技术领域

[0001] 本发明涉及电磁场与微波通信的技术领域， 尤其涉及一种采用非谐振单元与谐 振单元结合方式构成的频率选择表面结构。

背景技术

[0002] 频率选择表面 (Frequency Selective Surfaces , 简称 FSS)， 是一种二维周期结构， 由介质表面上周期排列的金属贴片或者金属屏 上周期排布的缝隙单元构成， 对 通过该结构的电磁波具有带通 (贴片)或者带阻 (缝隙)的作用， 相当空域滤波器， 具有频率选择性良好， 制作实现简单等优良性能。 常用于制作天线罩以达到航 空航天中的雷达天线屏蔽与隐身， 可用作天线的副反射面， 也可以用作卫星通 信用的极化选择器和极化分离器等。 然而， 传统的频率选择表面是电容性的金 属导体贴片或者电感性的金属导体屏上的缝隙 图案周期结构， 采用简单的谐振 结构， 极化稳定性较差， 不利于空间滤波。

技术问题

[0003] 为克服上述技术缺陷， 本发明提供一种采用非谐振单元与谐振单元结 合方式构 成的频率选择表面结构， 旨在解决现有的频率选择表面极化稳定性较差 的问题 问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 为实现上述目的， 本发明提供了一种频率选择表面结构， 包括上介质层、 空气 介质层以及下介质层， 所述上介质层包括第一介质板和第二介质板， 第一介质 板的上表面和第二介质板的下表面分别刻蚀有 非谐振电感性的金属线栅， 第二 介质板的上表面刻蚀有谐振层， 所述第一介质板与第二介质板之间通过所述谐 振层级联， 其中：

[0005] 所述非谐振电感性的金属线栅包括多个线栅单 元， 每一个线栅单元相互交织成 非谐振电感性的金属线栅； [0006] 所述谐振层包括多个混合谐振器， 每一个混合谐振器均匀分布在所述谐振层上

[0007] 所述混合谐振器包括金属片以及耶路撒冷十字 单元， 所述耶路撒冷十字单元包 括一个刻蚀在金属片上的十字镂空槽和八个螺 旋缝隙结构单元， 该十字镂空槽 的每一末端左右两侧分别垂直连通一个螺旋缝 隙结构单元；

[0008] 所述下介质层的结构与上介质层的结构完全相 同， 所述上介质层通过所述空气 介质层与下介质层级联。

[0009] 优选的， 所述螺旋缝隙结构单元包括第一缝隙、 第二缝隙、 第三缝隙、 第四缝 隙、 第五缝隙和第六缝隙。

[0010] 优选的， 所述第一缝隙、 第二缝隙、 第三缝隙、 第四缝隙、 第五缝隙和第六缝 隙由外向内垂直连通并弯折形成螺旋结构。

[0011] 优选的， 所述第一缝隙的一端垂直连通至十字镂空槽的 末端， 第一缝隙的另一 端垂直连通至第二缝隙的一端， 第二缝隙的另一端垂直连通至第三缝隙的一端 ， 第三缝隙的另一端垂直连通至第四缝隙的一端 ， 第四缝隙的另一端垂直连通 至第五缝隙的一端， 第五缝隙的另一端垂直连通至第六缝隙上。

[0012] 优选的， 所述第一缝隙、 第二缝隙、 第三缝隙、 第四缝隙、 第五缝隙和第六缝 隙均为刻蚀在金属片上的细小镂空缝隙， 且宽度相同； 所述第一缝隙和第二缝 隙的长度相同， 第三缝隙和第四缝隙的长度相同， 第五缝隙和第六缝隙的长度 相同。

