一种基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面

1.本发明属于通信领域，涉及电磁场与微波技术领域，特别涉及一种基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面。


背景技术：

2.频率选择表面类似于超材料，在微波领域和红外领域有着广泛的应用前景，由大量的无源谐振单元按照一定的排布方式周期排列组成，作为电磁波和光信号的一种空间滤波器，与空间电磁波相互作用表现出明显的带阻(贴片型单元) 或带通(孔径型单元)的滤波性质，近年来被从事微波和天线领域的相关学者广泛的研究，它可以作为天线罩以减少雷达的散射面积(rcs)，极化转换器，隐身材料，以及改变建筑物的电磁特性。随着网络与通信设备的快速发展，军用与民用的电磁波段越来越多，具有高滤波，高截止，高选择特性的频率选择结构成为研究热点。国外的研究早在上世纪世界第二次大战被秘密研究，用于反侦察敌方战机，理论也在逐渐完善。我国的研究由于技术还不够成熟，开始的较晚，但由于fss广泛的应用前景以及商业价值，近十年成为研究热点。
3.随着全球互联网及移动通信的迅速发展，智能手机及平板电脑等移动终端设备的普及，数据业务对于网络带宽的需求呈几何增长，所传输的数据量也越来越大。5g技术营运而生，它具有超凡的数据处理能力，可以在最新的无线通信系统中绑定无限的通话量和无限的数据广播业务。5g不单使用传统的低频段 (sub 6ghz)，而且还采用了频谱资源更丰富的高频领域，即毫米波频段。频率选择表面一直在低频段(sub 6ghz)有着广泛的研究和应用。随着无线通信的不断发展以及频谱资源的日益丰富，在高频段的fss的应用显得尤为重要，特别是毫米波频段。电磁屏蔽，波束赋形，多频带天线，高增益天线都离不开频率选择表面的贡献。小型化，极化稳定性，入射角稳定性以及高选择性一直是频率选择表面研究的重要指标，与普通滤波器不同的是，fss是应用在无限的空间领域中，电磁波的极化和入射角度对其影响巨大，这也是研究难点之一。其次，在高频段领域中，由于波长较小，频率选择表面的单元尺寸就相对低频段小很多，可以达到毫米级别，大量的谐振周期单元组成fss表面，这对加工工艺提出了很高的要求。
4.由于受到加工工艺的影响，复杂的拓扑结构和多层fss加工起来比较困难，误差也会相对较大。其次，由于毫米波频段的不稳定性，fss在大角度入射角以及不同偏振角下表现出及其敏感的特性。


