基于人工表面等离激元的空间滤波器

摘要

本发明提出一种基于人工表面等离激元的空间滤波器，主要解决现有技术工作频带窄，周期尺寸大的问题，其包括上下层叠的第一介质板(1)、第二介质板(2)及多个金属枝节；每个介质板均通过两块介质基板十字交叉组成，产生8个平面，多个金属枝节采用两种组合形式，一种是用反余弦形式排布与部分折叠组合，构成第一种金属枝节贴片(3)，另一种是用反余弦形式排布与部分折叠和凸起枝节的形式组合，构成第二种金属枝节贴片(4)，该第一种金属枝节贴片印制在第一介质板的8个平面，该第二种金属枝节贴片印制在第二介质板的8个平面，每一个枝节上均加载有电阻。本发明展宽了工作频带，缩减了结构的周期大小，可用于雷达散射截面RCS的缩减。

权利要求

1.一种基于人工表面等离激元的空间滤波器，包括基板和多个金属枝节，这些金属枝节组合排布印制在介质基板上实现滤波特性，其特征在于：基板包括介电常数不同，且上下叠层的两个介质板(1，2)，每个介质板均通过两块矩形介质基板十字交叉叠加组成，产生8个平面；

多个金属枝节以两种形式组合，第一种是采用反余弦形式排布与部分折叠的形式组合，构成第一种金属枝节贴片(3)，该第一种金属枝节贴片(3)分别印制在第一介质板(1)的

8个平面上；

第二种是 采用反余弦形式排布与部分折叠和凸起枝节的形式组合，构成第二种金属枝节贴片(4)，该第二种金属枝节贴片(4)分别印制在第二介质板(2)的8个平面上；

所述第一种金属枝节贴片(3)与第二种金属枝节贴片(4)的每一个枝节中均加载有电阻(5)；第一种金属枝节贴片(3)的多个金属枝节用第一竖向矩形枝节连接，第二种金属枝节贴片(4)的多个金属枝节用第二竖向矩形枝节连接。

2.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，所述第一介质板(1)与第二介质板(2)的尺寸大小不同，且第一介质板(1)的介电常数大于第二介质板(2)的介电常数。

3.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，第一种金属枝节贴片(3)的枝节数量为20-30个，枝节长度按照两端最长向中间逐渐递减的规律分布，并对上下两端的两个枝节L1进行了两次折叠，对靠近中间的两个枝节L2又进行了单次折叠。

4.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，第二种金属枝节贴片(4)的枝节数量为30-35个，枝节长度按照两端最长向中间逐渐递减规律分布，并对上下两端的两个枝节L3进行了单次折叠，再延长靠近中间的两组枝节L4，使其长度大于L4两侧的枝节。

5.根据权利要求1所述的空间滤波器，其特征在于，第一种金属枝节贴片(3)与第二种金属枝节贴片(4)上所有电阻加载的位置相同，阻值相同。

说明书

基于人工表面等离激元的空间滤波器

技术领域

[0001] 本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种空间滤波器，可用于雷达散射截面RCS的缩减。

背景技术

[0002] 表面等离子体激元是一种束缚在金属和电介质分界面上的自由电子和外界光子相互作用而形成的混合激发态，是一种类型的表面电磁波，它一般沿着金属和介质的分界面传播，而在垂直于分界面方向上则按指数形式衰减。通过人工设计的特殊结构，可以获得与表面等离子体激元类似的色散关系，从而获得具有独特的电磁场强束缚特性的人工表面等离子体激元SSPP。因为人工表面等离子体激元对电磁波具有非常良好的传输与阻隔特性，可以实现频率选择表面的相关特性，在电磁隐身方面具有广阔的前景。

[0003] 对于带通带阻型频率选择表面，如何拓宽其通带阻带和获得低的输入损耗和高的输出损耗一直是研究的重点。近年来，基片集成波导技术、多层或叠层FSS和三维FSS等技术应用于FSS的设计中，以追求优良的频率选择性能。由于人工表面等离子体激元在SSPP模式下的传输机制与截止特性，可以实现对电磁波的导通与阻隔，在电磁隐身方面有了初步的运用。但是SSPP本身具有单元尺寸大，工作频带窄的特点，不利于实现宽带与小型化的性能。因此，在基于SSPP的频率选择表面的设计中，综合考虑其输入损耗和输出损耗的同时，设计出具有宽频带和小型化的周期型SSPP结构具有十分重要的意义。

