一种介质腔频率选择表面结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种介质腔频率选择表面结构，由多层PCB板紧密堆叠而成，所述多层PCB板分为顶层PCB板、中间层PCB板和底层PCB板，所述顶层PCB板和底层PCB板均由一块PCB板组成，中间层PCB板由多块PCB板组成，每块PCB板包括M*N个周期单元，顶层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元都具有一条槽线；其中，M＞10，N＞10。本发明具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可以作为单频介质腔频率选择表面结构，又可以作为三频介质腔频率选择表面结构，应用十分广泛，范围涉及电磁领域的许多方面，在微波波段可以用于天线罩、多频反射面天线、平面高增益天线、电磁兼容吸收体、极化器、波导滤波器、人工电磁材料等。
【专利说明】
-种介质腔频率选择表面结构
技术领域
[0001] 本发明设及一种频率选择表面结构，尤其是一种介质腔频率选择表面结构，属于 频率选择性表面技术领域。
【背景技术】
[0002] 频率选择表面(Rrequency Selective Surface,FSS)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，FSS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(槽线）的结构。 当FSS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(单元为槽线型）。 由于运种独特的空间滤波特性，使得FSS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。
[0003] 据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
[0004] 1)中国专利申请号为201510975867.3的发明专利申请公开了一种选择性高和角 度稳定的频率选择表面，如图1所示，由MXN个无源谐振单元周期排列而成，其中M>3，N> 3;无源谐振单元采用由两层介质基板形成的上下层叠结构，两层介质基板的表面印制有不 同结构的福射贴片，每个介质基板均设置有介质通孔结构，通过福射贴片之间、福射贴片自 身结构的相互禪合W及福射贴片上设置的星形槽线，实现了频率选择表面的高选择性和角 度稳定性，该技术在23.6細Z~23.9細Z频率范围内实现阻带由OdB变化至-20dB，同时在 24G化~26GHz频率范围内通带特性在0°~45°角度范围均保持良好，可用于反射面天线、卫 星通信等领域。
[0005] 2)中国专利申请号为201510953990.5的发明专利申请公开了一种基于立体结构 的频率选择表面结构，如图2所示，解决了现有结构简单的频率选择表面存在可控制参数比 较少，实际应用时存在频率响应曲线斜率小、极化稳定性差、小型化差的问题。该技术的四 块一号介质板的垂直拼接构成矩形框，矩形框的内侧壁涂有金属薄膜层，一号介质板上开 有圆形通孔，且每个所述圆形通孔的内侧均涂有金属薄膜层;两块二号介质板均设置在所 述矩形框内，每块二号介质板的一对相对的边均与所述矩形框的内侧壁固定连接，且两块 二号介质板沿中线垂直交接构成十字形结构，所述十字形的谐振结构的左臂的下表面、右 臂的上表面、上臂的左侧表面和下臂的右侧表面均设置有金属薄膜条，适用于天线罩的制 作使用。
[0006] 3)中国专利申请号为201510772122.7的发明专利申请公开了一种双频带宽带频 率选择表面，如图3所示，其包括在铜板上刻蚀形成的周期排列的多个槽线孔单元，每个槽 线孔单元包括正方形槽线孔，正方形槽线孔内部设有两条交叉的对角线槽线孔，正方形槽 线孔的每条边的中点设有使每条边分割为两段的实屯、部分，正方形槽线孔的外部设有波纹 方环孔，波纹方环孔的每条边包括3-5个圆弧段，每个圆弧段对应的圆形直径相同且圆屯、在 一条直线上;该技术通过波纹方环孔实现了更稳定的入射角性能和极化稳定性能，运种稳 定的频率选择表面可W应用于天线罩来减小天线RCS，也可W用来减小天线阵天线之间的 互禪，还可W用来增加天线的福射增益效果。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种介质腔频率选择表面 结构，该结构具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可W作为单频介质腔频率选择 表面结构，又可W作为=频介质腔频率选择表面结构。
[0008] 本发明的目的可W通过采取如下技术方案达到：
[0009] -种介质腔频率选择表面结构，由多层PCB板紧密堆叠而成，所述多层PCB板分为 顶层PCB板、中间层PCB板和底层PCB板，所述顶层PCB板和底层PCB板均由一块PCB板组成，中 间层PCB板由多块PCB板组成，每块PCB板包括M*N个周期单元，顶层PCB板和底层PCB板上的 每个周期单元都具有一条槽线;其中，M> 10，N> 10。
