基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构

摘要

本发明的基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构，包括基层、金属贴片和栅格层，栅格层嵌入至基层内，且金属贴片设置在基层的两侧，栅格层包括贴片平板，贴片平板中部呈镂空层，镂空层设置有加载电感，加载电感两端与贴片平板电性相连。本发明的一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构及其设计方法，利用极点的耦合与分离机制，当极点的合理分布时，极点间的“凹陷”产生的影响减小，对应点处的插损降低，提升带宽稳定性的新方法(与介质加载法相比)，可实现90％以上相对带宽在0～60°内的带宽稳定。

权利要求

1.基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构，其特征在于，包括基层、金属贴片和栅格层，所述栅格层嵌入至所述基层内，且所述金属贴片设置在所述基层的两侧，所述栅格层包括贴片平板，所述贴片平板中部呈镂空层，所述镂空层设置有加载电感，所述加载电感两端与所述贴片平板电性相连；所述贴片平板的四角设置有第一金属层，所述贴片平板的中间设置有第二金属层，所述第二金属层设置有四个均匀布设的金属桥，所述金属桥的顶部通过所述加载电感与所述第一金属层相连，所述金属桥的底部通过加载电容与所述第一金属层相连。

2.一种设计如权利要求1所述基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1,设计在工作频带内存在传输极点的单层带通FSS结构，所述步骤S1获取得到的所述单层FSS结构的等效电路包括第一电感、第一电容和第二电感，所述第一电感与所述第一电容并联一端接地且另一端与所述基层的等效阻抗相连，所述第二电感一侧接地另一侧分别与所述基层的等效阻抗相连；

步骤S2,以步骤S1获取得到的所述单层FSS结构的等效电路参数L1、C1为初值，并结合中心工作频率和相对带宽等滤波性能指标，基于耦合谐振滤波原理，获取C2、h和εr的初值，其中，L1表示所述加载电感的等效电感的电感值、C1表示所述单层FSS相邻单元间的等效电容值，C2表示所述金属贴片的等效电容的电容值、h表示基层介质的厚度，εr表示隔离介质的相对介电常数；

步骤S3,上述等效电路参数的初值，获得除单层带通FSS结构外的其它结构参数初值，通过优化以获取可形成正入射下极点的耦合状态。

3.一种设计如权利要求2所述基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的方法，其特征在于，所述基于耦合谐振滤波原理包括以下公式：且，

其中，δ为相对带宽，ω0为中心工作频率，Z0为自由空间阻抗，q1和q3为归一化品质因数，k1,2和k2,3为谐振点间的归一化耦合系数，ε0为自由空间介电常数，εr为隔离介质的相对介电常数，h为所述基层的介质厚度。

4.一种设计如权利要求2所述基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的方法，其特征在于，所述基层介质厚度h为中心频率对应波长的1/20～1/5，所述单元尺寸为中心频率对应波长的1/20～1/6，且所述基层介质的相对介电常数εr在1～6之间。

5.一种设计如权利要求2所述基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的方法，其特征在于，所述传输极点为2～5个。

6.一种设计如权利要求2所述基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的方法，其特征在于，所述的S3步骤，正入射下存在显著的极点耦合状态，即单层带通FSS形成的谐振极点与FSS层间耦合极点的耦合状态。

说明书

基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁频率选择表面(FSS)领域，更具体地，涉及一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构。

背景技术

[0002] 频率选择表面(FSS)是由结构单元周期性排列而成的具有一定电磁波频率选择功能的结构，在不同的工作频带内呈现出反射、透射或吸收的特性，最常用的FSS为带阻型和带通型，其对应的经典结构为金属贴片阵列和金属缝隙阵。

[0003] 其中，带通型FSS在其工作通带内，在收发对应频段的电磁波时，除了要具备宽的通带宽度和小的带内插损的一般要求外，对通带窗口的角度稳定性的要求也越来越高。一般地，在角度为斜入射下，等效介质厚度降至正入射下的倍，层间阻抗关系发生相应变化，传输极点就不可避免地产生偏移。当存在多个传输极点时，极点的偏移程度往往也不同，因此，通带的角度稳定性应从两个方面进行评价，一是在不同角度下通带中心频率的偏移率；二是通带宽度随角度变化产生的偏差。