[0013] 优选的， 所述线栅单元包括第一金属条和第二金属条， 所述第一金属条和第二 金属条为金属铜条且相互垂直正交。

[0014] 优选的， 所述第一金属条和第二金属条的宽度相同， 所述第一金属条和第二金 属条的长度相同。

[0015] 优选的， 所述金属片为正方形的金属铜片。

[0016] 优选的， 所述十字镂空槽由两根相互正交的镂空缝隙组 成， 两根镂空缝隙的长 度和宽度均相同。

[0017] 优选的， 所述第一介质板和第二介质板的介电常数和磁 导率均分别为： e ^3.48

, m ^l ; 第一介质板和第二介质板的板厚均为 0.762mm。 发明的有益效果

有益效果

[0018] 相较于现有技术， 本发明提出的频率选择表面结构采用非谐振电 感性的金属线 栅与耶路撒冷螺旋缝隙结构， 上介质层和下介质层的外表面均镶嵌有非谐振 电 感性的金属线栅， 上介质层和下介质层的第一介质板和第二介质 板之间均镶嵌 有包括混合谐振器， 每个混合谐振器由镶嵌在金属片上的耶路撒冷 螺旋缝隙结 构组成， 由于频率选择表面结构的金属线栅结构和耶路 撒冷螺旋缝隙结构都是 对称结构， 从而保证了良好的极化稳定性， 提高了空间滤波性能。 本发明所述 频率选择表面结构采用非谐振的金属线栅和镶 嵌在谐振层上的耶路撒冷螺旋缝 隙结构， 从而达到谐振目的， 而且上介质层和下介质层之间通过空气介质级 联 ， 此结构合理利用了空气介质， 更符合实际应用。

对附图的简要说明

附图说明

[0019] 图 1是本发明频率选择表面结构优选实施例的立� �结构图；

[0020] 图 2是本发明频率选择表面结构优选实施例的截� �图；

[0021] 图 3是非谐振电感性的金属线栅的一个线栅单元� �平面结构图；

[0022] 图 4是本发明频率选择表面结构的谐振层中混合� �振器的平面结构图；

[0023] 图 5是混合谐振器中的螺旋缝隙结构单元的放大� �构示意图；

[0024] 图 6是本发明频率选择表面结构的传输系数和反� �系数的结果曲线图；

[0025] 图 7是 TE极化吋不同入射角度吋频率选择表面结构的� ��输系数曲线图；

[0026] 图 8是 TM极化吋不同入射角度吋频率选择表面结构的� ��输系数曲线图。

[0027] 本发明目的实现、 功能特点及优点将结合实施例， 将在具体实施方式部分一并 参照附图做进一步说明。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0028] 为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取 的技术手段及功效， 以下结合附 图及较佳实施例， 对本发明的具体实施方式、 结构、 特征及其功效进行详细说 明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明 ， 并不用于限定 本发明。

[0029] 参照图 1和图 2所示， 图 1是本发明频率选择表面结构优选实施例的立� �结构图 ； 图 2是本发明频率选择表面结构优选实施例的截� �图。 在本实施例中， 所述的 频率选择表面结构包括上介质层 1、 空气介质层 2以及下介质层 3， 上介质层 1通 过空气介质层 2与下介质层 3级联。 所述上介质层 1包括第一介质板 11和第二介质 板 12， 所述第一介质板 11位于第二介质板 12上。 第一介质板 11的上表面刻蚀有 非谐振电感性的金属线栅 13， 第二介质板 12的下表面也刻蚀有非谐振电感性的 金属线栅 13， 第二介质板 12的上表面刻蚀有谐振层 14。 所述非谐振电感性的金 属线栅 13包括多个线栅单元 130， 每一个线栅单元 130相互交织成非谐振电感性 的金属线栅 13。 所述谐振层 14包括多个混合谐振器 15， 每一个混合谐振器 15均 匀分布在谐振层 14上。 第一介质板 11与第二介质板 12通过谐振层 14级联。

[0030] 在本实施例中， 所述第一介质板 11和第二介质板 12的板材类型为 Rogers

RT/Duroid 4350B的介质板， 其介电常数和磁导率均分别为： e _f =3.48， m ^l^ 第 一介质板 11和第二介质板 12的板厚均为 0.762mm， 即1 ₁₌ h ₂ =0.762mm。 所述金属 线栅 13优选为金属铜线构成的网格化结构。 所述频率选择表面结构的厚度为 h=2 ?h ₁ 2?h ₂ h ₃ =9.048mm, 其中 Ιι ^, h ₃ 为空气介质层 2的厚度， h ₃ =6mm。 所述 上介质层 1的厚度为 h ₁₊ h ₂ = 1.524mm, 所述下介质层 3的厚度为 h ₁₊ h ₂ = 1.524mm 。 在本实施例中， 所述下介质层 3的构造和尺寸大小与上介质层 1完全相同。

