專利名稱：寬帶頻率選擇器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于頻率選擇器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有寬帶特性以及在O 70度的電磁波大角度入射時(shí)的性能穩(wěn)定性，可用于雷達(dá)天線罩及拋物面天線。
背景技術(shù)：
頻率選擇器是指一類具有頻率選擇特性的器件，能夠有效濾除特定頻率的波或該頻率以外的波，從而得到一個(gè)特定頻率的信號(hào)或消除一個(gè)特定頻率的信號(hào)。目前，應(yīng)用最為廣泛的頻率選擇器主要有濾波器、頻率選擇表面等。其中，頻率選擇表面FSS是指一類由特定形狀的導(dǎo)體貼片或孔徑單元所構(gòu)成的二維周期陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠與特定頻率的電磁波相互作用從而表現(xiàn)出全反射或全透射特性，具有良好的頻率選擇和極化選擇特性，能夠有效控制電磁波的傳輸與反射。因此，頻率選擇表面可以看作是一種對(duì)頻率、入射角、極化方式等均有作用的空間濾波器。在工程中，頻率選擇表面因其所具有的空間濾波特性已被廣泛應(yīng)用于電磁隱身、通信、電磁兼容等諸多領(lǐng)域。目前，在諸如雷達(dá)天線罩、飛行器隱身等FSS常見應(yīng)用領(lǐng)域都已提出了需要相應(yīng)結(jié)構(gòu)在電磁波大角度入射時(shí)能正常工作的要求，然而傳統(tǒng)的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)不僅單元尺寸較大，而且在平面波以不同角度入射時(shí)的性能不夠穩(wěn)定，容易產(chǎn)生較大的諧振頻率偏移，尤其在大角度入射時(shí)其性能惡化明顯，可造成頻率選擇表面在特定頻段的頻率選擇特性失效，從而影響整體結(jié)構(gòu)的性能，這極大地影響了頻率選擇表面的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供一種高角度穩(wěn)定性寬帶頻率選擇器，以在電磁波大角度入射時(shí)保持中心頻點(diǎn)的穩(wěn)定性和較好的頻率選擇特性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明給出如下兩種技術(shù)方案:技術(shù)方案一一種寬帶頻率選擇器，包括金屬層和介質(zhì)層，金屬層位于介質(zhì)層上，其特征在于:金屬層由若干個(gè)呈周期性排布的六邊形單元組成，每個(gè)六邊形單元包括正六邊形金屬貼片與外圍的正六邊形金屬線框，該金屬貼片與金屬線框之間設(shè)有正六邊形縫隙，每個(gè)正六邊形縫隙的居中垂直刻蝕有H型縫隙，這些H型縫隙大小相等并呈中心對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選,所述的介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)為2.65 4.4的有機(jī)高分子聚合物基板，基板厚度為1mm。作為優(yōu)選，所述的金屬層上的每個(gè)六邊形單元均按三角形柵格周期排列，相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.12 0.18倍。作為優(yōu)選，所述的H型縫隙包括兩條大小相同的垂直縫和夾在該兩條垂直縫之間的一條水平縫，垂直縫的長(zhǎng)度I1與水平縫的長(zhǎng)度I2比例為:11:12=2:1。
作為優(yōu)選，所述的H型縫隙中的垂直縫寬度I4和水平縫寬度I5均與正六邊形縫隙的寬度 I3 相等，0.1mm ^ I3 0.5mm。作為優(yōu)選,所述的正六邊形金屬線框的寬度I6為:13 < I6 < 0.5mm。技術(shù)方案二一種寬帶頻率選擇器，包括金屬層和介質(zhì)層，金屬層位于介質(zhì)層上，其特征在于:金屬層由若干個(gè)呈周期性排列的六邊形單元組成，每個(gè)六邊形單元包括一個(gè)正六邊形縫隙、一個(gè)正六邊形金屬環(huán)和六個(gè)大小相等的H型金屬枝節(jié)；每個(gè)H型金屬枝節(jié)位于正六邊形金屬環(huán)一邊的中部，且與該邊垂直連接；正六邊形縫隙位于正六邊形金屬環(huán)的外圍。作為優(yōu)選，所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:金屬層上的每個(gè)六邊形單元按三角形柵格周期排列，相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.10 0.17倍。作為優(yōu)選，所述的H型金屬枝節(jié)包括兩條大小相同的垂直金屬條和夾在該兩條垂直金屬條之間的一條水平金屬條，垂直金屬條的長(zhǎng)度I1與水平金屬條的長(zhǎng)度I2比例為:I1:12=2:1 ；H型金屬枝節(jié)中的垂直金屬條寬度I4和水平金屬條寬度I5均與正六邊形金屬環(huán)的寬度 I3 相等，0.1mm ^ I3 0.5mm。作為優(yōu)選，所述的正六邊形縫隙的寬度I6為:I3彡I6彡0.5mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明所采用的頻率選擇器單元為正六邊形結(jié)構(gòu)，而且引入的H型縫隙或H型金屬枝節(jié)呈中心對(duì)稱分布，可有效降低材料對(duì)平面波不同極化和不同角度入射時(shí)的敏感度，從而能夠在電磁波大角度入射時(shí)保持中心頻點(diǎn)的穩(wěn)定性和較好的頻率選擇特性。(2)本發(fā)明 通過(guò)在頻率選擇器的結(jié)構(gòu)單元中引入六個(gè)大小相等的H型縫隙或H型金屬枝節(jié)產(chǎn)生了較長(zhǎng)的感應(yīng)電流路徑，有效減小了整個(gè)結(jié)構(gòu)的電尺寸，相鄰單元中心之間的距離僅為電磁波諧振波長(zhǎng)的0.10 0.18倍。