[0004] 现有的对于提升带通型FSS角度稳定性的方法主要包含两类：单元尺寸小型化和介质加载。其中小型化的方法主要有3种：一是集总元件加载；二是通过金属线折弯、缝隙交指化或增强层间耦合作用提升等效电感或电容；三是“容性层+感性层+容性层”构成的非共振结构。介质加载法则是根据Munk的扫描无关原理，在FSS两侧加载厚度约为/4，介电常数为的介质提升角度稳定性，这一方法在实际中存在两个方面的问题，一是介电常数为常在1.1～2之间，这样的介质极难获得；二是如此低介电的介质本身的气孔率较高，加载在最外侧后不可避免地牺牲了整体的力学强度。

[0005] 另外，上述这些技术对于FSS的通带稳定性技术的研究的评价只在于不同角度下通带中心频率的偏移率方面，而缺乏对通带宽度随角度变化产生的偏差方面的表征与探讨。然而在工程实际中，即使通过上述方法实现了极点的较好的角度稳定性，但是由于斜入射下的层间阻抗的变化，极点间的“凹陷”部分会产生显著的阻抗失配，相应地会产生难以接受的带内插损(如达到‑3dB)，插损的增大就会直接影响电磁信号的收发效率。

发明内容

[0006] 本发明提供一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构及其设计方法，实现FSS的带宽稳定，同时避免极点间的“凹陷”部分在高角度下的阻抗失配所引起的过大带内插损，在此极点间引入新的传输极点，抵消阻抗失配产生的影响。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构，其特征在于，包括基层、金属贴片和栅格层，所述栅格层嵌入至所述基层内，且所述金属贴片设置在所述基层的两侧，所述栅格层包括贴片平板，所述贴片平板中部呈镂空层，所述镂空层设置有加载电感，所述加载电感两端与所述贴片平板电性相连。

[0008] 在上述方案基础上优选，所述贴片平板的四角设置有第一金属层，所述贴片平板的中间设置有第二金属层，所述第二金属层设置有四个均匀布设的金属桥，所述金属桥的顶部通过所述加载电感与所述第一金属层相连，所述金属桥的底部通过加载电容与所述第一金属层相连。

[0009] 本发明还提供了一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的设计方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤S1,设计在工作频带内存在传输极点的单层带通FSS结构；

[0011] 步骤S2,以步骤S1获取得到的所述单层FSS结构的等效电路参数L1、C1为初值，并结合中心工作频率和相对带宽等滤波性能指标，基于耦合谐振滤波原理，获取C2、h和εr的初值，其中，L1表示所述加载电感的等效电感的电感值、C1表示所述加载电感的等效电容的电容值，C2表示所述金属贴片的等效电容的电容值、h表示基层介质的厚度，εr表示隔离介质的相对介电常数；

[0012] 步骤S3,上述等效电路参数的初值，获得除单层带通FSS结构外的其它结构参数初值，通过优化以获取可形成正入射下极点的耦合状态。

[0013] 在上述方案基础上优选，所述步骤S1获取得到的所述单层FSS结构的等效电路包括第一电感、第一电容和第二电感，所述第一电感与所述第一电容并联一端接地且另一端与所述基层的等效阻抗相连，所述第二电感一侧接地另一侧分别与所述基层的等效阻抗相连。

[0014] 在上述方案基础上优选，所述基于耦合谐振滤波原理包括以下公式：

[0015]

[0016]

[0017]

[0018]

[0019] 且，

[0020] 其中，δ为相对带宽，ω0为中心工作频率，Z0为自由空间阻抗，q1和q3为归一化品质因数，k1,2和k2,3为谐振点间的归一化耦合系数，ε0为自由空间介电常数，εr为隔离介质的相对介电常数，h为所述基层的介质厚度。

