基于嵌套曲折结构的小型化低剖面频率选择表面的制作方法

本发明属于电磁场及微波技术领域，具体涉及一种频率选择表面，可用于通讯与雷达方面。

背景技术：

随着科学技术的快速发展，以电磁波为媒介，利用电磁波进行通讯的产品越来越多，随之而来的问题就是电磁波对环境及人类的影响越来越大。比如在飞机起飞、航行及降落的整个过程中，都要求移动通讯设备全程关闭，以此防止无线电波对飞机及机场通讯环境的干扰；在各种精密电子医疗器械的工作过程中，个人移动终端设备所发射的电磁波也可能会对医疗器械产生干扰，影响器械的精度；对于多孔径基站来说，其本身的各个天线极容易产生互耦，影响彼此的天线性能；电脑等移动终端在其工作时也会发射出携带的信息的电磁波，泄露的电磁波被敌方电子设备所接收和破解，造成国防、政治、军事、科学技术等方面情报的泄漏。另外，电磁辐射也会对人体造成直接和间接的伤害。因此，寻找一种能对电磁能量进行选择与屏蔽的技术对于治理电磁污染、消除电磁波干扰、提高电磁兼容很是必要，频率选择表面的出现使得上述问题得以较好地解决。

频率选择表面fss是一种特殊的空间滤波器，是由无源谐振单元组成的周期性阵列结构，对入射的电磁波具有选频特性。无源谐振单元的拓扑结构决定了频率选择表面对入射电磁波的响应，使频率选择表面对谐振频率处的电磁波表现出全反射或全透射的特性。频率选择表面根据单元结构可分为贴片型和开槽型，根据工作效果可分为带通型和带阻型，贴片型频率选择表面多表现为带阻型，开槽型频率选择表面多表现为带通型。

传统的频率选择表面由于无源谐振单元电尺寸较大，其在有限尺寸内的无源谐振单元数量较少，在工作时频率选择表面边缘就会产生较大的表面电流反射效应，使工作时的谐振频点与设计时的谐振频点产生较大的误差。此外，较大的无源谐振单元电尺寸导致了电磁波在斜入射时会在单元间产生较大的反射相位差，从而增大了频率选择表面在电磁波斜入射时的谐振频点与设计时的谐振频点的误差。

为了消除电尺寸较大的无源谐振单元导致的负面效果，研究人员通过小型化方法来减小边缘表面电流反射效应和反射相位差。如2017年，赵珍珍，张安学等人在ieeeantennasandwirelesspropagationletters期刊的第16期553-556页上发表了一篇名为《stopbandfrequencyselectivesurfacewithultra-largeangleofincidence》的论文，公开了一种角度稳定性极高的频率选择表面，通过在介质板的上表面印制“卐”形金属条带，在“卐”形条带的四个端点处各印制一个“h”形枝节，并在每个“h”形枝节的四个端点处再各印制一个“h”型小枝节，形成了0.114个谐振波长的无源谐振单元结构，以实现良好的小型化效果，降低斜入射的电磁波在无源谐振单元之间的相位差，从而提高了角度稳定性。但由于这种结构的“卐”形金属条带并不能最有效的增加谐振单元的等效电容和电感，使得小型化程度依然较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于嵌套曲折结构的小型化低剖面频率选择表面，以进一步提高频率选择表面在低频段的小型化程度。

为了实现上述目的，本发明的基于嵌套曲折结构的小型化低剖面频率选择表面，包括：m×n个周期排列的频率选择表面单元，m≥5，n≥5，每个频率选择表面单元包含介质板、印制在介质板上表面的金属贴片和下表面的金属贴片，其特征在于：