(3)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)參數(shù)較少，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)優(yōu)化，并可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整周期單元中金屬線框的寬度和H型縫隙或H型金屬枝節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)，從而在保持單元結(jié)構(gòu)周期大小不變的情況下適當(dāng)改變頻率選擇器的工作頻帶。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明技術(shù)方案一中的六邊形單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是用本發(fā)明仿真得到的散射參數(shù)結(jié)果圖；圖4是本發(fā)明在橫電波TE極化下以不同角度入射時(shí)的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明在橫磁波TM極化下以不同角度入射時(shí)的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果圖；圖6是本發(fā)明技術(shù)方案二中的六邊形單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括金屬層I和介質(zhì)層2，金屬層位于介質(zhì)層上表面，采用單層覆銅板構(gòu)成。金屬層上刻蝕有N個(gè)六邊形單元11，這些六邊形單元按三角形柵格周期排布，且相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.155倍。介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為2.65的有機(jī)高分子聚合物基板，厚度為1mm，N > 3。參照?qǐng)D2，每個(gè)六邊形單元11包括正六邊形貼片111與正六邊形金屬線框112，金屬貼片111與金屬線框112之間設(shè)有正六邊形縫隙113，該正六邊形縫隙寬度13取值為0.2mm。正六邊形金屬線框的周長(zhǎng)為46 λ/100，線框?qū)挾菼6為0.2mm。在正六邊形縫隙113上設(shè)有六個(gè)H型縫隙114，這些H型縫隙大小相等，且分別垂直位于正六邊形縫隙113各邊的中間位置，呈中心對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)。每個(gè)H型縫隙由兩條大小相同的垂直縫和夾在該兩條垂直縫之間的一條水平縫構(gòu)成，該水平縫位于兩條垂直縫的中間位置，垂直縫的長(zhǎng)度I1為4 λ /100，水平縫的長(zhǎng)度I2為2λ/100，λ為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。H型縫隙中的垂直縫寬度I4和水平縫寬度I5均與正六邊形縫隙113寬度I3相等。實(shí)施例2參照?qǐng)D1，本發(fā)明采用單層覆銅板構(gòu)成，包括金屬層I和介質(zhì)層2，金屬層位于介質(zhì)層上表面。介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的有機(jī)高分子聚合物基板，厚度為1mm。金屬層上刻蝕有N個(gè)六邊形單元11，這些六邊形單元按三角形柵格周期排列，且相鄰單元中心間距為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.12倍，N彡3。參照?qǐng)D2，每個(gè)六邊形單元11包括正六邊形貼片111與正六邊形金屬線框112，正六邊形金屬線框的周長(zhǎng)為36 λ /100,線框?qū)挾菼6為0.1mm,金屬貼片111與金屬線框112之間設(shè)有正六邊形縫隙113，該正六邊形縫隙寬度I3取值為0.1mm。在正六邊形縫隙113上設(shè)有六個(gè)大小相等的H型縫隙114，這些H型縫隙分別垂直位于正六邊形縫隙113各邊的中間位置，呈中心對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)。每個(gè)H型縫隙由兩條垂直縫和夾在該兩垂直縫之間的一條水平縫構(gòu)成，該兩垂直縫大小相等，長(zhǎng)度I1為3 λ /100，水平縫的長(zhǎng)度I2為3 λ /200，H型縫隙中的垂直縫寬度I4和水平縫寬度I5均與正六邊形縫隙113寬度I3相等。λ為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。實(shí)施例3本實(shí)例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。其不同結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為3.27的有機(jī)高分子聚合物基板，金屬層上刻蝕的六邊形單元11有N為93個(gè)，這些六邊形單元按三角形柵格周期排布的，且相鄰的六邊形單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.18倍。每個(gè)六邊形單元的正六邊形金屬線框的周長(zhǎng)為54 λ /100，正六邊形縫隙寬度I3為