[0010] 作为一种优选方案，每块PCB板上设有多个过孔，多个过孔围成M*N个周期单元，每 个过孔的周围留有覆铜走线，每块PCB板的过孔和覆铜走线构成电壁，使每个周期单元形成 一个介质腔谐振器。
[0011] 作为一种优选方案，每个周期单元为矩形周期单元，所有PCB板的M*N个周期单元 构成一个长方体结构，该长方体结构的=维参数分别记为a、b和C;所述介质腔谐振器激励 出立个沿X、Y、Z轴电场方向的谐振模式，分别为TEoii、TEioi和TMiio，运立个谐振模式的谐振 频率与长方体结构的=维参数有如下函数关系：
[0012]
[OOU] 。）
[0014] (3)
[0015] 其中，Ko, 1,1为谐振模式TEoii的谐振频率，Ki, 0,1为谐振模式TEioi的谐振频率，Ki, 1,0 为谐振模式TMiio的谐振频率。
[0016] 作为一种优选方案，所述顶层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元的水平中屯、线 所在坐标轴设为X轴，垂直中屯、线所在坐标轴设为Y轴;所述顶层PCB板和底层PCB板上的每 个周期单元中的槽线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴方向偏移距离S，且相对Y轴旋转 角度e;其中，所述角度目小于45度。
[0017] 作为一种优选方案，所述介质腔频率选择表面结构为单频介质腔频率选择表面结 构时，所述顶层PCB板上每个周期单元中的槽线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方 向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度0;所述底层PCB板上每个周期单元中的槽线相对该 周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方向偏移距离S，且相对Y轴向左旋转角度0。
[0018] 作为一种优选方案，所述介质腔频率选择表面结构为=频介质腔频率选择表面结 构时，所述顶层PCB板上每个周期单元中的槽线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方 向，且相对Y轴向右旋转角度0;所述底层PCB板上每个周期单元中的槽线相对该周期单元的 几何中屯、点沿X轴的负方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度0。
[0019] 作为一种优选方案，所述顶层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元中的槽线为矩 形槽线。
[0020] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0021] 1、本发明的每块PCB板包括M*N个周期单元，M*N个周期单元可W由多个过孔围成， 每个过孔的周围留有覆铜走线，每块PCB板的过孔和覆铜走线作为电壁，使每个周期单元形 成一个介质腔谐振器，同时所有PCB板的M*N个周期单元构成一个长方体结构，可根据需要 的工作频率选择合适的长方体结构的=维参数尺寸。
[0022] 2、本发明的顶层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元都具有一条槽线，该槽线可 W相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴方向进行偏移，且相对Y轴进行旋转，偏移的距离可 根据对应的尺寸变化，旋转的角度在小于45度范围内旋转，通过改变旋转的角度，可W改变 模式的禪合W及传输零点位置。
[0023] 3、本发明具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可W作为单频介质腔频率 选择表面结构，又可W作为=频介质腔频率选择表面结构，应用十分广泛，范围设及电磁领 域的许多方面，在微波波段可W用于天线罩、多频反射面天线、平面高增益天线、电磁兼容 吸收体、极化器、波导滤波器、人工电磁材料等。
【附图说明】
[0024] 图1为第一种现有技术的结构示意图。
[0025] 图2为第二种现有技术的结构示意图。
[00%]图3为第S种现有技术的结构示意图。
[0027] 图4为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构装配示意图。
[0028] 图5为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构的正面示意图。
[0029] 图6为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构中的顶层PCB板示意图。
[0030] 图7为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构中的中间层PCB板示意图。
[0031] 图8为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构中的底层PCB板示意图。
