本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种基于弯折线和交指结构的小型化单元带阻频率选择表面。
背景技术：
频率选择表面是由相同的金属贴片、孔径等结构单元周期排列而成的无限大二维阵列结构，它对不同工作频率、入射角度以及极化状态的电磁波具有频率选择滤波特性，因而被广泛用于微波系统和天线等领域。传统频率选择表面的谐振单元尺寸通常比拟于工作波长，这导致其频率响应对电磁波入射角度和极化状态变化较为敏感。并且在实际应用中，频率选择表面所占面积通常为有限区域，为了获得稳定的频率响应，小型化单元设计则至关重要。
目前频率选择表面单元小型化主要通过如下几种方式实现：第一，加载集总元件。由于加载的集总元件可提供较大的电感、电容，因而该方法能够大大降低频率选择表面工作频率，实现单元的小型化。但由于集总元件会产生寄生谐振，因此很难在宽带、或高频范围内提供稳定的性能。第二，采用网栅及其互补结构。该方法通过将网栅结构(呈感性)和其互补结构(呈容性)级联起来实现结构单元小型化，通常需要通过多层级联实现，因而成本较高。第三，采用弯曲技术，即使用弯折线结构。该方法通过增加频率选择表面单元内谐振振子的长度(增大其等效电感)，从而降低谐振频率，实现单元小型化。第四，使用交指结构。该方法通过增加频率选择表面单元间的耦合(增大等效电容)，实现单元小型化。单独使用弯折线或交指结构实现结构单元的小型化，一方面小型化程度不高，另一方面还增加结构的复杂性，使得分析起来较为困难。因此，若将弯折线和交指结构有机结合起来，可设计出小型化程度高、加工成本低、分析简便的频率选择表面。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出了一种基于弯折线和交指结构的小型化单元带阻频率选择表面，通过对称地将弯折线和交指结构相互连接，同时增加了等效电路中串联电感和电容值，从而降低了谐振频率，减小了单元尺寸，改善了频率响应对电磁波入射角度和极化状态变化的敏感性。此外，本发明提出的频率选择表面易于分析设计，只在介质基板一侧刻蚀印刷电路，因而加工简便。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于弯折线和交指结构的小型化单元带阻频率选择表面，其特征在于，结构单元包含：在介质基板1一侧按照水平方向和竖直方向周期排列的水平弯折线2、3和竖直弯折线4、5，水平交指结构6、7，和竖直交指结构8、9，弯折线关于单元中心对称，且分布于单元的中部；交指结构位于单元的边缘。
作为本发明的进一步优化方案，所述弯折线的导体线宽均匀一致，弯折线的长度由中心开始向边缘逐渐增加呈蛇形弯折，且关于单元中心对称分布，如2和3，4和5。弯折线弯折的次数越多，其等效的电感值越大，越容易实现小型化。
作为本发明的进一步优化方案，所述交指结构由本单元结构和相邻单元结构共同构成，如本单元的交指结构6和相邻单元的交指结构7，本单元的交指结构9和相邻单元的交指结构8。交指结构的交指导体数量越多，其等效的电容值越大，越容易实现小型化。
作为本发明的进一步优化方案，所述介质基板表面上的弯折线2、3、4、5，与交指结构6、7、8、9彼此连接，形成等效的电感和电容串联谐振电路。
作为本发明的进一步优化方案，所述水平方向弯折线和交指结构可以由竖直方向的弯折线和交指结构旋转90°获得，简化了结构单元的复杂度。
作为本发明的进一步优化方案，所述所有结构都是在介质基板1一侧采用单层印刷电路加工技术蚀刻实现，简化了结构的加工难度。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、只需要在介质基板的一侧进行蚀刻，蚀刻的导体纹路形状规则，使得结构的加工更加简单、成本更加低廉。
2、同时采用弯折线与交指结构，使得等效电感和电容值同时增加，大幅度缩小单元尺寸，有效提高了频率响应随电磁波入射角度和极化状态变化的稳定性。
3、结构单元中的弯折线等效为电感，交指结构等效为电容。两者相互连接形成等效的串联电感和电容，其等效电路简单，易于分析。
附图说明
图1是本发明小型化单元带阻频率选择表面的一个单元示意图。图中标记说明如下：1-介质基板；2、3、4、5--弯折线；6、7、8、9--交指结构。
图2是本发明小型化单元带阻频率选择表面的尺寸标注图。
图3是本发明小型化单元带阻频率选择表面的阵列示意图。
图4是本发明小型化单元带阻频率选择表面的加工实物图。
图5(a)是本发明小型化单元带阻频率选择表面在te极化下的散射参数仿真与实测结果。
图5(b)是本发明小型化单元带阻频率选择表面在tm极化下的散射参数仿真与实测结果。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：
对照图1、图2、图3和图4，本发明设计的基于弯折线和交指结构小型化单元带阻频率选择表面的一个单元包括介质基板1，和位于介质基板一侧刻蚀的导体单元结构。所述的导体单元结构包含中部的弯折线2、3、4、5和单元边缘的交指结构6、7、8、9。其中介质基板一方面起到了支撑蚀刻导体的作用，另一方面，介质的引入使得谐振频率降低，一定程度起到了小型化的作用，增强了频率响应稳定性。弯折线关于单元中心对称，分布于单元结构的中部，且其长度从单元中心位置开始以蛇形弯折形式逐渐增加，有效增加了谐振振子的长度和等效电感，使得充分利用频率选择表面的单元面积。进一步地，交指结构位于单元结构的边缘，包括本单元部分和相邻单元的延伸部分，其水平方向的交指结构可以由竖直方向交指结构逆时针旋转90°获得。这些交指结构的运用，使得单元之间的等效电容增大，并且通过与弯折线相连，构成串联谐振电路。这样一来，结构单元的谐振频率得到大幅度的降低，实现了单元尺寸的小型化。
如图2所示，介质基板的厚度为h，导体的宽度为w，间隔为s，交指结构中相邻单元延伸部分长度为l，周期单元在水平方向上和竖直方向上的长度均为p。
如图3所示，本发明基于弯折线和交指结构的小型化单元带阻频率选择表面是由图2单元结构在水平和竖直方向上周期排列组成，这里给出了一个由2×2单元无限延伸的阵列作为示意。
图4所示为本发明一个实施例的加工实物图，其整体尺寸为315mm×315mm，共包含45×45个单元，设计的工作频率在2.4ghz附近。其中介质基板厚度h＝0.508mm，介质基板介电常数为3.55；单元结构的物理参数为：w＝0.2mm，s＝0.2mm，l＝0.6mm，p＝7mm。由此可得，该实施例结构单元在工作频率处的相对尺寸为0.056λ0(其中λ0为该工作频率对应的自由空间波长)，实现了小型化的设计目标。
图5所示为本发明弯折线和交指结构小型化单元带阻频率选择表面的仿真和测量结果。图5(a)和图5(b)分别为该频率选择表面在te极化和tm极化下电磁波入射的散射参数频率响应曲线，其两组曲线图都给出了电磁波入射角度从0°到60°变化的频率响应仿真和实测结果。从仿真和实测结果可以看出，该频率选择表面在谐振频率附近产生了带阻滤波性能。其频率响应对电磁波极化状态和入射角度的变化都不敏感，具有良好的稳定性。此外，测量曲线与仿真曲线存在约为200mhz的频率偏移，主要由加工和测量误差导致。
综上所述，本发明基于弯折线和交指结构小型化单元带阻频率选择表面，其单元尺寸小，频率响应随电磁波入射角度和极化状态的变化不敏感。同时，本发明还具有结构简单、加工成本低等特点。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。