0.5mm,線框?qū)挾菼6為0.5_。實(shí)施例4參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括金屬層I和介質(zhì)層2，金屬層位于介質(zhì)層上表面，采用單層覆銅板構(gòu)成。金屬層上刻蝕有N個(gè)六邊形單元12，這些六邊形單元按三角形柵格周期排布，且相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.148倍。介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為
2.65的有機(jī)高分子聚合物基板，厚度為1mm，N > 3。參照?qǐng)D6，每個(gè)六邊形單元包括一個(gè)正六邊形縫隙121、一個(gè)正六邊形金屬環(huán)122和六個(gè)大小相同的H型金屬枝節(jié)123,每個(gè)H型金屬枝節(jié)位于正六邊形金屬環(huán)122 —邊的中部，且與該邊垂直連接，呈中心對(duì)稱分布。正六邊形縫隙的寬度I6為0.2mm，正六邊形金屬環(huán)的寬度I3為0.2mm,周長(zhǎng)為0.44 λ。
每個(gè)H型金屬枝節(jié)由兩條大小相同的垂直金屬條和夾在該兩條垂直金屬條之間的一條水平金屬條構(gòu)成，該水平金屬條位于兩條垂直金屬條的中間位置，垂直金屬條的長(zhǎng)度I1S0.038 λ，水平金屬條的長(zhǎng)度I2為0.019 λ，λ為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。H型金屬枝節(jié)中的垂直金屬條寬度I4和水平金屬條寬度I5均與正六邊形金屬環(huán)113寬度I3相等。實(shí)施例5參照?qǐng)D1，本發(fā)明采用單層覆銅板構(gòu)成，包括金屬層I和介質(zhì)層2，金屬層位于介質(zhì)層上表面。金屬層上刻蝕有N個(gè)按三角形柵格周期排布的六邊形單元12，這些六邊形單元相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.10倍。介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的有機(jī)高分子聚合物基板，厚度為1mm，N > 3。參照?qǐng)D6，每個(gè)六邊形單元包括一個(gè)正六邊形縫隙121、一個(gè)正六邊形金屬環(huán)122和六個(gè)大小相同的H型金屬枝節(jié)123,每個(gè)H型金屬枝節(jié)位于正六邊形金屬環(huán)122 —邊的中部，且與該邊垂直連接，呈中心對(duì)稱分布。正六邊形縫隙的寬度I6為0.1mm，正六邊形金屬環(huán)的寬度為0.1mm，周長(zhǎng)為0.3 λ，每個(gè)H型金屬枝節(jié)由兩條垂直金屬條和夾在該兩垂直金屬條之間的一條水平金屬條構(gòu)成，該兩垂直金屬條大小相等，長(zhǎng)度I1為0.026 λ ,水平縫的長(zhǎng)度I2為0.013 λ，H型金屬枝節(jié)中的垂直金屬條寬度I4和水平金屬條寬度I5均與正六邊形金屬環(huán)123寬度I3相等。λ為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。實(shí)施例6本實(shí)例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例4相同。其不同結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:
介質(zhì)層采用相對(duì)介電常數(shù)為3.27的有機(jī)高分子聚合物基板，金屬層上刻蝕的六邊形單元11有N為100個(gè)，這些六邊形單元按三角形柵格周期排布的，且相鄰的六邊形單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.17倍。每個(gè)六邊形單元的正六邊形金屬環(huán)的寬度I3為0.5mm,正六邊形金屬環(huán)的周長(zhǎng)為
0.50 λ，正六邊形縫隙寬度I6為0.5mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)對(duì)實(shí)施例1的仿真結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明:對(duì)本發(fā)明實(shí)施例1中頻率選擇器的六邊形單元進(jìn)行建模仿真，得到該六邊形單元的散射參數(shù)與頻率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3中可看出，本發(fā)明滿足傳輸系數(shù)S21大于-1dB要求的相對(duì)帶寬為28.7%，由此可以看出本發(fā)明在較寬的工作頻段內(nèi)具有良好的傳輸特性。對(duì)本發(fā)明實(shí)施例1中的六邊形單元在不同極化波情況下的角度穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，入射角分別設(shè)為0°、30°、45°、60°和70°，選取平面波為TE極化波時(shí)，得到該六邊形單元的傳輸系數(shù)與頻率之間的關(guān)系曲線如圖4所示。選取平面波為TM極化波時(shí)，得到該六邊形單元的傳輸系數(shù)與頻率之間的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，在不同入射角度的情況下，本發(fā)明的六邊形單元的諧振頻率基本穩(wěn)定在1.5GHz。本發(fā)明的頻率選擇器由N個(gè)六邊形單元構(gòu)成，只要選取N > 3，其結(jié)構(gòu)特性就基本等同于六邊形單元性能，由此可以看出本發(fā)明對(duì)于不同極化的入射波都能夠保持中心頻點(diǎn)的穩(wěn)定性和較好的頻率選擇特性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。