[0032] 图9为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构中的顶层PCB板上的周期单元示 意图。
[0033] 图10为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构中的底层PCB板上的周期单元 示意图。
[0034] 图11为本发明实施例1的介质腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线图。
[0035] 图12为本发明实施例2的介质腔频率选择表面结构中的底层PCB板上的周期单元 示意图。
[0036] 图13为本发明实施例2的介质腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线图。
[0037] 其中，1 -第一 PCB板，2-第二PCB板，3-第SPCB板，4-第四PCB板，5-第五PCB板，6-过 孔，7-覆铜走线，8-第一槽线，9-第二槽线。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0039] 实施例1:
[0040]如图4~图10所示，本实施例的介质腔频率选择表面结构由多层PCB板紧密堆叠而 成，所述多层PCB板分为顶层PCB板、中间层PCB板和底层PCB板，所述顶层PCB板由第一PCB板 1组成，所述中间层PCB板由第二PCB板2、第SPCB板3和第四PCB板4组成，所述底层PCB板由 第五PCB板5组成。
[0041 ] 第一PCB板1、第二PCB板2、第SPCB板3、第四PCB板4和第五PCB板5上均设有多个过 孔6,每块PCB板上的多个过孔6围成M*N个周期单元，每个过孔6的周围留有覆铜走线7;由于 每块PCB板的过孔6和覆铜走线7可W看作电壁，所W每个周期单元相当于一个介质腔谐振 器;其中，M>10，N>10,由于周期单元的数量很多，在本实施例的图中只示出了2*2的周期 单元数量，每个周期单元为矩形周期单元，所有PCB板的M*N个周期单元构成一个长方体结 构，该长方体结构的=维参数分别记为a、b和C;理论上，介质腔谐振器可激励出=个沿X、Y、 Z轴电场方向的谐振模式，分别为TEoii、TEioi和TMiio，运立个谐振模式的谐振频率与长方体 结构的=錐宏々右々"下巧1?々普^焉；
[0042] …
[0043]
[0044] (3)
[0045] 其中，Ko, 1,1为谐振模式TEoii的谐振频率，Ki, 0,1为谐振模式TEioi的谐振频率，Ki, 1,0 为谐振模式TMiio的谐振频率，可根据需要的工作频率选择合适的a、b、c的尺寸，无限制频率 范围。
[0046] 所述顶层PCB板(第一 PCB板1)和底层PCB板(第二PCB板2)上的每个周期单元都具 有一条槽线，其中顶层PCB板上的每个周期单元中的槽线为第一槽线8,底层PCB板上的每个 周期单元中的槽线为第二槽线9,所述第一槽线8和第二槽线9均是长为U宽为W的矩形槽 线。
[0047] 将顶层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元的水平中屯、线所在坐标轴设为X轴， 垂直中屯、线所在坐标轴设为Y轴，本实施例的介质腔频率选择表面结构作为单频介质腔频 率选择表面结构，从图9中可W看到，在顶层PCB板上的每个周期单元中，第一槽线8相对该 周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方向（巧轴)偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度0;从图 10中可W看到，在底层PCB板上的每个周期单元中，第二槽线9相对该周期单元的几何中屯、 点沿X轴的正方向（巧轴)偏移距离S，且相对Y轴向左旋转角度0，也就是说，第一槽线8和第 二槽线9偏移的方向相同，而旋转的方向相反;其中距离S可根据对应的尺寸变化，不固定， 角度0在小于45度范围内旋转，工作频率不同，角度0的取值也不同。
[0048] 单频介质腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线如图11所示，图中Sii是 输入端口的回波损耗，S21是输入端口到输出端口的正向传输系数，从图中可W看到，只有一 个频段，Sii的值在-IOdBW下。
[0049] 实施例2:
[0050] 本实施例的主要特点是：如图12所示，本实施例的介质腔频率选择表面结构作为 S频介质腔频率选择表面结构，在顶层PCB板上的每个周期单元中，第一槽线8相对该周期 单元的几何中屯、点沿X轴的正方向（巧轴)偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度目；在底层PCB 板上的每个周期单元中，第二槽线9相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的负方向（-X轴)偏 移距离S，且相对Y轴向右旋转角度0，也就是说，第一槽线8和第二槽线9偏移的方向相反，而 旋转的方向相同。其余同实施例1。
