一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面

摘要

本发明提出一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，用于解决现有超宽带频率选择表面存在的工作频段过高和边缘陡降特性差的技术问题，包括自上而下依次层叠的上层第一介质板、上层第二介质板、第一泡沫夹层、中层介质板、第二泡沫夹层、下层第一介质板和下层第二介质板，所述上层第二介质板的上表面中心位置印制有第一圆环贴片，所述中层介质板的上表面中心位置印制有由四个金属折线组成的曲折线贴片，所述四个金属折线呈90度旋转对称排布，且在对称点处相连，所述下层第二介质板的上表面中心位置印制有第二圆环贴片。本发明实现了低频超宽传输性能和边缘陡降特性，可应用于通信系统、雷达和飞行器等平台的天线罩设计中。

权利要求

1.一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，包括M×N个周期排列的无源谐振单元，其中M≥3，N≥3，其特征在于：所述无源谐振单元包括自上而下依次层叠的上层第一介质板(1)、上层第二介质板(3)、第一泡沫夹层(4)、中层介质板(6)、第二泡沫夹层(7)、下层第一介质板(8)和下层第二介质板(10)，所述上层第二介质板(3)的上表面中心位置印制有第一圆环贴片(2)，所述中层介质板(6)的上表面中心位置印制有由四个金属折线(51)组成的曲折线贴片(5)，所述四个金属折线(51)呈90度旋转对称排布，且在对称点处相连，对称点位于中层介质板(6)的中心，每个金属折线(51)由依次排布的第一“L”形枝节(511)、波浪形折线(512)、第二“L”形枝节(513)、第三“L”形枝节(514)和第四“L”形枝节(515)组成，且第一“L”形枝节(511)的短枝与第四“L”形枝节(515)的短枝平齐，其外边缘中心与该边缘所在的中层介质板(6)的边的中心重合；所述下层第二介质板(10)的上表面中心位置印制有第二圆环贴片(9)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，其特征在于：所述上层第一介质板(1)、上层第二介质板(3)、中层介质板(6)、下层第一介质板(8)和下层第二介质板(10)，采用规格和介电常数均相同的正方形板材，其厚度H1＝0.3mm～0.5mm，边长D＝14.8～15.5mm，介电常数为2～2.6。

3.根据权利要求1所述的一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，其特征在于：所述第一泡沫夹层(4)和第二泡沫夹层(7)，采用规格和介电常数均相同的长方体轻质高强度泡沫材料，其横截面形状为边长尺寸与所述的五个介质板相等的正方形，高度H2＝8.5～

9.5mm，介电常数为1.1。

4.根据权利要求1所述的一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，其特征在于：所述第一圆环贴片(2)，其圆心位于上层第二介质板(3)的中心，内径尺寸为6.6～6.9mm，外径尺寸为7～7.4mm。

5.根据权利要求1所述的一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，其特征在于：所述第二圆环贴片(9)，其圆心位于下层第二介质板(10)的中心，内径尺寸为6.2～6.5mm，外径尺寸为6.6～6.9mm。

说明书

一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面

技术领域

[0001] 本发明属于微波技术领域，涉及一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，可应用于通信系统、雷达和飞行器等平台的天线罩设计中。

背景技术

[0002] 频率选择表面是一种能够对电磁波进行反射或者透射的二维周期性表面，它本身并不吸收能量，却能够有效地控制电磁波的反射和透射性能。频率选择表面按照对电磁波的频率响应特性可以分为两类：一类是带阻型频率选择表面，其对阻带内的电磁波呈现出全反射特性；另一类是带通型频率选择表面，其对通带内的电磁波呈现出全透射特性。由于这种独特的空间滤波特性，频率选择表面在工程领域具有很大的应用价值，其中一个重要应用方向就是天线罩。

[0003] 随着现代电子技术的发展，各种电子设备过度使用，周围环境充斥着大量电磁福射，正常的通信设备也受到日益恶化的电磁环境影响。现代通信、雷达和飞行器等系统中，常常希望处于天线工作频带内的电磁波能顺利透过频率选择表面天线罩，本地天线从而可以正常工作，而对处于天线工作频带之外的电磁波具有一定的抑制，使其无法进入天线罩内部，即具备抗干扰能力。在这些系统中，为了保证天线的正常工作，要求频率选择表面天线罩在天线工作频带内保持透明，具有带内插入损耗小，稳定性好等特性；在天线工作频带之外要求具有良好的反射特性，降低杂波对天线的干扰。为了尽可能减小带外杂波对天线的影响，频率选择表面天线罩带内和带外的过渡带宽应该尽可能的窄，这就要求频率选择表面天线罩具有良好的边缘陡降特性。