上金属贴片由两条上弯折金属条带嵌套铺设在介质板的上表面组成，下金属贴片由两条下弯折金属条带嵌套铺设在介质板的下表面组成；

上金属贴片和下金属贴片在空间排布上相差90度。

进一步，所述介质板采用边长为p，厚度为h的低剖面的正方形结构，其中4mm≤p≤12mm，0.127mm≤h≤8mm。

进一步，所述下金属贴片上第一条的金属条带与第二条金属条带呈中心对称分布；上金属贴片上第一条的金属条带与第二条金属条带同样呈中心对称分布。

进一步，所述上金属贴片和下金属贴片，最外圈最后一段弯折部分线宽为w1，其余的所有金属条带的线宽为w2，其中0.1mm≤w1≤2mm，0.1mm≤w2≤4mm。

进一步，所述形成下金属贴片的两条弯折金属条带在介质板的下表面相互嵌套铺设，先以下表面左上顶点为原点，建立xoy面坐标系；再以(x,y)为起点，x≤10mm，y≤10mm，则对一条金属条带的弯折顺序为：

先向负x轴延伸l16，再向负y轴延伸l15，再向正x轴延伸l14，再向正y轴延伸l13，再向正x轴延伸l12，再向负y轴延伸l11，再向负x轴延伸l10，再向正y轴延伸l9，再向正x轴延伸l8，再向负y轴延伸l7，再向负x轴延伸l6，再向负y轴延伸l5，再向正x轴延伸l4，再向正y轴延伸l3，再向负x轴延伸l2，再向负y轴延伸l1，至此构成第一金属条带，其中：

l2～l16的线宽均为w2，l1的线宽为w1；

各线段的长度参数如下：

0.2mm≤l16≤1.2mm，0.7mm≤l15≤2.8mm，0.7mm≤l14≤2.8mm，

0.8mm≤l13≤3.2mm，0.3mm≤l12≤1.2mm，1.1mm≤l11≤4.4mm，

1.5mm≤l10≤6mm，1.5mm≤l9≤6mm，1.9mm≤l8≤7.6mm，

1.9mm≤l7≤7.6mm，2mm≤l6≤8mm，0.3mm≤l5≤1.2mm，2.3mm≤l4≤9.2mm，

2.7mm≤l3≤10.8mm，2.75mm≤l2≤11mm，2.9mm≤l1≤11.6mm；

再将该第一金属条带绕谐振单元中心x＝0mm，y＝0mm旋转180度得到第二金属条带。

进一步，所述上金属贴片是通过对下金属贴片的旋转得到，即将下金属贴片绕谐振单元中心x＝0mm，y＝0mm旋转90度，构成由第一金属条带和第二金属条带组成的上金属贴片。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用相互嵌套弯折的金属条带构成谐振单元，因而在增加频率选择表面单元等效电感的同时，也增加了单元的等效电容；同时由于同一条金属条带中间夹有相邻的金属带线，在增大了单元等效电容的同时减小了金属条带因来回弯曲所带来的自身耦合，这种结构使得谐振单元拥有0.02个谐振波长的小型化程度，且能在0至60度的角域之间保持角度稳定性，最大频偏为0.02ghz。

2、本发明采用由上金属贴片控制一个极化方向，下金属贴片控制另一个极化方向的研究思路，由于频率选择表面超低的剖面产生的两层金属贴片之间的层间电容进一步提高了谐振单元的小型化程度。

3、本发明采用相互嵌套弯折的图形结构最大化的利用了单层内的所有可用面积，及条带型金属折线没有浪费任何平面空间，提高了谐振单元的小型化程度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的谐振单元结构示意图；

图3是本发明中下层金属贴片的结构示意图；

图4是本发明中下金属贴片的第一金属条带结构示意图；

图5是本发明实施例1在te极化入射波照射下的s21仿真结果图；

图6是本发明实施例2在te极化入射波照射下的s21仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述：

实施例1

参照图1，基于嵌套曲折结构的高度小型化低剖面的频率选择表面，包括m×n个周期排列的频率选择表面单元，m＝20，n＝20。无源谐振单元为正方形单元，组成的频率选择表面为正方形结构。

