本發(fā)明涉及一種頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，尤其是一種空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，屬于頻率選擇性表面技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)是由相同的貼片或孔徑單元按二維周期性排列構(gòu)成的無(wú)限大平面結(jié)構(gòu)，它對(duì)具有不同工作頻率、極化狀態(tài)和入射角度的電磁波具有頻率選擇特性。按其對(duì)電磁波的頻率響應(yīng)的不同，F(xiàn)SS大致可分為兩類：一種是金屬貼片型，另一種是與貼片型結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的孔徑型，即在金屬平板上開(kāi)槽(槽線)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)FSS處于諧振狀態(tài)時(shí)，入射電磁波發(fā)生全反射(單元為貼片型)或全透射(單元為槽線型)。由于這種獨(dú)特的空間濾波特性，使得FSS在工程領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值，成為微波和天線研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。

據(jù)調(diào)查與了解，已經(jīng)公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)如下：

1)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510975867.3的發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種選擇性高和角度穩(wěn)定的頻率選擇表面，如圖1所示，由M×N個(gè)無(wú)源諧振單元周期排列而成，其中M≥3，N≥3；無(wú)源諧振單元采用由兩層介質(zhì)基板形成的上下層疊結(jié)構(gòu)，兩層介質(zhì)基板的表面印制有不同結(jié)構(gòu)的輻射貼片，每個(gè)介質(zhì)基板均設(shè)置有介質(zhì)通孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)輻射貼片之間、輻射貼片自身結(jié)構(gòu)的相互耦合以及輻射貼片上設(shè)置的星形槽線，實(shí)現(xiàn)了頻率選擇表面的高選擇性和角度穩(wěn)定性，該技術(shù)在23.6GHz～23.9GHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻帶由0dB變化至-20dB，同時(shí)在24GHz～26GHz頻率范圍內(nèi)通帶特性在0°～45°角度范圍均保持良好，可用于反射面天線、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。

2)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510953990.5的發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于立體結(jié)構(gòu)的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，如圖2所示，解決了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的頻率選擇表面存在可控制參數(shù)比較少，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在頻率響應(yīng)曲線斜率小、極化穩(wěn)定性差、小型化差的問(wèn)題。該技術(shù)的四塊一號(hào)介質(zhì)板的垂直拼接構(gòu)成矩形框，矩形框的內(nèi)側(cè)壁涂有金屬薄膜層，一號(hào)介質(zhì)板上開(kāi)有圓形通孔，且每個(gè)所述圓形通孔的內(nèi)側(cè)均涂有金屬薄膜層；兩塊二號(hào)介質(zhì)板均設(shè)置在所述矩形框內(nèi)，每塊二號(hào)介質(zhì)板的一對(duì)相對(duì)的邊均與所述矩形框的內(nèi)側(cè)壁固定連接，且兩塊二號(hào)介質(zhì)板沿中線垂直交接構(gòu)成十字形結(jié)構(gòu)，所述十字形的諧振結(jié)構(gòu)的左臂的下表面、右臂的上表面、上臂的左側(cè)表面和下臂的右側(cè)表面均設(shè)置有金屬薄膜條，適用于天線罩的制作使用。

3)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510772122.7的發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種雙頻帶寬帶頻率選擇表面，如圖3所示，其包括在銅板上刻蝕形成的周期排列的多個(gè)槽線孔單元，每個(gè)槽線孔單元包括正方形槽線孔，正方形槽線孔內(nèi)部設(shè)有兩條交叉的對(duì)角線槽線孔，正方形槽線孔的每條邊的中點(diǎn)設(shè)有使每條邊分割為兩段的實(shí)心部分，正方形槽線孔的外部設(shè)有波紋方環(huán)孔，波紋方環(huán)孔的每條邊包括3-5個(gè)圓弧段，每個(gè)圓弧段對(duì)應(yīng)的圓形直徑相同且圓心在一條直線上；該技術(shù)通過(guò)波紋方環(huán)孔實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的入射角性能和極化穩(wěn)定性能，這種穩(wěn)定的頻率選擇表面可以應(yīng)用于天線罩來(lái)減小天線RCS，也可以用來(lái)減小天線陣天線之間的互耦，還可以用來(lái)增加天線的輻射增益效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，既可以作為單頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，又可以作為三頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，由M*N個(gè)相同的周期單元組成，每個(gè)周期單元為一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面和反面有具有一條槽線，中間是空氣腔諧振器，該空氣腔諧振器的內(nèi)、外表面由金屬包圍；其中，M＞10，N＞10。

