一种低频透波高频宽带吸波的频选装置的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种低频透波高频宽带吸波的频选装置。

背景技术：

超材料(metamaterials，mm)是一种人工合成的、具有周期性单元结构的宏观复合材料，它被设计为具有某种自然材料所不具备的物理性质。超材料的研究起源于上世纪60年代，并于2010年被《科学》杂志评选为过去十年中人类最重大的10项科技之一。迄今为止，典型的超材料有：左手材料、人工磁导体、频率选择表面等。其中，频率选择表面作为“空间滤波器”在雷达罩，吸波和电磁兼容等方面已得到广泛应用。随着探测雷达的发展，无线通信设备在保障设备间正常通信的同时，如果能够在特定频域内实现电磁吸波,实现频率选择表面吸波-透波功能的一体化，将更有助于频率选择表面在天线罩、电磁屏蔽方面的应用。因此，吸波-透波一体化的频率选择表面的研究受到关注。

例如，申请公布号为cn106785468a,名称为“一种吸波-透波一体化超材料”的专利申请，公开了一种具备频率选择功能的超材料结构，该超材料结构包括多个吸波超材料单元和多个频率选择表面单元，多个频率选择表面单元按周期p呈矩阵式排列分布，每个吸波超材料单元设置在对应的频率选择表面单元上；吸波超材料单元包裹第一棱台和第二棱台，第一棱台和第二棱台均由多个第一介质层和多个第一金属层在垂直于频率选择表面单元的方向交替叠加构成；频率选择表面单元包括第二介质层和第二介质层上的第二金属层，第二金属层的每个边的中部金属区域均被刻蚀掉形成凹槽。该发明通过金属和介质层交替堆叠的方式，可实现低频透波高频吸波的功能，但其存在的缺陷是吸波带宽较窄，且结构体积笨重，厚度大。此外，结构各层间难以固定不利于实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出了一种低频透波高频宽带吸波的频选装置，旨在兼备低频段双向透波和高频段吸波特性的同时，拓宽吸波频段的带宽，并实现小型化。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种低频透波高频宽带吸波的频选装置，包括m×n个周期性排布的频率选择表面单元，m≥2，n≥2，所述频率选择表面单元包括上下层叠的正方形第一介质板1和正方形第二介质板2；其中：

所述第一介质板1的上表面粘贴有2×2个ito薄膜11，所述ito薄膜11采用正多边形或正多边形环状结构，通过确定ito薄膜11的尺寸，实现其与自由空间形成阻抗匹配，同时减小频率选择表面单元的频率依赖性，进而实现宽带吸收高频段电磁波的特性；

所述第二介质板2的下表面印制金属贴片21，该金属贴片21上蚀刻有准耶路沙冷十字形缝隙，该准耶路沙冷十字形缝隙是通过去除耶路撒冷十字形缝隙的四个希腊十字架形缝隙形成的，通过确定该准耶路沙冷十字形缝隙的尺寸，实现第二介质板2等效阻抗与自由空间特性阻抗的阻抗匹配，进而实现传输低频段电磁波的特性。

上述一种低频透波高频宽带吸波的频选装置，所述第一介质板1和第二介质板2，其边长相等。

上述一种低频透波高频宽带吸波的频选装置，其特征在于，所述2×2个ito薄膜11，其几何中心位于第一介质板1的中心法线上，相邻ito薄膜11中心的间距为w，w＝p/2，其中p为第一介质板1的边长；所述准耶路撒冷十字形缝隙，其几何中心位于第二介质板2的中心法线上。

上述一种低频透波高频宽带吸波的频选装置，其特征在于，所述ito薄膜11，其方块电阻值为a，60ohm/sq≤a≤120ohm/sq。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明第一介质板的上表面粘贴有2×2个ito薄膜，第二介质板下表面印制有金属贴片，通过设计ito薄膜的形状和尺寸，实现其与自由空间的阻抗匹配，进而实现高频吸波的功能；通过设计金属贴片上准耶路沙冷十字形缝隙的尺寸，实现其与自由空间的阻抗匹配，进而实现低频透波的功能；同时，ito薄膜形状和尺寸的确定，使频率选择表面单元的频率依赖性减小，因此以单层ito薄膜代替多层金属与介质交替堆叠的方式即可实现对电磁波较现有技术更宽带的吸收。

2.本发明采用上下层叠的第一介质板和第二介质板的结构，有效减少其在透波频段对电磁波的损耗，实现其结构的小型化，且易安装固定。

3.本发明中的第一介质板上粘贴的2×2个ito薄膜对称排布，其几何中心位于第一介质板的中心法线上，第二介质板下表面的金属贴片为准耶路沙冷十字形缝隙为对称图形，其几何中心位于第二介质板的中心法线上，且两块介质板均采用对称结构，能够实现频率选择表面对极化方式不敏感。