[0004] 为了解决上述问题，研究人员提出了不少解决方法。例如申请公告号为CN109037947A的专利申请中提出一种低RCS天线，该天线是在单极子天线旁放置一个类似椭圆形的SSPP单元。该结构虽然充分运用了SSPP的传输截止特性，在天线的工作频段内，SSPP处于导通状态，作为天线的带内辐射器，可实现5-8GHz良好的传输。在SSPP的高频段，通过引入椭圆形的渐变结构拓宽阻带带宽为8-12GHz的吸波，从而实现天线带外吸波特性，但是该结构由于阻带带宽较窄，且对应高频段的椭圆末端枝节太少，使得高频段的吸波效果不佳，导致传输损耗较小，造成外来波无法被很好地过滤掉。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于人工表面等离激元的空间滤波器，以在拓宽阻带带宽的同时，减小结构的单元周期，增大高频段的传输损耗，提高高频段对外来电磁波的滤波效果。

[0006] 为实现上述目的，本发明包括基板和多个金属枝节，这些金属枝节组合排布印制在介质基板上实现滤波特性，其特征在于：

[0007] 基板包括介电常数不同，且上下叠层的两个介质板，两个介质板均通过两块矩形介质基板十字交叉叠加组成，产生8个平面；

[0008] 多个金属枝节以两种形式组合，第一种是采用反余弦形式排布与部分折叠的形式组合，构成第一种金属枝节贴片，该第一种金属枝节贴片印制在上介质板的8个平面上；

[0009] 第二种采用反余弦形式排布与部分折叠和凸起枝节的形式组合，构成第二种金属枝节贴片，该第二种金属枝节贴片印制在下介质板的的8个平面上；

[0010] 所述第一种金属枝节贴片与第二种金属枝节贴片的每一个枝节中均加载有电阻。

[0011] 进一步，所述第一介质板与第二介质板的尺寸大小不同，且第一介质板的介电常数大于第二介质板的介电常数。

[0012] 进一步，所述第一种金属枝节贴片的枝节数量为20-30个，枝节长度按照两端最长向中间逐渐递减的规律分布，并对上下两端的两个枝节L1进行了两次折叠，对靠近中间的两个枝节L2又进行了单次折叠。

[0013] 进一步，所述第二种金属枝节贴片的枝节数量为30-35个，枝节长度按照两端最长向中间逐渐递减规律分布，并对上下两端的两个枝节L3进行了单次折叠，再延长靠近中间的两组枝节L4，使其长度大于L4两侧的枝节。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0015] 1.本发明采用反余弦形式的组合枝节构造单层宽带SSPP，增强了整体结构对于入射电磁波的束缚性，也展宽了单层SSPP的工作带宽；

[0016] 2.本发明由于在每个枝节上加入电阻，改善了在阻带传输系数幅值不稳定的情况，并在整体降低了传输系数的幅值。

[0017] 3.本发明使用高介电常数的上层介质板，实现整体频段向低频偏移，再通过对上下两端与之后的两组枝节进行多次弯折，有效的延长了单个枝节的长度，使整体的工作频段向低频偏移。

[0018] 4.本发明由于将不同组合形式金属枝节贴片分别印制在两种介质板上，并对两种介质板进行上下叠层，实现了4.11-16.05GHz超宽带阻带和0-3.21GHz通带的SSPP结构。

附图说明

[0019] 图1是本发明实施例的整体结构示意图；

[0020] 图2是本发明实施例的上层贴片枝节结构示意图；

[0021] 图3是本发明实施例的下层贴片枝节结构示意图；

[0022] 图4是本发明实施例在x极化下的S11仿真结果图；

[0023] 图5是本发明实施例在y极化下的S11仿真结果图；

[0024] 图6是本发明实施例在x极化下的S21仿真结果图；

[0025] 图7是本发明实施例在y极化下的S21仿真结果图。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图，对本发明的实施例和效果作进一步详细描述：