技术实现要素：

5.有鉴于此本发明提出一种基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面，包括包括多个频率选择单元在二维平面内排列成阵列结构，每个频率选择单元包括顶层金属层1、第一高频介质基板2、中间金属层3、第二高频介质基板4、底层金属层5，顶层金属层1、中间金属层3和底层金属层5为印刷在第一高频介质基板2或者第二高频介质基板4上的金属图案，即顶层金属层1、中间金属层3和底层金属层5通过第一高频介质基板2和第二高频介质
基板4隔开，顶层金属层1和底层金属层5的金属图案为交叉蜿蜒缝隙结构，即将交叉矩形缝隙中的每个臂通过曲折处理形成蜿蜒缝隙结构；中间金属层3为方形金属环。
6.进一步的，顶层金属层1和底层金属层5的四角边上分别设有四个边缘缝隙6，边缘缝隙的范围为0.1mm
‑
0.15mm，且每个边缘缝隙6与偶极子孔径相距一段间隔，间隔范围在0.05mm
‑
0.15mm。
7.进一步的，所述交叉蜿蜒缝隙结构包括四个90度旋转对称的缝隙，每个缝隙宽度为g1，从旋转对称点垂直一个金属层的一个边向外延伸，该段记作w4；在w4的另一端，沿垂直w4的方向延伸，该段延伸记作w3；在w3的另一端，沿垂直w3的方向且与w4同一延伸方向延伸，该段延伸记作w2；在w2的另一端，沿垂直w2且与w3延伸方向相反的方向延伸，该段延伸记作w1；在w1的另一端，沿垂直w1且与w4延伸方向相同的方向延伸，该段延伸记作g4；在 g4的另一端，沿垂直g4且与w3延伸方向相同的方向延伸，该段延伸记作g3；在g3的另一端，沿垂直g3且与w4延伸方向相同的方向延伸，该段延伸记作 g2。缝隙总长度与谐振频率相关，每个缝隙长度经过优化，以得到目标频率响应。
8.进一步的，通过半固化片7进行第一高频介质基板2和中间金属层3之间的粘合。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
10.1.本发明的基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面通过整体结构耦合达到三频选择性能；能够保证相应频段链路的信号不被其它频率所干扰，即本发明采用四边的矩形缝隙，增加了结构等效耦合电容，使得频带之间的传输系数降低到
‑
20db以下，有效的增加了带外隔离度，使其不被其它频段所干扰。
11.2.本发明的基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面中间方形金属环 x可以实现对高频频带独立可调，实现不同的频比，拓展了应用范围。
12.3.本发明的基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面，即其完全对称的结构，有着极强的极化稳定性。
13.4.本发明的基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面由于其紧密的结构以其超小的尺寸大小有着超高的角度稳定性，在0
°‑
60
°
下一直保持谐振频率不变。
14.5.本发明发明的基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面具有小尺寸，低轮廓，易于加工的特点。
附图说明
15.图1是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面周期单元结构 3d示意图；
16.图2是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面每层单元结构图；
17.图3是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面的等效电路模型。
18.图4是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面矩形缝隙结构演变图；
19.图5是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面的侧视图；
20.图6是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面全波仿真和等效电路模型中获得的s参数；
21.图7是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在te极化模式下的入
射角度稳定性能仿真图；
22.图8是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在tm极化模式下的入射角度稳定性能仿真图；
23.图9是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面中间耦合层方环周长参数仿真图；
24.图10是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在te波下的传输系数测量图；
25.图11是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在tm波下的传输系数测量图。
具体实施方式
26.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
27.本发明提出一种基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面，包括多个频率选择单元在二维平面内排列成阵列结构，每个频率选择单元包括顶层金属层1、第一高频介质基板2、中间金属层3、第二高频介质基板4、底层金属层5，顶层金属层1、中间金属层3和底层金属层5为印刷在第一高频介质基板2或者第二高频介质基板4上的金属图案，即顶层金属层1、中间金属层3和底层金属层5通过第一高频介质基板2和第二高频介质基板4隔开，其特征在于，顶层金属层1和底层金属层5的金属图案为交叉蜿蜒缝隙结构，即将交叉矩形缝隙中的每个臂通过曲折处理形成蜿蜒缝隙结构；中间金属层3为方形金属环。