附图说明

图1是本发明实施例1频率选择表面单元结构示意图；

图2是本发明实施例1频率选择表面单元的ito薄膜结构示意图；

图3是本发明实施例1频率选择表面单元金属贴片的结构示意图；

图4是本发明实施例1的从不同面入射波时的s参数曲线图；

图5是本发明实施例2的从不同面入射波时的s参数曲线图；

图6是本发明实施例3的从不同面入射波时的s参数曲线图；

图7是本发明实施例1的不同极化方式下的吸/透率曲线图；

图8是本发明实施例2的不同极化方式下的吸/透率曲线图；

图9是本发明实施例3的不同极化方式下的吸/透率曲线图；

图10是本发明实施例1不同入射角度下的吸/透率曲线图；

图11是本发明实施例2不同入射角度下的吸/透率曲线图；

图12是本发明实施例3不同入射角度下的吸/透率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1

参照图1，一种低频透波高频宽带吸波的频选装置，包括m×n个周期性排布的频率选择表面单元，所述装置选取m＝26，n＝17以保证频率选择表面的边长大于入射电磁波的波长。为使频率选择表面的频率选择单元间紧密连接，将频率选择表面的周期设为p。为控制频率选择表面单元的大小，应控制其边长为亚波长，即边长小于频率选择表面工作频率对应的波长，故选定频率选择表面的周期为p＝11mm。

所述频率选择表面单元包括上下层叠的正方形第一介质板1和正方形第二介质板2，上下层叠的两层介质板能够控制频率选择表面在透波时对入射电磁波的损耗和频率选择表面的体积，且便于频率选择表面实体的制造和安装固定。根据频率选择表面的谐振频率，选取第一介质板1采用rogers5880，相对介电常数为2.2，厚度h1＝1.575mm，第二介质板2采用f4bmx294，相对介电常数为2.94，厚度h2＝1.464mm；第一介质板和第二介质板的边长与频率选择表面单元的周期相等。

所述第一介质板1的上表面用oca胶粘贴有2×2个ito薄膜11，其结构如图2所示。ito薄膜11采用2×2的对称排布，各ito薄膜的形状为正四边形环的对称结构，且设置ito薄膜11的几何中心位于第一介质板1的中心法线上，相邻ito薄膜11中心的间距为w，w＝p/2＝5.5mm，使得各ito薄膜等间距排布，进而使得频率选择表面的上表面能够实现结构对称，保证频率选择表面对极化方式不敏感的效果达到最佳。

当电磁波垂直入射时，入射电磁波在ito薄膜11表面的反射系数r表示为

其中，zr为ito薄膜11的等效阻抗，h0为自由空间的特性阻抗，μ0和ε0分别表示自由空间的磁导率和介电常数；当zr-h0→0时，电磁波入射到该ito薄膜11表面时几乎没有反射，则ito薄膜11与自由空间形成阻抗匹配。基于阻抗匹配原理，根据ito薄膜11的等效电阻zr确定ito薄膜的形状和尺寸。为满足频率选择表面满足吸波-透波功能均能实现，在频率选择单元的周期在亚波长范围内，ito薄膜11的方块电阻a需满足60ohm/sq≤a≤120ohm/sq。将ito薄膜11划分成n个闭合的任意多边形，则等效电阻zr表示为

其中，a为ito的方块电阻值，li为第i个闭合的任意多边形沿ito薄膜表面电流方向的边的长度，wi为第i个闭合的任意多边形垂直ito薄膜表面电流方向的边的长度。本实施例中，采用正四边形环状ito薄膜11的厚度为0.175mm，方块电阻值a＝90ohm/sq，正四边形环边长c＝3.83mm，环宽d＝0.96mm。

所述第二介质板2的下表面印制金属贴片21，该金属贴片21上蚀刻有准耶路沙冷十字形缝隙，该准耶路沙冷十字形缝隙是通过去除耶路撒冷十字形缝隙的四个希腊十字架缝隙形成的，其结构如图3所示。

为控制金属贴片在频率选择表面谐振时的等效电感l和等效电阻c，设计准耶路沙冷十字形缝隙的结构为去除耶路撒冷十字形缝隙的四个希腊十字架缝隙。准耶路沙冷十字形缝隙为对称结构，且设置金属贴片21的几何中心位于第二介质板2的中心法线上，使得频率选择表面的下表面能够实现结构对称，保证频率选择表面对极化方式不敏感的效果达到最佳。

当电磁波垂直入射时，入射电磁波在金属贴片21表面的反射系数r表示为

其中，za为第二介质板2的等效阻抗，μ和ε分别表示第二介质板2的磁导率和介电常数；h0为自由空间的特性阻抗，μ0和ε0分别表示自由空间的磁导率和介电常数；当zr-h0→0时，电磁波入射到该第二介质板2表面时几乎没有反射，实现第二介质板2与自由空间的阻抗匹配。本实施例确定准耶路沙冷十字形缝隙几何参数为：l1＝10.2mm，w1＝0.29mm，l2＝5.64mm，w2＝1.24mm。

