本發(fā)明屬于頻控器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多層超材料表面結(jié)構(gòu)，可用于實現(xiàn)多個頻帶下的頻率選擇角度透波。

技術(shù)背景

頻率選擇透波角度的超材料表面是一種通過改變透波頻率來實現(xiàn)角度選擇透波的頻率選擇表面FSS，由于其能夠?qū)θ肷潆姶挪ū憩F(xiàn)出全透射的選頻特性，故可有效用于多頻帶天線罩設(shè)計領(lǐng)域。

當(dāng)FSS應(yīng)用到復(fù)雜天線系統(tǒng)時，尤其是天線與多功能天線罩的一體化設(shè)計中，F(xiàn)SS的作用絕不單單局限于頻選濾波，更要求FSS天線罩在實現(xiàn)頻選濾波的基礎(chǔ)上，能夠進一步實現(xiàn)波束校準和波束調(diào)控，但這一FSS天線罩的多功能構(gòu)建通常需要借助有源技術(shù)。例如，2013年，張諒在名為“基于有源頻率選擇表面的電掃描天線研究”的學(xué)術(shù)論文中，提出了一種基于有源頻率選擇表面的全向電控掃描天線，該結(jié)構(gòu)在天線周圍加載一圈結(jié)構(gòu)相同的有源FSS，通過調(diào)節(jié)有源FSS的偏置電壓，將相鄰部分的FSS的反射頻率調(diào)節(jié)到天線的工作頻率，同時將另外的FSS調(diào)整到該頻率下的透射狀態(tài)，實現(xiàn)天線波束定向的功能。又如授權(quán)公告號為103904388A，名稱為“單元間強耦合超寬可調(diào)范圍有源頻率選擇表面”專利，公開了一種有源頻率選擇表面，其通過直接給變?nèi)荻O管加載偏移電壓，改變變?nèi)荻O管的電容值，同時利用單元間的強耦合實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)在超寬范圍內(nèi)諧振頻率的變化。

以上所述的現(xiàn)有技術(shù)都引入了有源技術(shù)，利用二極管和調(diào)節(jié)二極管偏置電壓的饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)波束的控制和諧振頻率的控制，相比于單純的無源波束調(diào)控而言成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且不易維護。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種用于多頻帶頻率選擇透波角度的超材料表面結(jié)構(gòu)，以通過無源波束調(diào)控降低加工成本，簡化結(jié)構(gòu)，且便于維護。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的多層超材料表面結(jié)構(gòu)，是由周期性排列的數(shù)個超表面單元1組成，其特征在于：每個超表面單元1包括N層介質(zhì)基板2，其中N≤5，每層介質(zhì)基板上印制有一個金屬貼片3，金屬貼片3上蝕刻有上下非對稱的雙開口環(huán)形縫隙4，且奇數(shù)層的金屬貼片相對于偶數(shù)層的金屬貼片旋轉(zhuǎn)180度放置，以使多層超材料表面之間產(chǎn)生耦合，在低頻段多增加N-1個透波頻帶，實現(xiàn)電磁波在多個頻帶內(nèi)進行頻率選擇透波角度傳播。

作為優(yōu)選，金屬貼片3的邊長d為最大的透波頻率f_0°對應(yīng)波長的2～5倍。

作為優(yōu)選，上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙4的外環(huán)半徑r₁為金屬貼片3邊長d的0.43～0.48倍。

作為優(yōu)選，上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙4，其上開口d₁為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.02～0.94倍，下開口d₂為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.07～1.02倍，使超表面的透波頻率隨著電磁波透波角度的變化產(chǎn)生偏移，兩者之間的變化關(guān)系式為f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，其中f_θ是透波角度為θ時的透波頻率，f_0。是透波角度為0°時的透波頻率，f_90°是透波角度為90°時的透波頻率。

作為優(yōu)選，上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙4的縫隙寬度d₃為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.02～0.51倍。

