一种超宽带大角度带阻型频率选择表面

1.本发明涉及一种超宽带大角度带阻型频率选择表面，属于电磁场与微波技术领域。


背景技术：

2.频率选择表面(frequency selective surface，fss)通常为周期性排列的二维金属贴片或孔径阵列结构，当不同频率的电磁波照射时，可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(孔径型)，分别表现出带阻或带通的滤波特性。fss由于其优越的空间滤波特性，在各种微波和毫米波系统中得到了广泛应用。其中，具有带阻特性的fss可以应用于雷达罩、天线副反射器、吸波材料以及电磁屏蔽等领域。对于传统的fss来说，往往它们的频率响应对电磁波的入射角度是十分敏感的，也会因谐振机制受限无法引入更多的传输零点，导致仅能实现较窄的工作带宽。但是在一些实际应用场景中，对具有宽带、大角度稳定性的fss需求十分迫切。
3.很多文献基于耶路撒冷十字、圆环、方环以及y形等不同谐振单元提出了一系列二维单频或多频带阻型fss，虽然在工作带宽、角度稳定性、小型化、小通带比等方面取得了很多进展和成果，但是很难同时实现超宽带性能和大角度稳定性，在一定程度上影响了其应用范围。后来，新加坡南洋理工大学沈忠祥团队等基于三维单元结构提出了带阻型fss设计方法，相比于二维fss来说，三维fss多了一个设计维度，自由度更高，能够构建出多个谐振模式，引入多个传输零极点，可以很好地拓展fss的工作带宽，不过，三维fss在加工和装配环节上实现难度较大，特别是应用于高频领域的fss，由于单元结构的尺寸更小，当前的加工工艺和装配技术无法满足设计精度的要求。因此，针对上述不足，设计一种具有超宽带、大角度稳定性的带阻型频率选择表面十分必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超宽带大角度带阻型频率选择表面，实现大入射角度下稳定的频率响应，同时具有超宽带特性和较小的电尺寸。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.本发明提供了一种超宽带大角度带阻型频率选择表面，所述超宽带大角度带阻型频率选择表面由多个单元结构在二维平面方向上周期排列构成，所述单元结构包括介质基板、五个金属化通孔和三层金属条带，三层金属条带包括两层“h”型金属条带和一层“s”型金属条带，其中：
7.两层“h”型金属条带分别位于介质基板的上、下表面，且介质基板下表面的“h”型金属条带位于上表面“h”型金属条带在下表面投影并沿条带中心水平转动90度的位置；
8.五个金属化通孔分别位于介质基板的四角和中心处，且五个金属化通孔的上下端分别连接介质基板上、下表面“h”型金属条带的四端和中心；
[0009]“s”型金属条带位于介质基板上、下表面之间，且依次连接沿介质基板表面对角线
分布的三个金属化通孔；
[0010]
所述金属条带的端部均通过圆环焊盘与金属化通孔焊接。
[0011]
进一步的，所述“h”型金属条带包括两个“t”型金属条带，且两个“t”型金属条带的凸端通过圆环焊盘焊接。
[0012]
进一步的，所述介质基板边长为5mm且高度为1.6mm，所述“h”型金属条带宽度为0.15mm，所述圆环焊盘外径为0.35mm且内径为0.2mm，且圆环焊盘离边间距为0.05mm。
[0013]
进一步的，所述“s”型金属条带所在层与介质基板下表面之间的距离为0.6mm。
[0014]
进一步的，所述“s”型金属条带包括两个通过圆环焊盘连接且成中心对称分布的弯折金属条带，每个弯折金属条带包括七段金属条带，且一段至七段逐渐靠近位于中心处的金属化通孔，一段至七段金属条带的带长分别为3.325mm、3mm、2.7mm、2.1mm、1.5mm、1mm和0.325mm，且相邻段金属条带的间距均为0.15mm。
[0015]
进一步的，所述超宽带大角度带阻型频率选择表面采用印刷电路板加工制作得到。
[0016]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0017]
一、本发明的超宽带大角度带阻型频率选择表面，在单元结构设计过程中，通过弯折操作来增加金属条带实际长度，在同样的频率范围内产生更多的倍频谐振点，通过在介质基板上、下表面之间加载弯折金属条带结构，引入更多的谐振模式，产生更多的传输零点，从而拓展工作带宽；
[0018]
二、本发明通过金属化通孔来连接三层金属表面，金属化通孔本身等效于一个电感，很显然为频率选择表面单元结构提供了很大的电感，同时相邻单元结构的金属化通孔之间可以等效为一个间隙电容，从而有效地增加了频率选择表面单元结构的电容。通过引入多个金属化通孔来增加频率选择表面单元结构的电感和电容，基于电容和电感的串联谐振机制实现了频率选择表面的带阻特性，此外，较大的电感电容使得谐振频率降低，从而降低了单元结构的电尺寸，实现了频率选择表面小型化设计，降低了频率选择表面对电磁波的入射角的敏感性。
附图说明
[0019]
图1为本发明实施例一提供的超宽带大角度带阻型fss的单元结构三维示意图；
[0020]
图2为本发明实施例一提供的超宽带大角度带阻型fss的单元结构侧视图及其尺寸标注示意图；
[0021]
图3(a)为构成本发明实施例一提供的单元结构的介质基板上表面示意图；
