基于双开口谐振环的小型化频率选择表面的制作方法

本发明涉及微波技术领域，具体涉及基于双开口谐振环的小型化频率选择表面。

背景技术：

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，频率范围为26.5-40GHz。由于该波段具有可用带宽宽，设备体积小的特点。因此，Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、等提供全新的手段。

军事技术的革新作为推动科技发展的重要力量，常常引领着科学研究的方向，在现代战争中，军事目标(例如战机、舰艇等)具有对电磁波的隐身性能已经成为一个重要的发展趋势；空间科学(如卫星通信技术、外太空探索等)的兴起，促进了多个学科之间的交叉与融合，如何减小关键器件的体积从而增加系统的有效载荷、降低成本具有重要的工程实践意义；随着民用无线通信系统的迅猛发展，频谱资源日益紧张，电磁环境日益恶化，信号干扰日益严重，如何解决各个系统间以及系统内各设备之间的电磁兼容性问题，已经成为一个严峻的考验。频率选择表面由于在目标隐身方面具有潜在的军事用途，早在20世纪60年代就得到了广泛的关注与研究。另一方面，随着该领域研究的不断进步，也为上述的空间科学中天线系统小型化问题以及民用无线通信系统中电磁兼容问题提供了一个良好的解决方案。

频率选择表面是由相同的贴片或孔径单元按二维周期性排列构成的无限大平面结构，它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择特性。按其对电磁波的频率响应的不同，频率选择表面大致可分为两类：一种是金属贴片型，另一种是与贴片型结构互补的孔径型，即在金属平板上开槽(缝隙)的结构。当频率选择表面处于谐振状态时，入射电磁波发生全反射(单元为贴片型)或全透射(单元为缝隙型)。由于这种独特的空间滤波特性，使得频率选择表面在工程领域具有很大的应用价值，成为微波和天线研究领域的一个重要方向。

上世纪60年代开始，计算电磁学的发展与印刷电路板技术的成熟，带来了频率选择表面的研究热潮。由于各种基于计算电磁学的商业软件包的出现，更是为频率选择表面的分析与设计提供了便利。近年来，基于新技术，新理论的不断发展，各种新型频率选择表面也相继而出。其单元电路形式依据结构的不同可以大体归为四类，如下图1所示：1、中心连接的N极子单元，如偶极子，耶路撒冷十字，方卷形单元等；2、环形单元，如方形环，圆环等；3、板状单元，如矩形贴片，六边形贴片等；4、组合单元，这类单元形式由上述基本单元形式组合演化而形成。总体而言，从频率稳定性与小型化角度考虑环形单元优势明显，但从设计加工难易度角度考虑中心连接的N极子单元则更有优势。所以现有结构很难兼顾频率选择表面谐振频率，带宽，关于入射角稳定性等众多指标。并且在频率选择表面的设计与应用中，小型化通常是一个非常重要的特性，因为频率选择表面单元的小型化可以使频率选择表面的谐振频率远离自由空间栅瓣或介质表面波，改善频率选择表面频率响应对入射角度的稳定性，在有限大尺寸的应用中可以增加单元的数量从而改善其传输特性，在曲面应用中还可以减小因单元形状扭曲而带来的传输特性的恶化。

现有的频率选择表面设计中，最常见的为以耶路撒冷十字为代表的中心连接的N极子单元与环形单元。其中以中心连接的N极子单元虽然结构简单，多由偶极子组合而成。但是由于结构本身固有的缺点，单元电路面积较大，一般约为0.5λ0×0.5λ0，并且存在电路整体关于入射角θ和的稳定性差等问题。环形单元虽然在单元电路尺寸有所改善，但其结构较为复杂，并且很难兼顾通带与阻带性能，很大的限制了实际应用。

技术实现要素：

基于现有技术存在的技术问题，本发明提出了基于双开口谐振环的小型化频率选择表面，本发明利用0.127mm厚的Rogers5880基片，基于双开口环谐振器基本原理，采用全新电路结构，在Ka波段不仅实现了良好的频率选择性，极低的带内损耗，还实现了很高的谐振频率和带宽关于入射角的稳定性，同时兼具小型化这一重要优势。