[0021] 在上述方案基础上优选，所述基层介质厚度h为中心频率对应波长的1/20～1/5，且所述基层介质的相对介电常数εr在1～6之间。

[0022] 在上述方案基础上优选，所述传输极点为2～5个。

[0023] 本发明的一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构及其设计方法，利用极点的耦合与分离机制，当极点的合理分布时，极点间的“凹陷”产生的影响减小，对应点处的插损降低，提升带宽稳定性的新方法(与介质加载法相比)，可实现90％以上相对带宽在0～60°内的带宽稳定。其中，极点的耦合，是指两个或多个传输极点重合或相互邻近并融合的现象，传输极点耦合后谐振强度减弱，并可能呈现出更宽带的阻抗匹配的特征，传输通带内平坦性好；极点的分离，指耦合的极点随结构参数调整、极化方向的变化或入射角度的改变，而分离为两个或多个极点的过程。。

附图说明

[0024] 图1为本发明的基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的3D拓扑结构图；

[0025] 图2为本发明的第一实施例的栅格层结构图；

[0026] 图3为本发明的第一实施例的金属贴片结构图；

[0027] 图4为本发明的第一实施例的侧视图；

[0028] 图5为本发明的第一实施例的基于极点的耦合与分离机制的结构的反射曲线；

[0029] 图6为本发明的第一实施例的基于极点的耦合与分离机制的结构的透射曲线图；

[0030] 图7为本发明的第二实施例的3D拓扑结构图

[0031] 图8为本发明的第二实施例的金属贴片结构图；

[0032] 图9为本发明的第二实施例的金属贴片与基板结构图；

[0033] 图10为本发明的第二实施例的基于极点的耦合与分离机制的结构的反射曲线；

[0034] 图11为本发明的第二实施例的基于极点的耦合与分离机制的结构的透射曲线图；

[0035] 图12为本发明的基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的等效电路图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0037] 请参阅图1所示，本发明提供了一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构，其特征在于，包括基层10、金属贴片20和栅格层30，栅格层30嵌入至基层10内，且金属贴片20设置在基层10的两侧，栅格层30包括贴片平板21，贴片平板21中部呈镂空层22，镂空层22设置有加载电感23，加载电感23两端与贴片平板21电性相连。

[0038] 请参阅图1，并结合图2、图3和图4所示，本发明的镂空层22呈环形，使得贴片平板21层环形结构，而加载电感23两端与贴片平板21层相连。

[0039] 为了验证本发明的技术效果，设计工作频带在3.75GHz～4.55GHz的基于极点耦合与分离的带宽稳定的宽通带FSS。

[0040] 第一步，设计如图2所示的加载电容27的格栅带通结构，对应的谐振点在4.15GHz；第二步，获取该带通结构的等效参数L1＝0.65nH，C1＝22.6pF，得到其他电路参数的初值，C2＝0.7pF、h＝1.5mm和εr＝3；第三步，构建如图1所示的结构模型，经优化调谐，形成正入射下极点的耦合状态。此时对应的结构主要参数：周期P＝12.5mm(周期电尺寸为0.17，按中心频点4.1GHz计)，贴片间隙s＝0.5mm，格栅线宽w＝9.2mm，单层介质厚度为2.4mm(电厚度为
0.066)，介质介电常数为3.5，格栅缝隙正中间加载的集总电容值为1.3pF。

[0041] 对上述结构在TE极化下在不同角度下的反射曲线和透射曲线。在正入射下，图5中的1点处3.806GHz为正入射下的极点耦合，当在45°斜入射时，发生极点分离，成为3点处3.705GHz极点和4点处4.02GHz处的极点。相应的，正入入射下的极点间的最大“凹陷”(图2中1点4.209GHz)对应的通带内的最大插损，为‑1.948dB，而在45°斜入射下的极点间的最大“凹陷”(图6中2点4.324GHz)对应的最大插损为‑1.2267dB。在这一极点的耦合与分离的机制下，45°斜入射较正入射的带内插损未增大，‑2dB的通带带宽稳定性非常好。

[0042] 表1 基于极点的耦合与分离机制的结构的带宽稳定性统计表

[0043]