[0004] 在现有的研究中，对超宽带频率选择表面传输性能的研究绝大多数集中在X波段及以上波段，对于S、L波段及其以下波段，频率选择表面的研究绝大多数考察的是工作频率范围内频率选择表面对电磁波的透射能力，传输带宽十分有限。另外，现有的超宽带频率选择表面中，实现了优秀的边缘陡降特性的设计也十分罕见。如何设计具有低频超宽传输性能兼具优秀边缘陡降特性的频率选择表面是一个亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺点，提供了一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，用于解决现有超宽带频率选择表面存在的工作频段过高和边缘陡降特性差的技术问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0007] 一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，包括M×N个周期排列的无源谐振单元，其中M≥3，N≥3，所述无源谐振单元包括自上而下依次层叠的上层第一介质板1、上层第二介质板3、第一泡沫夹层4、中层介质板6、第二泡沫夹层7、下层第一介质板8和下层第二介质板10，所述上层第二介质板3的上表面中心位置印制有第一圆环贴片2，所述中层介质板6的上表面中心位置印制有由四个金属折线51组成的曲折线贴片5，所述四个金属折线51呈90度旋转对称排布，且在对称点处相连，所述下层第二介质板10的上表面中心位置印制有第二圆环贴片9。

[0008] 上述一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，所述上层第一介质板1、上层第二介质板3、中层介质板6、下层第一介质板8和下层第二介质板10，采用规格和介电常数均相同的正方形板材，其厚度H1＝0.3mm～0.5mm，边长D＝14.8～15.5mm，介电常数为2～2.6。

[0009] 上述一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，所述第一泡沫夹层4和第二泡沫夹层7，采用规格和介电常数均相同的长方体轻质高强度泡沫材料，其横截面形状为边长尺寸与所述的五个介质板相等的正方形，高度H2＝8.5～9.5mm，介电常数为1.1。

[0010] 上述一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，所述第一圆环贴片2，其圆心位于上层第二介质板3的中心，内径尺寸为6.6～6.9mm，外径尺寸为7～7.3mm。

[0011] 上述一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，所述四个金属折线51，其对称点位于中层介质板6的中心，每个金属折线51由依次排布的第一“L”形枝节511、波浪形折线512、第二“L”形枝节513、第三“L”形枝节514和第四“L”形枝节515组成，且第一“L”形枝节
511的短枝与第四“L”形枝节515的短枝平齐，其外边缘中心与该边缘所在的中层介质板6的边的中心重合。

[0012] 上述一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，所述第二圆环贴片9，其圆心位于下层第二介质板10的中心，内径尺寸为6.2～6.5mm，外径尺寸为6.6～6.9mm。

[0013] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0014] 1.本发明采用自上而下依次层叠的单元结构，实现了第一圆环贴片、曲折线贴片和第二圆环贴片的级联，圆环贴片和曲折线贴片对入射电磁波具有不同的频率响应，利用各贴片之间的耦合作用，实现了超宽带传输特性和边缘陡降特性，保证了工作频带外的干扰被有效的抑制，不会对工作频带内天线原有的辐射特性产生影响。

[0015] 2.本发明采用的曲折线贴片由四个金属折线组成，每个金属折线包括四个“L”形枝节和波浪形折线，延长了电流路径，有效降低了频率选择表面的工作频率，同时减小了单元尺寸，使得单元周期远小于工作波长，抑制了高阶谐振模式对性能的不利影响。

[0016] 3.本发明采用的第一圆环贴片，曲折线贴片和第二圆环贴片均为旋转对称结构，对于0～45°入射角域内的TE和TM极化波，传输频带平稳光滑，插入损耗小，具有很好的稳定性。

附图说明

[0017] 图1为本发明的整体结构示意图；

[0018] 图2为本发明无源谐振单元的整体结构示意图；

[0019] 图3为本发明金属折线的结构示意图；

[0020] 图4为本发明实施例1在0～45°角域内不同极化波照射下的传输系数图；

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

[0022] 实施例1

[0023] 参照图1，超宽带频率选择表面包括10×10个周期排列的无源谐振单元。

[0024] 参照图2，无源谐振单元包括自上而下依次层叠的上层第一介质板1、上层第二介质板3、第一泡沫夹层4、中层介质板6、第二泡沫夹层7、下层第一介质板8和下层第二介质板10，所述上层第二介质板3的上表面中心位置印制有第一圆环贴片2，其圆心位于上层第二介质板3的中心，内径尺寸为6.8mm，外径尺寸为7.2mm，所述中层介质板6的上表面中心位置印制有由四个金属折线51组成的曲折线贴片5，所述四个金属折线51在中层介质板6的中心点处相连，并且以该点为对称点呈90度旋转对称排布，所述下层第二介质板10的上表面中心位置印制有第二圆环贴片9，其圆心位于下层第二介质板10的中心，内径尺寸为6.4mm，外径尺寸为6.8mm，第一圆环贴片2和第二圆环贴片9采用不同的尺寸，实现了高阶频率响应，减小了过渡带宽，并且提高了带外抑制效果，第一圆环贴片2、曲折线贴片5和第二圆环贴片
9均为旋转对称结构，提高了频率选择表面性能的稳定性，所述上层第一介质板1、上层第二介质板3、中层介质板6、下层第一介质板8和下层第二介质板10，采用规格和介电常数均相同的正方形板材，其厚度H1＝0.4mm，边长D＝15mm，介电常数为2.2，所述第一泡沫夹层4和第二泡沫夹层7，采用规格和介电常数均相同的长方体轻质高强度PMI泡沫材料，其横截面形状为边长尺寸与所述的五个介质板相等的正方形，高度H2＝8.8mm，介电常数为1.1。