需要說(shuō)明的是，附圖中示意的頻率選擇器為平板狀結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)需求來(lái)設(shè)計(jì)頻率選擇器的形狀以滿足實(shí)際應(yīng)用，如設(shè)計(jì)成菱形、正六邊形等，也可采用多個(gè)平板結(jié)構(gòu)拼接成所需形狀，本發(fā)明對(duì)此不作限制。應(yīng)當(dāng)指出，通過(guò)合理調(diào)節(jié)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)，可靈活調(diào)節(jié)頻率選擇器的工作頻段。所以，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾， 這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種寬帶頻率選擇器，包括金屬層(I)和介質(zhì)層(2)，金屬層位于介質(zhì)層上，其特征在于:金屬層由若干個(gè)呈周期性排布的六邊形單元(11)組成，每個(gè)六邊形單元包括正六邊形金屬貼片(111)與外圍的正六邊形金屬線框(112)，該金屬貼片(111)與金屬線框(112)之間設(shè)有正六邊形縫隙(113)，每個(gè)正六邊形縫隙(113)的各邊居中位置垂直刻蝕有H型縫隙(114)，這些H型縫隙大小相等并呈中心對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:介質(zhì)基板(2)采用相對(duì)介電常數(shù)為2.65 4.4的有機(jī)高分子聚合物基板，基板厚度為1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:金屬層上的每個(gè)六邊形單元均按三角形柵格周期排列，相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.12 0.18倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:所述的H型縫隙(114)包括兩條大小相同的垂直縫和夾在該兩條垂直縫之間的一條水平縫，垂直縫的長(zhǎng)度I1與水平縫的長(zhǎng)度I2比例為:11:12=2:1o
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:H型縫隙中的垂直縫寬度I4和水平縫寬度I5均與正六邊形縫隙(113)的寬度I3相等，0.1mm ^ I3 ^ 0.5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:正六邊形金屬線框(112)的寬度！6 為:！3 < !6 < 0.5mm。
7.一種寬帶頻率選擇器，包括金屬層(I)和介質(zhì)層(2)，金屬層位于介質(zhì)層上，其特征在于:金屬層由若干個(gè)呈周期性排列的六邊形單元(12)組成，每個(gè)六邊形單元包括一個(gè)正六邊形縫隙(121)、一個(gè)正六邊形金屬環(huán)(122)和六個(gè)大小相等的H型金屬枝節(jié)(123);每個(gè)H型金屬枝節(jié)位于正六邊形金屬環(huán)(122) —邊的中部，且與該邊垂直連接；正六邊形縫隙(121)位于正六邊形金屬環(huán)(122)的外圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:金屬層上的每個(gè)六邊形單元按三角形柵格周期排列，相鄰單元中心之間的距離為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的0.10 0.17倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:所述的H型金屬枝節(jié)(123)包括兩條大小相同的垂直金屬條和夾在該兩條垂直金屬條之間的一條水平金屬條，垂直金屬條的長(zhǎng)度I1與水平金屬條的長(zhǎng)度I2比例為:11:12=2:1 ;H型金屬枝節(jié)中的垂直金屬條寬度I4和水平金屬條寬度I5均與正六邊形金屬環(huán)(122)的寬度I3相等，0.1mm ^ I3 ^ 0.5_。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶頻率選擇器，其特征在于:正六邊形縫隙(121)的寬度I6 為:13 I6 0.5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶頻率選擇器，主要解決現(xiàn)有技術(shù)單元尺寸較大，在電磁波大角度入射時(shí)性能較差的問(wèn)題。其包括金屬層(1)和介質(zhì)層(2)，金屬層位于介質(zhì)層上，由N個(gè)按三角形柵格周期排列的六邊形單元(11)組成，N≥3；每個(gè)單元包括正六邊形金屬貼片(111)與外圍的正六邊形金屬線框(112)，該金屬貼片與金屬線框之間設(shè)有正六邊形縫隙(113)，每個(gè)正六邊形縫隙的各邊居中位置垂直刻蝕有一個(gè)大小相等的H型縫隙(114)；每個(gè)H型縫隙包括兩條大小相同的垂直縫和夾在該兩條垂直縫之間的一條水平縫。本發(fā)明能在電磁波以0～70度入射時(shí)保持中心頻點(diǎn)的穩(wěn)定性和較好的頻率選擇特性，并具有工作頻帶寬，損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可用于雷達(dá)天線罩及拋物面天線。
文檔編號(hào)H01P1/20GK103219568SQ20131016554
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月7日
發(fā)明者李龍, 張遠(yuǎn)銘, 嚴(yán)波, 劉海霞, 史琰, 翟會(huì)清 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)