作為優(yōu)選，每層介質(zhì)基板的厚度為0.5mm～0.8mm，介電常數(shù)為2.65～4.4。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明采用多層超材料表面實現(xiàn)了多頻帶下的頻率選擇角度透波，克服了現(xiàn)有有源技術(shù)在波束調(diào)控上因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)多頻帶調(diào)控的技術(shù)問題。

2.本發(fā)明采用無源技術(shù)實現(xiàn)多頻帶波束調(diào)控，省去了復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于維護。

3.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)參數(shù)較少，易于加工設(shè)計，且每個頻段內(nèi)諧振頻率的變化都滿足公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，當(dāng)透波頻率f_θ確定，透波角度θ也就隨之確定，通過計算就可快速獲得滿足特定透波角度所需的透波頻率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中金屬貼片上蝕刻的上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例一的雙層超材料表面單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例二的三層超材料表面單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是對本發(fā)明實施例一的仿真結(jié)果圖。

圖6是對本發(fā)明實施例二的仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

參照圖1，本發(fā)明包括多層超材料表面結(jié)構(gòu)，是由周期性排列的數(shù)個超表面單元1組成，其特征在于：每個超表面單元1包括N層介質(zhì)基板2，其中N≤5，每層介質(zhì)基板采用厚度為0.5mm～0.8mm，介電常數(shù)為2.65～4.4的方形有機高分子聚合物基板，每層介質(zhì)基板上印制有一個金屬貼片3，該金屬貼片3上蝕刻有上下非對稱的雙開口環(huán)形縫隙4，且奇數(shù)層的金屬貼片相對于偶數(shù)層的金屬貼片旋轉(zhuǎn)180度放置，即第一層、第三層和第五層采用相同的結(jié)構(gòu)，第二層和第四層的結(jié)構(gòu)與以上三層相同，但旋轉(zhuǎn)180度放置，以使多層超材料表面之間產(chǎn)生耦合，在低頻段多增加N-1個透波，實現(xiàn)電磁波在多個頻帶內(nèi)進行頻率選擇透波角度傳播。

參照圖2，金屬貼片3采用邊長d的正方形貼片，d的取值為最大的透波頻率f_0°對應(yīng)波長的2～5倍。

上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙4，其外環(huán)半徑r₁為金屬貼片3邊長d的0.43～0.48倍，其縫隙寬度d₃為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.02～0.51倍，其上開口d₁為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.02～0.94倍，下開口d₂為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.07～1.02倍，使超表面的透波頻率隨著電磁波透波角度的變化產(chǎn)生偏移，兩者之間的變化關(guān)系式為f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，其中f_θ是透波角度為θ時的透波頻率，f_0°是透波角度為0°時的透波頻率，f_90°是透波角度為90°時的透波頻率。

上述多層超材料表面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)所確定的層數(shù)調(diào)節(jié)，以下給出雙層和三層超材料表面結(jié)構(gòu)的兩種實施例，但不限于這兩種層數(shù)。

實施例一，用于雙頻帶頻率選擇透波角度的雙層超材料表面結(jié)構(gòu)。

參照圖3，本實例的超表面單元1包括兩層介質(zhì)基板11、12，第一層介質(zhì)基板11上印制有金屬貼片111，第二層介質(zhì)基板12上印制有金屬貼片121，第二層金屬貼片121相對于第一層金屬貼片111旋轉(zhuǎn)180度放置，每個金屬貼片上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙，即第一層金屬貼片111上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1111，第二層金屬貼片121上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1211。

第一層介質(zhì)基板11和第二層介質(zhì)基板12均采用邊長為8mm，厚度為0.5mm，介電常數(shù)為2.65的方形有機高分子聚合物基板；

第一層金屬貼片111和第二層金屬貼片121均采用邊長d為8mm的正方形貼片，d的取值為最大透波頻率f_0°對應(yīng)波長的3.75倍；

第一層金屬貼片的上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1111和第二層金屬貼片的上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1211，均采用如下取值：外環(huán)半徑r₁取金屬貼片邊長d的0.48倍，即r₁＝3.9mm，上開d₁的取值為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.13倍，即d₁＝0.5mm；下開口d₂的取值為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.51倍，即d₂＝2mm；縫隙寬度d₃的取值為環(huán)形縫隙外環(huán)半徑r₁的0.1倍，即d₃＝0.4mm。