[0031] 参考图 3所示， 图 3是非谐振电感性的金属线栅的一个线栅单元� �平面结构图。

在本实施例中， 非谐振电感性的金属线栅 13包括多个线栅单元 130， 每一个线栅 单元 130相互交织成非谐振电感性的金属线栅 13， 每一个线栅单元 130包括第一 金属条 131和第二金属条 132， 第一金属条 131和第二金属条 132相互垂直正交， 第一金属条 131和第二金属条 132的宽度相同， 均为 W=0.2mm， 第一金属条 131的 长度为 D _x =6mm， 第二金属条 132的长度为 D _y

=6mm。 由于上介质层 1和下介质层 3的第一介质板 11的上表面、 第二介质板 12的 下表面都刻蚀有非谐振电感性的金属线栅 13， 因此使得本发明频率选择表面结 构具有电感性的波阻抗性能。 [0032] 参考图 4所示， 图 4是本发明频率选择表面结构的谐振层中的一� �混合谐振器的 平面结构图。 在本实施例中， 所述谐振层 14包括多个混合谐振器 15， 所述多个 混合谐振器 15均匀分布在谐振层 14上， 混合谐振器 15呈正方形结构， 长度为 D _x =6mm, 宽度为 D _y =6mm。 每一个混合谐振器 15包括金属片 150以及耶路撒冷十 字单元 151， 所述耶路撒冷十字单元 151包括一个刻蚀在金属片 150上的十字镂空 槽 151以及八个螺旋缝隙结构单元 152， 十字镂空槽 151的每一末端左右两侧分别 垂直连通一个螺旋缝隙结构单元 152。 如图 4所示， 黑色部分为金属片 150， 被黑 色部分包围的内部空白部分为十字镂空槽 151和八个螺旋缝隙结构单元 152。 在 本实施例中， 所述金属片 150为正方形的金属铜片， 边长为 1^=3.61^^ 十字镂 空槽 151由两根相互正交的镂空缝隙组成十字型结构 ， 每一根镂空缝隙的宽度均 W ₁ =0.5mm， 每一根镂空缝隙的长度均为 L ^ Smm; 由于十字镂空槽 151左右 两侧分别垂直连通一个螺旋缝隙结构单元 152， 因此， 每一个耶路撒冷十字单元 151包括八个螺旋缝隙结构单元 152。 十字镂空槽 151的一个末端与两个连接的螺 旋缝隙结构单元 152的宽度为1^ 由于上介质层 1和下介质层 3的第一介 质板 11的下表面与第二介质板 12的上表面之间镶嵌有谐振层 14， 该谐振层 14包 括多个刻蚀在金属片 150上的耶路撒冷螺旋缝隙结构组成的混合谐振 器 15， 因此 使得本实用新型频率选择表面天线罩 01具有良好的谐振性能。 由于频率选择表 面结构 10的金属线栅结构和耶路撒冷螺旋缝隙结构都� ��对称结构， 从而保证了 频率选择表面天线罩 01具有良好的极化稳定性。

[0033] 参考图 5所示， 图 5是混合谐振器 15中的螺旋缝隙结构单元 152的放大结构示意 图。 在本实施例中， 每一个螺旋缝隙结构单元 152由第一缝隙 1521、 第二缝隙 15 22、 第三缝隙 1523、 第四缝隙 1524、 第五缝隙 1525和第六缝隙 1526构成。 第一 缝隙 1521、 第二缝隙 1522、 第三缝隙 1523、 第四缝隙 1524、 第五缝隙 1525和第 六缝隙 1526由外向内垂直连通并弯折形成螺旋结构。 具体地， 第一缝隙 1521的 一端垂直连通至十字镂空槽 151的末端， 第一缝隙 1521的另一端垂直连通至第二 缝隙 1522的一端， 第二缝隙 1522的另一端垂直连通至第三缝隙 1523的一端， 第 三缝隙 1523的另一端垂直连通至第四缝隙 1524的一端， 第四缝隙 1524的另一端 垂直连通至第五缝隙 1525的一端， 第五缝隙 1525的另一端垂直连通至第六缝隙 1 [0034] 在本实施例中， 第一缝隙 1521、 第二缝隙 1522、 第三缝隙 1523、 第四缝隙 1524 、 第五缝隙 1525和第六缝隙 1526均为刻蚀在金属片 150上的细小镂空缝隙， 且宽 度相同； 第一缝隙 1521和第二缝隙 1522的长度相同， 第三缝隙 1523和第四缝隙 1 524的长度相同， 第五缝隙 1525和第六缝隙 1526的长度相同。 作为优选实施例， 第一缝隙 1521、 第二缝隙 1522、 第三缝隙 1523、 第四缝隙 1524、 第五缝隙 1525 和第六缝隙 1526的宽度均为 W ₂ =0.1mm， 第一缝隙 1521和第二缝隙 1522的长度为

