。

作为本发明一种实施例，如图2所示，正六边形环的六条边依次为l1、l2、l3、l4、l5和l6，其中l1与l4平行，l2与l5平行，l3与l6平行，正六边形环内设置有正六边形贴片；此外，正六边形环的环边l1、l2、l3、l4、l5和l6的内侧均设置有相同的网纹结构22，以其中一条环边l4为例，该环边内侧上的网纹结构22包括多个“v”字图案，该“v”字图案为对称图案，多个“v”字图案等间隔设置在环边内侧并与环边保持垂直，且“v”字图案的开口方向还背向环边设置，也即“v”字图案的两条臂相交的一端设置在环边内侧上，此外，对于环边内侧的任意“v”字图案，“v”字图案与其相邻的“v”字图案的臂均不相交；对于任意相邻的两条环边，例如环边l4和l3，靠近环边l4和l3的交点设置的环边l4内侧的一“v”字图案和环边l3的内侧的一“v”字图案，两个“v”字图案的一条臂相交于一点，并且两个“v”字图案的相交的臂与两条环边l4和l3围成的结构为实心金属结构。

在本发明中，为了实现透波性，正多边形环、正多边形贴片以及多个“v”字图案均为金属材质。优选的，为了便于操作和节省成本，正多边形环、正多边形贴片、多个“v”字图案以及实心金属结构为在同一金属板上加工而成，即正多边形环、正多边形贴片以及多个“v”字图案材质与实心金属结构材质一致，并且实心金属结构的厚度、正多边形环边的厚度以及“v”字图案的厚度保持一致，并且该厚度即为金属板厚度。

在本发明中，为了更好实现从x波段至u波段的超宽频带连续透波特性，对于“v”字图案与所述环边垂直设置的单元，本发明的缝隙型结构单元还具有以下特定的参数比例关系：

正多边形环的每条环边的长度为c，宽度为d，其中，所c满足c＝1.9～2.3mm，d满足

以长度为c为基准，其中，正多边形贴片21的的边长为e，e满足

同一环边内侧的任意相邻“v”字图案之间的环边边长为a，a满足环边内侧的任意“v”字图案的任意一条臂与环边所形成的锐角为θ，θ满足45°≤θ≤75°；

任意“v”字图案的任意臂的宽度为f、长度为b，f满足b满足

此外，本领域技术人员应当理解，上述各个参数例如a、θ、f、b等的具体值可以在所述值域内根据仿真进行调整以获取最优的效果。

作为本发明一种实施例，经过仿真，对于任意单元来说，正六边形环的环边内侧均设置9个“v”字图案，环边的长度c为2.1mm，其宽度d为0.06mm，正六边形环内部设置的正六边形贴片的边长e为0.1mm。关于网纹结构22，同一环边内侧的任意相邻“v”字图案之间的环边边长为a为0.16mm，角度θ为60°，“v”字图案的臂的宽度f为0.03mm，长度b为0.19mm。

如图4所示，根据本发明实施例还提供一种频率选择表面结构，所述频率选择表面包括一层或两层介质层，以及设置在所述一层介质层的一侧或两侧的、或两层介质层之间的上述的频率选择表面。

作为本发明一种实施例，频率选择表面结构为平板结构，包括依次设置的第一介质层1、频率选择表面2和第二介质层3，其中频率选择表面2即为上述实施例所述的频率选择表面，并通过与第一介质层1和第二介质层3进行粘接而设置在两者之间形成频率选择表面结构。

进一步地，根据本发明实施例还提供一种天线罩，所述天线罩具有上述的频率选择表面结构。

其中，所述的天线罩可以为单层结构，也可以为夹层结构，例如a夹层、b夹层或c夹层，具体的，所述天线罩的电磁波的入射面由上述的频率选择表面结构构成。

作为本发明一种实施例，第一介质层1和第二介质层3均为非金属介质层，优选的，该非金属介质层为聚酰亚胺或fr-4，此外，设置第一介质层的厚度为0-2.5mm，第二介质层3厚度为0-2.5mm，并且当介质层为单层时，两者厚度之一为0mm。

如图5所示，图5示出了根据本发明实施例提供的频率选择表面天线罩的透波特性仿真结果，通过透波率曲线可以看到，在9.8ghz-56.7ghz的超宽频带内，该天线罩的透波率≥75％。

本发明相比于现有技术具有以下优势：

第一，本发明提供的频率选择表面结构在正多边形环结构的每条边内部设计了网纹结构，从而形成了具有网纹边界的正多边形环结构，通过网纹结构与正多边形边长的位置设计和特定比例关系实现了优异的低频透波；在网纹边界的正多边形环结构内部设计了一个正多边形贴片结构，通过设计该贴片和其边长与具有网纹边界的六边形结构边长的特定比例关系实现了优异的高频透波，由于透波特性在低频和高频两个方向的波段扩展，实现了从x波段至u波段的超宽频带连续透波特性，解决了频率选择表面结构在该超宽频带范围内无法实现连续透波的问题，突破了超材料超宽频带透波技术的研究难点；

第二，本发明提供的天线罩具有x波段至u波段的超宽频带透波特性，因此，x、ku、k、ka、u波段天线均可以采用具有该频率选择表面的天线罩来使用，极大提高了适用范围；

第三，本发明提供的频率选择表面结构可应用于通信、导航、雷达、制导等高科技领域，以满足不同领域的透波需求，在工程上实现应用。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。