作為一種優(yōu)選方案，所述空氣腔諧振器通過(guò)3D打印而成，所述金屬通過(guò)電鍍覆蓋在空氣腔諧振器的內(nèi)、外表面。

作為一種優(yōu)選方案，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)分別記為a、b和c；所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的空氣腔諧振器激勵(lì)出三個(gè)沿X、Y、Z軸電場(chǎng)方向的諧振模式，分別為TE₀₁₁、TE₁₀₁和TM₁₁₀，這三個(gè)諧振模式的諧振頻率與長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)有如下函數(shù)關(guān)系：

${\left(K_{0,1,1}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{b}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{c}\right)}^2---\left(1\right)$

${\left(K_{1,0,1}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{c}\right)}^2---\left(2\right)$

${\left(K_{1,1,0}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{b}\right)}^2---\left(3\right)$

其中，K_0,1,1為諧振模式TE₀₁₁的諧振頻率，K_1,0,1為諧振模式TE₁₀₁的諧振頻率，K_1,1,0為諧振模式TM₁₁₀的諧振頻率。

作為一種優(yōu)選方案，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面和反面上的槽線相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸方向偏移距離S，且相對(duì)Y軸旋轉(zhuǎn)角度θ。

作為一種優(yōu)選方案，所述空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)為單頻空氣腔頻率選擇表面結(jié) 構(gòu)時(shí)，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面上的槽線相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸正方向偏移距離S，且相對(duì)Y軸向右旋轉(zhuǎn)角度θ；所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的反面上的槽線相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸正方向偏移距離S，且相對(duì)Y軸向左旋轉(zhuǎn)角度θ。

作為一種優(yōu)選方案，所述空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)為三頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)時(shí)，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面上的槽線相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸正方向偏移距離S，且相對(duì)Y軸向右旋轉(zhuǎn)角度θ；所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的反面上的槽線相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸負(fù)方向偏移距離S，且相對(duì)Y軸向右旋轉(zhuǎn)角度θ。

作為一種優(yōu)選方案，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面和反面上的槽線為矩形槽線。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明的每個(gè)周期單元(長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu))的正面和反面都具有一條槽線，該槽線可以相對(duì)該周期單元的幾何中心點(diǎn)沿X軸方向進(jìn)行偏移，且相對(duì)Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(偏移相同方向、旋轉(zhuǎn)不同方向?yàn)閱晤l空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，偏移相反方向、旋轉(zhuǎn)相同方向?yàn)槿l空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu))，偏移的距離可根據(jù)對(duì)應(yīng)的尺寸變化，通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)的角度，可以改變模式耦合以及傳輸零點(diǎn)位置；同時(shí)每個(gè)周期單元(長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu))可根據(jù)需要的工作頻率選擇合適的三維參數(shù)尺寸。

2、本發(fā)明的每個(gè)周期單元(長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu))中間是空氣腔諧振器，該空氣腔諧振器的內(nèi)、外表面由金屬包圍，其中空氣腔諧振器通過(guò)3D打印而成，因此能夠快速成型，加工相當(dāng)容易，而且精度高，金屬通過(guò)電鍍覆蓋在空氣腔諧振器的內(nèi)、外表面，因此可以提高空氣腔諧振器的性能，從而提高空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的性能。

3、本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，既可以作為單頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，又可以作為三頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用十分廣泛，范圍涉及電磁領(lǐng)域的許多方面，在微波波段可以用于天線罩、多頻反射面天線、平面高增益天線、電磁兼容吸收體、極化器、波導(dǎo)濾波器、人工電磁材料等。

附圖說(shuō)明

圖1為第一種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為第二種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為第三種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的正面示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)中的一個(gè)周期單元正面示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)中一個(gè)周期單元立體結(jié)構(gòu)圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的S參數(shù)性能電磁仿真曲線圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)中一個(gè)周期單元立體結(jié)構(gòu)圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的S參數(shù)性能電磁仿真曲線圖。