[0044] 本发明的第二实施例，本发明的贴片平板21的四角设置有第一金属层24，贴片平板21的中间设置有第二金属层25，第二金属层25设置有四个均匀布设的金属桥26，金属桥26的顶部通过加载电感23与第一金属层24相连，金属桥26的底部通过加载电容27与第一金属层24相连，其中具体结构参阅图7、图8和图9。

[0045] 为了验证本发明的技术效果，设计工作频带在2GHz～5GHz的基于极点耦合与分离的带宽稳定的宽通带FSS。

[0046] 第一步，设计如图8所示的(a)加载电感23及电容的折弯线层带通结构，对应的谐振点在3.75GHz；第二步，获取该带通结构的等效参数L1＝3.52nH，C1＝0.51pF，得到其他电路参数的初值，C2＝0.08pF、h＝8mm和εr＝3；第三步，构建如图4所示的结构模型，经优化调谐，形成正入射下极点的耦合状态。此时对应的结构主要参数：周期P＝5mm(单元电尺寸为0.059，按中心频率3.52GHz计)，贴片间隙s＝0.8mm，线宽w＝0.5mm，单层介质厚度为9.2mm(总厚度电尺寸为0.216)，介电常数为3.5，折弯线正中间加载的电感为0.1nH，折弯臂正中间加载的电容为1pF。

[0047] 对上述结构在TE极化下在不同角度下的反射曲线和透射曲线。在正入射下，图10中的1点处3.806GHz为正入射下的极点耦合，当在45°斜入射时，发生极点分离，成为3点处3.705GHz极点和4点处4.02GHz处的极点。相应的，正入入射下的极点间的最大“凹陷”(图11中1点4.209GHz)对应的通带内的最大插损，为‑1.948dB，而在45°斜入射下的极点间的最大“凹陷”(图6中2点4.324GHz)对应的最大插损为‑1.2267dB。在这一极点的耦合与分离的机制下，45°斜入射较正入射的带内插损未增大，‑2dB的通带带宽稳定性非常好。

[0048] 表2 基于极点的耦合与分离机制的结构的带宽稳定性统计表

[0049]

[0050] 从表1和表2对全波仿真的(‑2dB)带宽的统计结果来看，60°斜入射较正入射下的中心频点的偏移率最大为5.68％，在相对带宽达到92.47％时，这样的偏移量是非常小的，且带宽偏移率仅为0.15％，是可忽略的。这说明，由上述两类基于极点的耦合与分离机制的基础结构设计的FSS的带宽稳定。

[0051] 本发明还提供了一种基于极点的耦合与分离的带宽稳定的频率选择表面结构的设计方法，包括以下步骤：

[0052] 步骤S1,设计在工作频带内存在传输极点的单层带通FSS结构；

[0053] 步骤S2,以步骤S1获取得到的单层FSS结构的等效电路参数L1、C1为初值，并结合中心工作频率和相对带宽等滤波性能指标，基于耦合谐振滤波原理，获取C2、h和εr的初值，其中，L1表示加载电感23的等效电感的电感值、C1表示加载电感23的等效电容的电容值，C2表示金属贴片20的等效电容的电容值、h表示基层10介质的厚度，εr表示隔离介质的相对介电常数；

[0054] 步骤S3,上述等效电路参数的初值，获得除单层带通FSS结构外的其它结构参数初值，通过优化以获取可形成正入射下极点的耦合状态。

[0055] 其中，步骤S1获取得到的单层FSS结构的等效电路包括第一电感、第一电容和第二电感，第一电感与第一电容并联一端接地且另一端与基层10的等效阻抗相连，第二电感一侧接地另一侧分别与基层10的等效阻抗相连，具体如图12所示。

[0056] 本发明基于耦合谐振滤波原理，包括以下公式：

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061] 且，

[0062] 其中，δ为相对带宽，ω0为中心工作频率，Z0为自由空间阻抗，q1和q3为归一化品质因数，k1,2和k2,3为谐振点间的归一化耦合系数，ε0为自由空间介电常数，εr为隔离介质的相对介电常数，h为基层10的介质厚度。

[0063] 其中，基层10介质厚度h为中心频率对应波长的1/20～1/5，且基层10介质的相对介电常数εr在1～6之间，而传输极点为2～5个。

[0064] 最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。