28.交叉矩形缝隙为现有的金属层结构，其构形见附图4左侧图形，通过将传统的交叉矩形缝隙的每个臂进行曲折，构成本发明中所述的交叉蜿蜒缝隙结构，其中，对于每段缝隙的宽度是存在一个渐变的过程，如图2，g5、g6、g7分别代表每个垂直拐角两边的缝隙宽度，范围分别为1.9mm
‑
2mm，1.4mm
‑
1.5mm， 1.2mm
‑
1.4mm；这样设计有利于增强层间耦合效应。该结构包括四个90度旋转对称的缝隙，从旋转对称点垂直一个金属层的一个边向外延伸，该段记作w4；在w4的另一端，沿垂直w4的方向延伸，该段延伸记作w3；在w3的另一端，沿垂直w3的方向且与w4同一延伸方向延伸，该段延伸记作w2；在w2的另一端，沿垂直w2且与w3延伸方向相反的方向延伸，该段延伸记作w1；在w1的另一端，沿垂直w1且与w4延伸方向相同的方向延伸，该段延伸记作g4；在 g4的另一端，沿垂直g4且与w3延伸方向相同的方向延伸，该段延伸记作g3；在g3的另一端，沿垂直g3且与w4延伸方向相同的方向延伸，该段延伸记作 g2。缝隙总长度与谐振频率相关，每个缝隙长度经过优化，以得到目标频率响应。
29.频率选择表面包含若干个周期性排列的单元谐振元件，由两层介质板，顶层金属层、底层金属层以及中间金属层构成，上中下三层金属层分别为缝隙、贴片、缝隙结构，顶层和底层金属图案相同，为交叉蜿蜒缝隙结构，中间层是方形金属环。顶层和底层的孔径结构提供了较宽的通带响应，而中间层显示出现带阻特性。层与层之间的距离已经优化，耦合效果使其具有三频一阶高选择性性能。中心频率分别在20ghz、28ghz、38ghz，此外，仿真了不同偏振角和入射角对fss 传输响应的影响，结果表明它具有良好的偏振和入射角稳定性。
30.如图1，所述顶层金属层1为缝隙结构，作为fss的周期单元，并且结构做了弯曲处理，每个缝隙按“弓”字形进行弯折，弯折角度为90
°
，形成交叉蜿蜒缝隙结构，使得其图案为旋转对称图形。同样底层属图案5与之相同，形成两个带通谐振器。
31.如图2，单元结构中间金属层3为方形金属环结构，作为理想的带阻谐振器用于耦合顶层与底层表面的共振响应。且用于调节38ghz处的频率响应。在顶层金属层1和底层金属层5的四角边上分别设有边缘缝隙6，且与交叉蜿蜒缝隙相距一段间隔。用于增加耦合电容，使得带外抑制更加明显(即通带之间的衰减达到20db以上)。如图3，通过半固化片7进行所有层之间的层压粘合，其所使用的材料为rogers 4450b材料，介电常数与介质基板相近。
32.在本实施例中给出
33.实施例1
34.参照图1，一种基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面，所述频率选择表面周期单元，由介质基板2，4和印刷在介质基板两侧的金属孔径层1，5 和中间耦合层3构成，顶层与底层周围设有四个边缘缝隙结构6，且它们之间互不相连。顶层与底层金属层1，5结构相同。
35.所述介质基板2，4高频损耗材料rogers ro4003c板材,如图2，边长为dx， dy，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为t。
36.参照图2，所述金属层1、3、5的中心沿z轴方向重和，顶层与底层周边分布有四个边缘缝6，交叉蜿蜒缝隙的弯曲角度为90
°
，与边缘缝隙不连接。所有金属层均采用铜金属印刷，厚度为0.035mm。另外本实施例给出图2中g2的长度为0.2
‑
0.24mm，g3与g4以及w2与w3的长度在0.37
‑
0.41mm，w1的长度在 0.75
‑
0.8mm；w4的长度在0.25
‑
0.3mm。
37.参照图2，dx，dy为周期单元的边长，dx＝dy，其中w1，w2，w3，w4， g2，g3，g4分别为交叉蜿蜒缝隙每一段的长度，g5、g6、g7为交叉蜿蜒缝隙的宽度，s，e分别为边缘缝隙的长和宽，lx为方形金属环的外边长，lx＝ly；l为方形金属环的内边长。
38.图3显示了所本发明提出的三频fss等效电路的简化图，它由一个串联lc滤波器和两个相同的并联lc滤波器和一个夹在中间的串联lc滤波器，顶层和底层的槽结构具有lc并联响应特性(l1和c1，l2和c2)，中间层的金属方环具有阻带特性，可等效为lc串联电路(l3和c3)，衬底可以用一条传输线建模，这里每条传输线用一个电感(l4，l5)简化，这里的电感充当耦合的作用，调节耦合电感l4，l5的数值，可以实现三个通带在微波频段，且三个谐振点批次隔开，带外抑制十分明显，在其中全波仿真由cst studio suite执行，等效电路由ads仿真。fss具有3个通带分别为20ghz、28ghz和38 ghz，等效电路模型预测结果与全波仿真吻合较好。
39.实施例2
40.参照图2，将中间耦合层3方形金属环的内边长l的物理参数改变(即方形金属环的周长被改变)，l尺寸大小范围为1.1mm
‑
0.7mm，以实现频率选择表面第三谐振点的独立调谐。
41.本发明的各项性能指标采用cst三维电磁仿真软件进行仿真分析，所得仿真结果如下：
42.如图6，是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面全波仿真和等效电路模型中获得的s参数，该图参数可以验证本发明fss的等效电路模型的可行性与准确
性。
43.如图7，8为所设计的基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在两种极化方式下的入射角度稳定性能仿真图，可以看出，分别在20ghz、28ghz 以及38ghz附近产生高选择性带通共振响应，且带外抑制良好；在0
‑
60
°
角度范围下表现出良好的稳定特性。在平面波正常入射下te/tm两种极化下曲线完全拟合一致。
44.如图9，为基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在改变中间耦合层边长l参数下的仿真图，可以看出，随着l的增加，第三共振带由40ghz变为 36ghz，且低频、中频谐振点保持不变，实现高频谐振点的独立可调。
45.图10和11是本发明基于多层耦合结构的毫米波三频频率选择表面在te/tm 波下的传输系数测量结果图。
46.表1优化的天线尺寸参数
[0047][0048]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。