本发明通过下述技术方案实现：

基于双开口谐振环的小型化频率选择表面，从上至下依次包括上层金属电路、上层介质基片、层间金属、下层介质基片和下层金属电路；所述上层金属电路和下层金属电路的电路结构、尺寸完全相同且以所述层间金属对称设置；所述上层金属电路和下层金属电路的外环正中均设置有开口耦合缝隙，所述层间金属上设置了与所述开口耦合缝隙一一对应的上下层耦合窗。

本发明采用双开口谐振环结构设计频率选择表面，利用开口谐振环的选频特性，不仅实现了良好的空间滤波功能，同时兼具小型化特点，相比一般频率选择表面大大减小了单元面积，整个电路单元尺寸仅有0.3λ0×0.3λ0。

优选的，由所述上层金属电路、上层介质基片、层间金属、下层介质基片和下层金属电路封装成的整体结构为对称结构，以z轴为中心转动90°重合。本发明采用对称电路结构，不仅结构简单，易于加工，同时使整个电路关于入射角θ和有很好的稳定性，增加其实际价值。

优选的，所述上层金属电路和下层金属电路的外环上设置有4个尺寸完全相同的开口耦合缝隙；则所述层间金属上对应开口耦合缝隙设置4个尺寸完全相同的上下层耦合窗。

优选的，所述开口耦合缝隙宽度为0.1mm。

优选的，所述层间金属通过金属腐蚀得到4个尺寸完全相同的上下层耦合窗，所述耦合窗尺寸为0.53mm*0.34mm。

优选的，由所述上层金属电路、上层介质基片、层间金属、下层介质基片和下层金属电路封装成的整体结构俯视图为一正方形，边长为2.7mm。

优选的，所述上层介质基片和下层介质基片均为Rogers5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.127mm。

优选的，所述上层金属电路和下层金属电路厚度为0.017mm，所述层间金属厚度为0.034mm。

优选的，所述上层金属电路和下层金属电路采用的开口谐振环尺寸完全相同，谐振环长2.1mm，宽1mm，线宽0.1mm。

本发明具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明采用双开口谐振环结构设计频率选择表面，利用开口谐振环的选频特性，不仅实现了良好的空间滤波功能，同时兼具小型化特点，相比一般频率选择表面大大减小了单元面积，整个电路单元尺寸仅有0.3λ0×0.3λ0。

(2)本发明利用谐振环的开口缝隙与层间耦合窗的相互耦合，不仅实现了极好的的通带特性，带内最优插入损耗低至0.8dB，而且实现了极好的带外抑制效果，在带外两侧各有一个传输零点，大大提升了电路的矩形系数。

(3)本发明采用对称电路结构，不仅结构简单，易于加工，同时使整个电路关于入射角θ和有很好的稳定性，增加其实际价值。

(4)本发明采用双层PCB厚膜工艺，不仅加工成本低廉，而且易于实用阶段的后期装配。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有频率选择表面基本结构。