[0025] 参照图3，金属折线51由依次排布的第一“L”形枝节511、波浪形折线512、第二“L”形枝节513、第三“L”形枝节514和第四“L”形枝节515组成，所述第一“L”形枝节511的短枝与第四“L”形枝节515的短枝平齐，其外边缘中心与该边缘所在的中层介质板6的边的中心重合，相邻无源谐振单元的金属折线在单元交界处相互连接，所述第一“L”形枝节511，其短枝长度L1＝0.7mm，长枝长度L2＝5.5mm，波浪形折线512的短枝长度L3＝0.9mm，长枝长度L4＝5mm，第二“L”形枝节513的短枝长度L6＝4.5mm，长枝长度L5＝5.5mm，第三“L”形枝节514的短枝长度L7＝0.9mm，长枝长度L8＝5.2mm，第四“L”形枝节515的短枝长度L10＝1.3mm，长枝长度L9＝6.7mm，金属折线51的线宽W＝0.2mm，金属折线51由四个“L”形枝节和波浪形折线组成，延长了电流路径，从而降低了工作频率，同时减小了单元的周期。

[0026] 实施例2，本实施例的结构与实施例1相同，仅对如下参数作了调整：

[0027] 上层第一介质板1、上层第二介质板3、中层介质板6、下层第一介质板8和下层第二介质板10的厚度H1＝0.3mm，边长D＝14.8mm，介电常数为2，第一泡沫夹层4和第二泡沫夹层7的高度H2＝8.5mm，第一圆环贴片2的内径尺寸为6.6mm，外径尺寸为7mm，第一“L”形枝节
511，其短枝长度L1＝0.6mm，长枝长度L2＝5mm，波浪形折线512的长枝长度L4＝4.5mm，第二“L”形枝节513的短枝长度L6＝4mm，长枝长度L5＝5.4mm，第三“L”形枝节514的短枝长度L7＝0.8mm，长枝长度L8＝4.9mm，第四“L”形枝节515的短枝长度L10＝1mm，长枝长度L9＝
6.7mm，第二圆环贴片9的内径尺寸为6.2mm，外径尺寸为6.6mm。

[0028] 实施例3，本实施例的结构与实施例1相同，仅对如下参数作了调整：

[0029] 上层第一介质板1、上层第二介质板3、中层介质板6、下层第一介质板8和下层第二介质板10的厚度H1＝0.5mm，边长D＝15.5mm，介电常数为2.6，第一泡沫夹层4和第二泡沫夹层7的高度H2＝9.5mm，第一圆环贴片2的内径尺寸为6.9mm，外径尺寸为7.4mm，第一“L”形枝节511，其短枝长度L1＝0.8mm，长枝长度L2＝5.7mm，波浪形折线512的长枝长度L4＝5.1mm，第二“L”形枝节513的短枝长度L6＝5.4mm，长枝长度L5＝5.6mm，第三“L”形枝节514的短枝长度L7＝1mm，长枝长度L8＝6mm，第四“L”形枝节515的短枝长度L10＝1.2mm，长枝长度L9＝7mm，第二圆环贴片9的内径尺寸为6.5mm，外径尺寸为6.9mm。

[0030] 以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明：

[0031] 1、仿真条件和内容：

[0032] 利用商业仿真软件HFSS_15.0对实施例1在0～45°角域内，TE、TM极化波照射下的传输系数进行仿真计算，结果如图4所示，图4(a)为实施例1在0～45°角域内TE极化波照射下的传输系数图，图4(b)为实施例1在0～45°角域内TM极化波照射下的传输系数图。

[0033] 2、仿真结果分析：

[0034] 参照图4(a)，实施例1的中心频率为2.16GHz，传输通带频率范围0.51～3.81GHz，在这一通带频率范围内，对于0～45°角域内入射的电磁波，该频率选择表面在TE极化波照射下插损均小于3dB，相对频率带宽达到了153％，实现了超宽传输特性，同时在传输通带边缘具有陡降特性，传输系数迅速下降到-55dB，并在此后较宽的频带内保持在-15dB以下，带外抑制性能良好。

[0035] 参照图4(b)，实施例1在TM极化波照射下的传输性能和图4(a)基本一致，在通带边缘同样实现了陡降特性，传输系数迅速下降到-45dB，并在此后较宽的频带内保持在-10dB以下，带外抑制性能良好。

[0036] 以上仿真结果说明，本发明实现了低频超宽传输特性，同时具备良好的边缘陡降特性，对于不同角度和极化方式入射的电磁波均能保持稳定的性能。

[0037] 以上描述仅是本发明的实施例，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，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、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。