實施例二，用于三頻帶頻率選擇透波角度的三層超材料表面結(jié)構(gòu)。

參照圖4，本實例的超表面單元1包括三層介質(zhì)基板13、14、15，第一層介質(zhì)基板13上印制有金屬貼片131，第二層介質(zhì)基板14上印制有金屬貼片141，第三層介質(zhì)基板15上印制有金屬貼片151，第二層金屬貼片141相對于第一層金屬貼片131和第三層金屬貼片151旋轉(zhuǎn)180度放置，每個金屬貼片上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙，即第一層金屬貼片131上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1311，第二層金屬貼片141上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1411，第三層金屬貼片151上蝕刻有上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1511。

本實例采用與實施例二相同的尺寸，即介質(zhì)基板13、14、15采用與11相同的尺寸，金屬貼片131、141、151采用與111相同的尺寸，上下非對稱雙開口環(huán)形縫隙1311、1411、1511采用與1111相同的尺寸。

以下結(jié)合仿真實驗結(jié)果，對本發(fā)明的技術(shù)效果作進一步詳細描述。

1.仿真條件：

采用CST Microwave Studio電磁仿真軟件，對實施例一與實施例二的超表面單元1進行全波仿真。

2.仿真內(nèi)容：

仿真1，利用CST軟件對實施例一的雙層超表面單元1進行仿真，當(dāng)透波角度θ取0°～60°時，仿真得到傳輸系數(shù)與透波頻率的曲線關(guān)系如圖5(a)。由圖5(a)可見：

當(dāng)透波角度θ取0°時，僅在透波頻率f_0°為7.57GHz和10.33GHz的電磁波可以通過；當(dāng)透波角度θ取15°時，僅在透波頻率f_15°為7.61GHz和10.37GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取30°時，僅在透波頻率f_30°為7.72GHz和10.47GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取45°時，僅在透波頻率f_45°為7.88GHz和10.60GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取60°時，僅在透波頻率f_60°為8.03GHz和10.73GHz的電磁波可以通過；

圖5(a)所示的結(jié)果表明，透波頻率f_θ隨著透波角度θ的變化而變化，且每個透波角度對于兩個透波頻率。

仿真2，根據(jù)公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，當(dāng)透波角度θ為0°時，其透波頻率f_0°的理想值等于仿真值7.59GHz和10.33GHz；將任意透波角度θ和透波頻率f_θ代入該公式，可得到最理想透波角度θ＝90°時的理想透波頻率：f_90°＝8.17GHz和10.89GHz。將所得參數(shù)f_0°和f_90°代入公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ進行計算，得到透波頻率理想值與仿真1所得仿真值的對比曲線，如圖5(b)；

由圖5(b)可見：當(dāng)透波角度θ從0°～60°變化時，仿真1仿真得到的透波頻率均位于透波頻率的理想值曲線f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ上。

仿真3，利用CST軟件對實施例一的雙層超表面單元1進行仿真，通過公式

f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ計算得到的兩個頻帶內(nèi)的透波頻率f_θ作為已知量，仿真得到傳輸系數(shù)與透波角度之間的關(guān)系如圖5(c)和圖5(d)所述，其中5(c)是透波頻率為7.59GHz～7.93GHz時傳輸系數(shù)與透波角度的曲線圖，圖5(d)是透波頻率為10.35GHz～10.65GHz時傳輸系數(shù)與透波角度的曲線圖。