[0051] =频介质腔频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线如图13所示，图中Sii是 输入端口的回波损耗，S21是输入端口到输出端口的正向传输系数，从图中可W看到，有立个 频段，Sii的值在-IOdB(或W下）。
[0052] 综上所述，本发明具有结构简单、加工容易、性能优越的特点，既可W作为单频介 质腔频率选择表面结构，又可W作为=频介质腔频率选择表面结构，应用十分广泛，范围设 及电磁领域的许多方面，在微波波段可W用于天线罩、多频反射面天线、平面高增益天线、 电磁兼容吸收体、极化器、波导滤波器、人工电磁材料等。
[0053] W上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技 术方案及其发明构思加 W等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
【主权项】
1. 一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于：由多层PCB板紧密堆叠而成，所述多层 PCB板分为顶层PCB板、中间层PCB板和底层PCB板，所述顶层PCB板和底层PCB板均由一块PCB 板组成，中间层PCB板由多块PCB板组成，每块PCB板包括M*N个周期单元，顶层PCB板和底层 PCB板上的每个周期单元都具有一条槽线;其中，M> 10，N> 10。2. 根据权利要求1所述的一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于:每块PCB板上设 有多个过孔，多个过孔围成M*N个周期单元，每个过孔的周围留有覆铜走线，每块PCB板的过 孔和覆铜走线构成电壁，使每个周期单元形成一个介质腔谐振器。3. 根据权利要求2所述的一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于:每个周期单元为 矩形周期单元，所有PCB板的M*N个周期单元构成一个长方体结构，该长方体结构的Ξ维参 数分别记为a、b和C;所述介质腔谐振器激励出Ξ个沿Χ、Υ、Ζ轴电场方向的谐振模式，分别为 ΤΕοιι、ΤΕιοι和TMiio,运Ξ个谐振模式的谐振频率与长方体结构的Ξ维参数有如下函数关系：其中，Κο, 1,1为谐振模式TEoii的谐振频率，Κι, 0,1为谐振模式TEioi的谐振频率，Κι, 1,0为谐 振模式TMiio的谐振频率。4. 根据权利要求1-3任一项所述的一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于:所述顶 层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元的水平中屯、线所在坐标轴设为X轴，垂直中屯、线所 在坐标轴设为Y轴;所述顶层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元中的槽线相对该周期单 元的几何中屯、点沿X轴方向偏移距离S，且相对巧由旋转角度Θ;其中，所述角度Θ小于45度。5. 根据权利要求4所述的一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于:所述介质腔频率 选择表面结构为单频介质腔频率选择表面结构时，所述顶层PCB板上每个周期单元中的槽 线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方向偏移距离S，且相对Y轴向右旋转角度Θ;所 述底层PCB板上每个周期单元中的槽线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方向偏移 距离S，且相对Y轴向左旋转角度Θ。6. 根据权利要求4所述的一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于:所述介质腔频率 选择表面结构为Ξ频介质腔频率选择表面结构时，所述顶层PCB板上每个周期单元中的槽 线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的正方向，且相对Y轴向右旋转角度e;所述底层PCB 板上每个周期单元中的槽线相对该周期单元的几何中屯、点沿X轴的负方向偏移距离S，且相 对Y轴向右旋转角度9。7. 根据权利要求1-3任一项所述的一种介质腔频率选择表面结构，其特征在于:所述顶 层PCB板和底层PCB板上的每个周期单元中的槽线为矩形槽线。
【文档编号】H01P7/06GK106099269SQ201610663319
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月12日 公开号201610663319.1, CN 106099269 A, CN 106099269A, CN 201610663319, CN-A-106099269, CN106099269 A, CN106099269A, CN201610663319, CN201610663319.1
【发明人】王世伟, 邓飞
【申请人】华南理工大学