实施例2

本实施例的结构与实施例1相同，仅对ito薄膜的方块电阻值进行了修改，a＝60ohm/sq。

实施例3

本实施例的结构与实施例1相同，仅对ito薄膜的方块电阻值进行了修改，a＝120ohm/sq。

本发明的工作原理是：

因阻抗匹配频率选择表面分别出现两处反射系数s11≤-10db，当电磁波入射时，将几乎无反射进入频率选择表面。

在低频段，ito薄膜不振荡，近似于理想电导体，且金属贴片不振荡，因此当电磁波从频率选择表面上表面入射，除了ito薄膜，介质板以及金贴片消耗掉的小部分能量外，其他能量透过频率选择表面，沿原传播方向传播，此过程为频率选择表面的正向透波过程；反之，当电磁波从频率选择表面下表面入射，除了ito薄膜，介质板以及金贴片消耗掉的小部分能量外，其他能量透过频率选择表面，沿原传播方向传播，此过程为频率选择表面的反向透波过程。

在高频段，ito薄膜振荡，近似于理想磁导体，金属贴片强烈振荡，当电磁波从频率选择表面上表面入射，无反射进入频率选择表面，被ito薄膜大量消耗吸收，剩余能量经由介质板传播至金属贴片后被反射回被ito薄膜层吸收，此过程为频率选择表面的吸波过程；反之，当电磁波从频率选择表面下表面入射，由于金属贴片的强烈振荡，入射波被全部反射。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步的说明：

1、仿真条件和内容：

仿真平台：ansyshfss18.0。

仿真条件设置：设置floquet激励与周期边界条件。

仿真1，对本发明实施例1、实施例2和实施例3中的频率选择表面单元分别从其上下表面入射电磁波的吸透性能进行仿真，其结果如图4，图5和图6所示；

仿真2，对本发明实施例1、实施例2和实施例3中的频率选择表面单元分别在te极化模式和tm极化模式下的吸透性能进行仿真，其结果如图7，图8和图9所示；

仿真3，对本发明实施例1、实施例2和实施例3中的频率选择表面单元在不同角度斜入射电磁波的吸透性能进行仿真，其结果如图10，图11和图12所示。

2、仿真结果分析：

参照图4，图5和图6，为从频率选择表面单元不同面入射电磁波时的s参数曲线图，其中s11和s21分别为电磁波从频率选择表面单元上表面入射时的反射曲线和透射曲线，s22和s12分别为电磁波从频率选择表面单元下表面入射时的反射曲线和透射曲线；从频率选择表面单元上表面和下表面入射电磁波时，均有在s和c波段的透波，从频率选择表面单元上表面入射电磁波，均有在x和ku波段存在的吸波；综上，在s和c波段附近可实现双向的透波，在x和ku波段实现吸波。

参照图7，图8和图9，为频率选择表面单元分别在te、tm极化模式下的吸/透率曲线图。其中标识为te的曲线为te极化模式下系吸波率和透波率，标识为tm的曲线为tm极化模式下系吸波率和透波率。

图7中，在te、tm两种模式下，te曲线和tm曲线基本完全重合，可见该频率选择表面单元对极化方式不敏感；且透波频段为3.87ghz-4.64ghz，传输带宽为770m，该频段内均可实现透波率大于70％；吸波频段为9.31ghz-13.71ghz，带宽4.4g，相对带宽为38.23％，该频段内均可实现吸波率大于80％。

图8中，在te、tm两种模式下，te曲线和tm曲线基本完全重合，可见该频率选择表面单元对极化方式不敏感；且透波频段为3.87ghz-4.78ghz，传输带宽为910m，该频段内均可实现透波率大于70％；吸波频段为9.43ghz-13.43ghz，带宽4.00g，相对带宽为34.65％，该频段内均可实现吸波率大于80％。

图9中，在te、tm两种模式下，te曲线和tm曲线基本完全重合，可见该频率选择表面单元对极化方式不敏感；且透波频段为3.91ghz-4.55ghz，传输带宽为640m，该频段内均可实现透波率大于70％；吸波频段为9.62ghz-13.91ghz，带宽4.29g，相对带宽为36.46％，该频段内均可实现吸波率大于80％。

参照图10，图11和图12，为频率选择表面单元分别在不同角度入射电磁波时的吸/透率曲线图，黑色曲线分别为从0°，15°，30°和45°入射电磁波频率选择表面单元的吸波率曲线，灰色曲线分别为从0°，15°，30°和45°入射电磁波频率选择表面单元的透波率曲线。图10，图11和图12中，电磁波在45°内入射时，均可实现低频段透波，高频段吸波的功能。

综上，频率选择表面在s和c波段附近存在双向的透波频段，在x和ku波段存在宽带吸波频段，吸波带宽大于4g；频率选择表面对入射电磁波的极化方式不敏感，te极化和tm极化的电磁波均能实现该频率选择表面的功能；频率选择表面对电磁波的入射角度不敏感，角度范围为0°-45°。

以上描述仅是本发明的一个实施例，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，在了解本发明内容和原理后，都可能在不违背本发明原理的情况下，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。