[0022]
图3(b)为构成本发明实施例一提供的单元结构的介质基板中间层示意图；
[0023]
图3(c)为构成本发明实施例一提供的单元结构的介质基板下表面示意图；
[0024]
图4为本发明实施例一提供的超宽带大角度带阻型fss的三维示意图；
[0025]
图5为本发明实施例一提供的超宽带大角度带阻型fss在电磁波垂直入射时的传输系数和反射系数仿真结果图；
[0026]
图6为本发明实施例一提供的超宽带大角度带阻型fss在不同入射角度下的传输系数仿真结果图。
[0027]
图中：1、介质基板；2、“t”型金属条带；3、弯折金属条带；4、圆环焊盘；5、金属化通
孔。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0029]
实施例一：
[0030]
一种超宽带大角度带阻型频率选择表面，可以采用印刷电路板(printed circuitboard，pcb)加工工艺进行制作，工艺简单，请参阅图1，该种超宽带大角度带阻型频率选择表面是由图1所示的单元结构在二维平面方向上周期排列构成，单元结构设计容易，成本低，每个单元结构包括介质基板1，介质基板1的上下表面各设有一个“h”型金属条带，下表面“h”型金属条带位于上表面“h”型金属条带在下表面投影并沿条带中心水平转动90度的位置，介质基板1的上下表面之间设有“s”型金属条带，上、下表面“h”型金属条带、“s”型金属条带之间通过金属化通孔5连接，其中一个金属化通孔5位于介质基板1中心而其余四个金属化通孔5位于介质基板1四角。每个“h”型金属条带由两个相同的“t”型金属条带2和五个相同的圆环焊盘4组成，位于介质基板1上/下表面的两个“t”型金属条带2成中心对称分布，圆环焊盘4连接于“t”型金属条带各端。“s”型金属条带由两个相同的弯折金属条带3和三个相同的圆环焊盘4组成，两个弯折金属条带3成中心对称分布，圆环焊盘4连接于弯折金属条带3各端。每个圆环焊盘4与对应的金属化通孔5焊接。
[0031]
请参阅图2，h为介质基板的高度，h1为“s”型金属条带层与介质基板下表面之间的距离。
[0032]
请参阅图3(a)-(c)，图中：p为介质基板边长，w为“h”型金属条带宽度，s为圆环焊盘离边间距，r1为圆环焊盘外径，r2为圆环焊盘内径，l1为“s”型金属条带一段带长，l2为“s”型金属条带二段带长，l3为“s”型金属条带三段带长，l4为“s”型金属条带四段带长，l5为“s”型金属条带五段带长，l6为“s”型金属条带六段带长，l7为“s”型金属条带七段带长，s1为“s”型金属条带一二段间距，s2为“s”型金属条带二三段间距，s3为“s”型金属条带三四段间距，s4为“s”型金属条带四五段间距，s5为“s”型金属条带五六段间距。
[0033]
请参阅图4，图4是由图1所示的单元结构在二维平面方向上周期排列构成，且仅给出了4
×
4个单元结构的排列示意图，在实际应用时，通常需要加工制作上百个单元结构。
[0034]
请参阅图5，单元结构的设计参数为p＝5mm,h＝1.6mm,h1＝0.6mm,w＝0.15mm,s＝0.05mm,r1＝0.35mm,r2＝0.2mm,l1＝3.325mm,l2＝3mm,l3＝2.7mm,l4＝2.1mm,l5＝1.5mm,l6＝1mm,l7＝0.325mm,s1＝s2＝s3＝s4＝s5＝0.15mm，介质基板的相对介电常数为4.4。由图可知，本实施例的频率响应呈现为一个带阻特性，中心频率位于10.15ghz，-10db工作带宽为11.1ghz(4.6ghz-15.7ghz)，相对带宽(rbw
10db
)为109.4％，单元结构(p
×
p
×
h)的电尺寸为0.169λ0×
0.169λ0×
0.054λ0(λ0为自由空间波长)，因此，本实施例提出的带阻型频率选择表面具有超宽带特性和较小的电尺寸。
[0035]
请参阅图6，当电磁波以0
°
，30
°
，60
°
，80
°
角度入射时，其频率响应十分稳定，因此，本实施例提出的带阻型频率选择表面对电磁波的入射角具有大角度稳定性和低敏感性。
[0036]
本实施例在单元结构设计过程中，通过弯折操作来增加金属条带实际长度，在同样的频率范围内产生更多的倍频谐振点，通过在介质基板上、下表面之间加载弯折金属条
带结构，引入更多的谐振模式，产生更多的传输零点，从而拓展工作带宽，本实施例的-10db相对带宽达到了109.4％。通过金属化通孔来连接三层金属表面，金属化通孔本身等效于一个电感，很显然为频率选择表面单元结构提供了很大的电感，同时相邻单元结构的金属化通孔之间可以等效为一个间隙电容，从而有效地增加了频率选择表面单元结构的电容。通过引入多个金属化通孔来增加频率选择表面单元结构的电感和电容，基于电容和电感的串联谐振机制实现了频率选择表面的带阻特性，此外，较大的电感电容使得谐振频率降低，从而降低了单元结构的电尺寸，实现了频率选择表面小型化设计，降低了频率选择表面对电磁波的入射角的敏感性，本实施例的角度稳定性达到了80
°
。综上所述，相比于现有带阻型频率选择表面来说，本实施例提出的带阻型频率选择表面具有超宽带、大角度稳定性以及较小的电尺寸等优势。
[0037]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。