[0027] 参照图1，本发明基于人工表面等离激元的空间滤波器，包括两个介质板和两种金属枝节贴片，即第一介质板1和第二介质板2，第一种金属枝节贴片3和第二种金属枝节贴片4。第一介质板1和第二介质板2均通过两块矩形介质基板十字交叉叠加组成，产生8个平面，第二介质板2的高度大于第一介质板1，第一介质板1的介电常数大于第二介质板2的介电常数，第一介质板1固定在第二介质板2上面，构成上下叠层十字结构，以拓宽阻带带宽；每种金属枝节贴片均由多根矩形枝节组合构成，其中第一种金属枝节贴片3采用反余弦形式排布与部分折叠的矩形枝节组合形式，第二种金属枝节贴片4采用反余弦形式排布与部分折叠和凸起枝节的矩形枝节组合形式，每种金属枝节贴片的每一个枝节上均加载有电阻5，以改善传输损耗。该第一种金属枝节贴片3分别印制在第一介质板1的8个平面上，第二种金属枝节贴片4分别印制在第二介质板2的8个平面上，形成上下叠层十字结构的空间滤波器。

[0028] 参照图2，所述第一种金属枝节贴片3的枝节数量为20-30个，本实施例取但不限于24个，这24个横向矩形枝节用一个第一竖向矩形枝节6连接，第一竖向矩形枝节6的长度与第一介质板1的高度相等，宽度为0.3mm,每个横向矩形枝节宽度为0.3mm,枝节间距为
0.2mm，位于上下两端的枝节最长，两端枝节长度L1为7.2mm，整体枝节以两端最长向中间逐渐递减的反余弦规律分布。且上下两端的两个枝节L1进行了两次折叠，产生了三段折叠线，每段折叠线的宽度均为0.3mm，其中第一段折叠线的L1长度为7.2mm，第二段折叠线L11的长度为6.4mm，第三段折叠线L12长度为5.9mm。对靠近中间的两个枝节L2进行了一次折叠，产生了两段折叠线，每段折叠线的宽度均为0.3mm，第1段折叠线长度L2为4.8mm，第2段折叠线L21的长度为4.5mm。由于枝节长度是影响人工表面等离子体激元色散曲线的主要因素，每一长度的枝节都有其对应的通带阻带特性，且枝节长度越长，对应频段越低，通过引入反余弦形式排布的枝节能有效拓宽结构的工作带宽，通过对枝节进行折叠减小了结构的单元大小，保证了结构在低频段的工作性能。

[0029] 参照图3，所述第二种金属枝节贴片3的枝节数量为30-35个，本实施例取但不限于33个，这33个横向矩形枝节用一个第二竖向矩形枝节7连接，第二竖向矩形枝节7的长度与第二介质板2高度相等，宽度为0.3mm,每个横向矩形枝节宽度为0.3mm，枝节间距为0.2mm，位于上下两端的枝节最长，两端枝节长度L3为6.8mm，整体枝节以两端最长向中间逐渐递减的反余弦规律分布，且上下两端的枝节采用了单次折叠的形式，产生了两段折叠线，折叠线的宽度均为0.3mm，第一段折叠线的长度L3为6.8mm，第二段折叠线L31的长度为5.9mm，减小了结构的单元尺寸，再将靠近中间的两组枝节L4延长至L4＝4.7mm，以改善在高频段的传输损耗。

[0030] 在上述第一种金属枝节贴片与第二种金属枝节贴片的每个枝节上均加载阻值为10欧姆的电阻，使结构阻带的幅值更加稳定平滑。

[0031] 对本发明的技术效果可通过以下仿真实验，作进一步说明。

[0032] 1、仿真条件

[0033] 利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例进行仿真。

[0034] 2、仿真内容

[0035] 仿真1，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例在x极化下的S11参数进行仿真计算，结果如图4所示。

[0036] 仿真2，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例在y极化下的S11参数进行仿真计算，结果如图5所示。

[0037] 仿真3，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例在x极化下的S21参数进行仿真计算，结果如图6所示。

[0038] 仿真4，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例在y极化下的S21参数进行仿真计算，结果如图7所示。

[0039] 3、仿真结果

[0040] 从图4、图5可看出，本实施例的反射系数在3.56-12.52GHz，13.77-14.77GHz内均大于-3dB，且反射系数在x极化下与在y极化下重合。

[0041] 从图6、图7可看出，本实施例的传输系数在4.11-16.05GHz内均小于-20dB，在0-3.21GHz大于-3dB，且传输系数在x极化下与在y极化下重合。