由5(c)和5(d)可見：

當(dāng)透波頻率f_θ取7.59GHz和10.35GHz時，僅在透波角度θ為10°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.64GHz和10.40GHz時，僅在透波角度θ為20°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.72GHz和10.49GHz時，僅在透波角度θ為30°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.82GHz和10.59GHz時，僅在透波角度θ為40°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.93GHz和10.65GHz時，僅在透波角度θ為50°的電磁波可以通過。

圖5(c)和圖5(d)的結(jié)果表明，透波角度θ隨著透波頻率f_θ的變化而變化，從而實現(xiàn)了雙頻帶頻率選擇角度透波的最終目的。

仿真4，利用CST軟件對實施例二的三層超表面單元1進行仿真，當(dāng)透波角度θ取0°～60°時，仿真得到傳輸系數(shù)與透波頻率的曲線關(guān)系如圖6(a)，由圖6(a)可見：

當(dāng)透波角度θ取0°時，僅在透波頻率f_0°為7.03GHz、8.39GHz和10.08GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取15°時，僅在透波頻率f_15°為7.08GHz、8.44GHz和10.12GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取30°時，僅在透波頻率f_30°為7.17GHz、8.57GHz和10.20GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取45°時，僅在透波頻率f_45°為7.31GHz、8.74GHz和10.27GHz的電磁波可以通過；

當(dāng)透波角度θ取60°時，僅在透波頻率f_60°為7.44GHz、8.92GHz和10.41GHz的電磁波可以通過；

圖6(a)所示的結(jié)果表明，其透波頻率f_θ隨著透波角度θ的變化而變化，且每個透波角度對于三個透波頻率。

仿真5，根據(jù)公式f_θ＝f_0°cos²θ+f90_°sin²θ，當(dāng)透波角度θ為0°時，其透波頻率f_0°的理想值等于仿真值7.03GHz、8.39GHz和10.08GHz；將任意透波角度θ和透波頻率f_θ代入上述公式，可得到最理想透波角度θ＝90°時的理想透波頻率：f_90°＝7.56GHz、9.11GHz和10.56GHz。將所得參數(shù)f_0°和f_90°代入公式f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ進行計算，得到透波頻率理想值與仿真4所得仿真值的對比曲線，如圖6(b)。

由圖6(b)可見：當(dāng)透波角度θ從0°～60°變化時，仿真4仿真得到的透波頻率均位于透波頻率的理想值曲線f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ上。

仿真6，利用CST軟件對實施例二的三層超表面單元1進行仿真，通過公式

f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ計算得到的三個頻帶內(nèi)的透波頻率f_θ作為已知量，仿真得到傳輸系數(shù)與透波角度之間的關(guān)系如圖6(c)、圖6(d)和圖6(e)，其中6(c)是透波頻率為7.05GHz～7.35GHz時傳輸系數(shù)與透波角度的曲線圖，圖6(d)是透波頻率為8.44GHz～8.81GHz時傳輸系數(shù)與透波角度的曲線圖，圖6(e)是透波頻率為10.10GHz～10.34GHz時傳輸系數(shù)與透波角度的曲線圖。

由6(c)、圖6(d)和圖6(e)可見：

當(dāng)透波頻率f_θ取7.05GHz、8.44GHz和10.10GHz時，僅在透波角度θ為10°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.10GHz、8.47GHz和10.14GHz時，僅在透波角度θ為20°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.17GHz、8.57GHz和10.20GHz時，僅在透波角度θ為30°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.26GHz、8.68GHz和10.27GHz時，僅在透波角度θ為40°的電磁波可以通過；

當(dāng)透波頻率f_θ取7.35GHz、8.81GHz和10.34GHz時，僅在透波角度θ為50°的電磁波可以通過。

圖6(c)、圖6(d)和圖6(e)的結(jié)果表明，透波角度θ隨著透波頻率f_θ的變化而變化，從而實現(xiàn)三頻帶頻率選擇角度透波的最終目的。

以上所述的僅是本發(fā)明的兩個優(yōu)選實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。