其中，1-第一槽線，2-第二槽線，3-空氣腔諧振器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1：

如圖4～圖6所示，本實(shí)施例的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)由M*N個(gè)相同的周期單元組成，每個(gè)周期單元為一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面和反面有具有一條槽線，正面的槽線為第一槽線1，反面的槽線為第二槽線2，所述第一槽線8和第二槽線9均是長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W的矩形槽線，該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的中間是空氣腔諧振器3，該空氣腔諧振器3的內(nèi)、外表面由金屬包圍；其中，M＞10，N＞10，由于周期單元的數(shù)量很多，在本實(shí)施例的圖中只示出了2*2的周期單元數(shù)量。

所述空氣腔諧振器3通過(guò)3D打印而成，因此能夠快速成型，加工相當(dāng)容易，而且精度高；所述金屬通過(guò)電鍍覆蓋在空氣腔諧振器的內(nèi)、外表面，因此可以提高空氣腔諧振器3的性能。

所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)分別記為a、b和c；所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的空氣腔諧振器3激勵(lì)出三個(gè)沿X、Y、Z軸電場(chǎng)方向的諧振模式，分別為TE₀₁₁、TE₁₀₁和TM₁₁₀，這三個(gè)諧振模式的諧振頻率與長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)有如下函數(shù)關(guān)系：

${\left(K_{0,1,1}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{b}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{c}\right)}^2---\left(1\right)$

${\left(K_{1,0,1}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{c}\right)}^2---\left(2\right)$

${\left(K_{1,1,0}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{b}\right)}^2---\left(3\right)$

其中，K_0,1,1為諧振模式TE₀₁₁的諧振頻率，K_1,0,1為諧振模式TE₁₀₁的諧振頻率，K_1,1,0為諧振模式TM₁₁₀的諧振頻率，可根據(jù)需要的工作頻率選擇合適的a、b、c的尺寸，無(wú)限制頻率范圍。

本實(shí)施例的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)為單頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，從圖6中可以看出，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面上的第一槽線1相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸正方向(+X軸)偏移距離S，且相對(duì)Y軸向右旋轉(zhuǎn)角度θ；所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的反 面上的第二槽線2相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸正方向(+X軸)偏移距離S，且相對(duì)Y軸向左旋轉(zhuǎn)角度θ，也就是說(shuō)，第一槽線1和第二槽線2偏移的方向相同，而旋轉(zhuǎn)的方向相反；其中距離S可根據(jù)對(duì)應(yīng)的尺寸變化，不固定，通過(guò)改變角度θ，可以改變工作頻率。

單頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的S參數(shù)性能電磁仿真曲線如圖7所示，圖中S₁₁是輸入端口的回波損耗，S₂₁是輸入端口到輸出端口的正向傳輸系數(shù)，從圖中可以看到，只有一個(gè)頻段，S₁₁的值在-10dB以下。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例的主要特點(diǎn)是：如圖8所示，本實(shí)施例的空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)作為三頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的正面上的第一槽線1相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸正方向(+X軸)偏移距離S，且相對(duì)Y軸向右旋轉(zhuǎn)角度θ；所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的反面上的第二槽線2相對(duì)該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)沿X軸反方向(-X軸)偏移距離S，且相對(duì)Y軸向右旋轉(zhuǎn)角度θ，也就是說(shuō)，第一槽線1和第二槽線2偏移的方向相反，而旋轉(zhuǎn)的方向相同。其余同實(shí)施例1。

三頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的S參數(shù)性能電磁仿真曲線如圖9所示，圖中S₁₁是輸入端口的回波損耗，S₂₁是輸入端口到輸出端口的正向傳輸系數(shù)，從圖中可以看到，有三個(gè)頻段，S₁₁的值在-10dB(或以下)。

上述實(shí)施例1和2中，所述金屬可以為鋁、鐵、錫、銅、銀、金和鉑的任意一種，或可以為鋁、鐵、錫、銅、銀、金和鉑任意一種的合金。

綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，既可以作為單頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，又可以作為三頻空氣腔頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用十分廣泛，范圍涉及電磁領(lǐng)域的許多方面，在微波波段可以用于天線罩、多頻反射面天線、平面高增益天線、電磁兼容吸收體、極化器、波導(dǎo)濾波器、人工電磁材料等。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開(kāi)的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。