(L ₂ -W ,) /2=0.5mm; 第三缝隙 1523和第四缝隙 1524的长度均为 （L ₂ -W , ) /2-W 2=0.4mm; 第五缝隙 1525和第六缝隙 1526的长度均为 （L ₂ -W i) /2-2xW ₂ =0.3mm。

[0035] 参考图 6所示， 图 6是本发明频率选择表面结构的传输系数和反� �系数的结果曲 线图。 在本实施例中， 利用仿真软件 CST对频率选择表面结构进行仿真， 得到所 述频率选择表面结构的传输系数和反射系数的 仿真结果。 由图 6可知， 本发明所 述频率选择表面呈现出二阶带通频率响应性能 ， 其工作频率在 10GHz附近， 相对 带宽为 18.7%， 具有较好的频率选择特性。

[0036] 参考图 7和图 8所示， 图 7是仿真得到的横电波 （TE) 极化吋不同入射角度吋频 率选择表面结构的传输系数曲线图； 图 8是仿真得到的横磁波 （TM) 极化吋不 同入射角度吋频率选择表面结构的传输系数曲 线图。 如图 7和图 8所示， 是在 TE 和 TM极化吋不同入射角度吋， 仿真得到的频率选择表面结构的传输系数。 其中 ， "theta"表示入射波的传播矢量和表面法向量之� �的角度。 由图 7和图 8可知， 所 提出的频率选择表面结构分别在 TE和 TM极化吋， 其在 0°到 45°的范围内表现出 了相对稳定的频率响应。

[0037] 本发明提出的频率选择表面结构主要由三部分 组成： 上介质层 1、 空气介质层 2 以及下介质层 3， 上介质层 1通过空气介质层 2与下介质层 3级联， 且上介质层 1下 介质层 3相同。 上介质层 1和下介质层 3外表面镶嵌有非谐振电感性的金属线栅 13 ， 上介质层 1和下介质层 3的第一介质板 11和第二介质板 12之间均镶嵌有包括多 个混合谐振器 15组成的谐振层， 每个混合谐振器 15由镶嵌在金属片 150上的耶路 撒冷螺旋缝隙结构组成， 由于频率选择表面结构 10的金属线栅结构和耶路撒冷 螺旋缝隙结构都是对称结构， 从而保证了良好的极化稳定性。 本发明所述频率 选择表面结构采用非谐振电感性的金属线栅结 构和耶路撒冷螺旋缝隙结构， 从 而达到谐振目的， 而且此结构合理利用了空气介质， 更符合实际应用。

[0038] 以上仅为本发明的优选实施例， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效 功能变换， 或直接或间接运用在 其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。

工业实用性

[0039] 相较于现有技术， 本发明提出的频率选择表面结构采用非谐振电 感性的金属线 栅与耶路撒冷螺旋缝隙结构， 上介质层和下介质层的外表面均镶嵌有非谐振 电 感性的金属线栅， 上介质层和下介质层的第一介质板和第二介质 板之间均镶嵌 有包括混合谐振器， 每个混合谐振器由镶嵌在金属片上的耶路撒冷 螺旋缝隙结 构组成， 由于频率选择表面结构的金属线栅结构和耶路 撒冷螺旋缝隙结构都是 对称结构， 从而保证了良好的极化稳定性， 提高了空间滤波性能。 本发明所述 频率选择表面结构采用非谐振的金属线栅和镶 嵌在谐振层上的耶路撒冷螺旋缝 隙结构， 从而达到谐振目的， 而且上介质层和下介质层之间通过空气介质级 联 ， 此结构合理利用了空气介质， 更符合实际应用。