图1中，(a)中心连接的N极子单元；(b)环形单元；(c)板状单元；(d)组合单元。

图2为本发明的频率选择表面整体结构示意图。

图3为本发明的频率选择表面侧视图。

图4为本发明的开口谐振环及其等效电路。

图4中，(a)为本发明的开口谐振环，(b)为开口谐振环的等效电路。

图5为本发明的频率选择表面整体等效电路。

图6为本发明的频率选择表面仿真结果图。

图7为本发明的频率选择表面关于入射角θ稳定性的仿真图。

图8为本发明的频率选择表面关于入射角稳定性的仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提出了基于双开口谐振环的小型化频率选择表面，其整体结构图与侧视图如图2-3所示。整体结构从上至下依次为：开口耦合缝隙1，上层金属电路2，上层介质基片3，层间金属4，上下层耦合窗5，下层介质基片6，下层金属电路7。整体电路单元俯视为一正方形，边长2.7mm。其中上层介质基片3和下层介质基片6均为Rogers5880，相对介电常数为2.2，厚度0.127mm；上层金属电路2和下层金属电路7的厚度均为0.017mm，层间金属厚度为0.034mm。且上层金属电路2和下层金属电路7采用完全相同的电路结构且开口谐振环物理尺寸完全相同，谐振环长2.1mm，宽1mm，线宽0.1mm，开口耦合缝隙1位于所述上层金属电路2和下层金属电路7的外环正中，缝隙宽度0.1mm。其中，层间金属4通过金属腐蚀得到4个物理尺寸完全相的耦合窗5，位于开口耦合缝隙1正上方，耦合窗5尺寸为0.53mm*0.34mm。其中，上下层耦合窗5中点的设置对整个电路性能影响很大，在开口耦合缝隙的中点沿z轴轴线上电场是最强的，所以这样设置不仅能最大程度的保证电磁场能量的传输。并且由于电耦合窗，能够在通带附近产生两个传输极点，得到更好的通带性能与带外抑制性能。最后，由上述开口耦合缝隙1，上层金属电路2，上层介质基片3，层间金属4，上下层耦合窗5，下层介质基片6，下层金属电路7封装成整体的电路采用对称结构，沿z轴(即垂直于整体电路结构表面的轴)旋转90°重合。完全对称的结构不仅有利于空间中电磁场的传播，还能减少装配时因尺寸不同而产生必要的错误，同时能够增强整个电路谐振频率和带宽关于入射角的稳定性。在实际应用时，将设计好的单元结构根据实际要求制作成不同阵列即可得到满足实际用途的频率选择表面。

本实施例设计的基于开口谐振环的小型化频率选择表面的等效电路如图4，图5所示。图4显示了频率选择表面开口谐振环及其等效电路，其中C1,C2,L1,L2为电路等效的电容电感。串联的电容电感在特定的频率发生谐振，形成带通效应。图5显示了频率选择表面整体等效电路，其中频率选择表面两侧的自由空间由特征阻抗为Z0＝377Ω的传输线等效。两个相同的介质基板通过两条短传输线等效，长度ls＝hs，波阻抗其中hs和εr是基板的厚度和相对介电常数。两个串联L'C'分支电路代表图4中开口谐振环的等效电路，其中L'为L1,L2等效电感，C'为C1和C2等效电容。并联La Ca分支电路代表电路中间的耦合孔径。Cm,Lm则表示上下两个开口谐振环之间的电磁耦合。开口谐振环与耦合孔径之间的电磁耦合很小，忽略不计。

整个电路通过开口谐振环与中间的耦合孔径共同作用形成带通效应。当电磁波照射至频率选择表面时，通过开口谐振环引起谐振。由于开口谐振环在谐振频率电场最强处开口，所以中间的耦合孔径为电耦合孔径。电耦合孔径不仅能够得到很好地通带特性，并且能够在带外形成两个传输极点，很好地改善带外抑制性能。整体设计就是通过调整开口大小，耦合孔径大小等参数，调节各级间耦合，使电路达到最优性能。

本发明通过三维电磁仿真软件HFSS取得仿真结果，图6中展示了本发明的选频特性，可以看出频率选择表面的3dB通带为32.7GHz～33.35GHz，带宽650MHz，带内最佳插入损耗小于1dB，且在30.3GHz与36.93GHz处产生两个传输零点，使通带上下边带陡峭，有效提高电路矩形系数。图7和图8展示了本发明关于入射角θ与的角度稳定性。当时，在带内插入损耗优于3dB的情况下，θ可以达到50°左右。当θ＝0°时，入射角对整体电路性能几乎没有影响。从而说明本发明关于入射角θ与的角度稳定性很好。

本发明基于双层PCB工艺，采用双开口谐振环设计频路选择表面。利用开口谐振环的选频特性，不仅实现了良好的空间滤波功能，同时兼具小型化特点，相比一般频率选择表面大大减小了单元面积，整个电路单元尺寸仅有0.3λ0×0.3λ0。同时利用谐振环的开口缝隙与层间耦合窗的相互耦合，不仅实现了良好的通带特性，带内最优插入损耗低至0.8dB，而且实现了良好的带外抑制效果，在带外两侧各有一个传输零点，大大提升了电路的矩形系数。采用对称电路结构，不仅结构简单，易于加工，同时使整个电路关于入射角θ和有很好的稳定性，增加其实际价值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。