参照图2，频率选择表面单元包括横截面形状为正方形的介质板2、印制在介质板2上表面的第一金属贴片1和下表面的第二金属贴片3，其中：

所述介质板2，其边长为p＝6mm，厚度为h＝0.5mm，相对介电常数为2.2；

且上金属贴片(1)和下金属贴片(3)在空间排布上相差90度。

参照图3，所述下金属贴片3由两条下弯折金属条带311和312嵌套铺设在介质板2的下表面组成，第一条的金属条带(311)与第二条金属条带(312)呈中心对称分布。

参照图4，所述下金属贴片3的两条弯折金属条带311和312在介质板2的下表面嵌套铺设，先以下表面左上顶点为原点，建立xoy面坐标系；再以(x,y)为起点，x＝3.8mm，y＝4.1mm，对一条金属条带的进行弯折排列，其排列顺序如下：

先向负x轴延伸，其长度为l16＝0.6mm；再向负y轴延伸，其长度为l15＝1.4mm；再向正x轴延伸，其长度为l14＝1.4mm；再向正y轴延伸，其长度为l13＝1.6mm；再向正x轴延伸，其长度为l12＝0.6mm；再向负y轴延伸，其长度为l11＝2.2mm；再向负x轴延伸，其长度为l10＝3mm；再向正y轴延伸，其长度为l9＝3mm；再向正x轴延伸，其长度为l8＝3.8mm；再向负y轴延伸，其长度为l7＝3.8mm；再向负x轴延伸，其长度为l6＝4mm；再向负y轴延伸，其长度为l5＝0.6mm；再向正x轴延伸，其长度为l4＝4.6mm；再向正y轴延伸，其长度为l3＝5.7mm；再向负x轴延伸，其长度为l2＝5.5mm；再向负y轴延伸，其长度为l1＝5.8mm；至此构成第一金属条带311。

再将该第一金属条带311绕谐振单元中心x＝0mm，y＝0mm旋转180度得到第二金属条带312。

对所述的下金属贴片3绕谐振单元中心x＝0mm，y＝0mm旋转90度，构成由第一金属条带111和第二金属条带112组成的上金属贴片1。最终得到基于嵌套曲折结构的高度小型化低剖面的频率选择表面。

实施例2

本实例与实施例1的结构相同，且m×n个周期排列的频率选择表面单元数及线宽均与实施例1的参数相同，仅对如下参数作了调整：

介质板2边长为p＝7.4mm，厚度h＝1.2mm，相对介电常数4.4；第一金属条带311的各线段长度参数为：

l16＝0.5mm，l15＝1.5mm，l14＝1.5mm，l13＝1.8mm，l12＝0.7mm，l11＝2.5mm，l10＝3.5mm，l9＝3.5mm，l8＝4.5mm，l7＝4.5mm，l6＝4.8mm，l5＝0.7mm，l4＝5.5mm，l3＝6.5mm，l2＝6.7mm，l1＝7mm，x＝3.7mm，y＝3.7mm。

本发明效果可通过以下仿真试验进一步说明：

仿真1：利用商业仿真软件hfss_13.0对上述实施例1在不同角度入射波照射下的s21参数进行仿真计算，结果如图5所示：

从图5可见，实施例1中的频率选择表面在0°入射角照射下谐振频点为1.44ghz，在te极化下，电磁波入射角分别为15°，30°，45°和60°时谐振频点均在1.44ghz处，误差不超过0.02ghz，具有良好的角度稳定性；从图5中还可以看出，本发明中的频率选择表面单元在介质的相对介电常数为2.2时，其电尺寸只有0.03个谐振波长，表明本发明具有良好的小型化效果。

仿真2：利用商业仿真软件hfss_13.0对上述实施例2在不同角度入射波照射下的s21参数进行仿真计算，结果如图6所示：

从图6可见，实施例2中的频率选择表面在0°入射角照射下谐振频点为0.95ghz，在te极化下，电磁波入射角分别为15°，30°，45°和60°时，其谐振频点均在0.95ghz处，误差不超过0.02ghz，在介质的相对介电常数为4.4时的电尺寸只有0.02个谐振波长，表明本发明具有良好的小型化效果，角度稳定性也得以保证。

综上，本发明可以在保持频率选择表面角度稳定性的同时，极大程度的提高频率选择表面的小型化程度以及降低频率选择表面单元的介质层厚度。

以上描述仅是本发明的两个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。