柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]頻率選擇表面Frequency Selective Surface, FSS是一種單層或多層的周期結(jié)構(gòu)，一般由金屬貼片或金屬屏上的孔徑單元按照一定的規(guī)律排列形成。作為一種空間濾波器，F(xiàn)SS對不同頻率、不同入射角和極化方式的電磁波呈現(xiàn)不同的散射特性，從而可以有效地控制電磁波的透射和反射。當(dāng)入射波的頻率在孔徑單元或貼片單元的諧振頻率附近時，將呈現(xiàn)出全反射或全透射的特性。FSS可用作天線罩、多頻反射面天線、極化器以及波導(dǎo)濾波器等，廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域電子設(shè)備中。至今對FSS的理論研究大都建立在平面無限大的基礎(chǔ)上，然而在實際應(yīng)用中所采用的頻率選擇表面一般都是曲面、有限大的。相對于平面無限大FSS結(jié)構(gòu)來講，由于曲面結(jié)構(gòu)的FSS并沒有呈現(xiàn)嚴格的類似二維平面FSS的周期性，當(dāng)平面電磁波入射時，將會呈現(xiàn)出多角度入射波透射和反射波反射的耦合問題，使問題的分析變得相當(dāng)復(fù)雜。而柱面結(jié)構(gòu)作為一種具有典型代表性的曲面，從研究設(shè)計柱面頻率選擇表面以下簡稱柱面FSS開始下手將有助于一般化曲面FSS的深入研究和設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決曲面頻率選擇表面普遍存在的濾波特性和穩(wěn)定性差的問題，提出了一種柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，它包括金屬板1和厚度為1_的介質(zhì)層3，所述介質(zhì)層3的介電常數(shù)為2.2，磁導(dǎo)率為1 ;所述金屬板1的表面按矩形柵格形狀刻有通孔2，所述通孔2的形狀為Y形，每兩個相鄰的Y形孔沿柱表面的間距均為40mm，金屬板1按照曲率半徑為160mm的柱面彎曲，介質(zhì)層3貼合在金屬板1的內(nèi)側(cè)。
[0006]本發(fā)明的Y形孔結(jié)構(gòu)單元采用矩形柵格的排列方式；圖1所示，各單元沿柱表面的間距(展開為平面結(jié)構(gòu)的周期)為40mm ;介質(zhì)層加載在FSS —側(cè)，厚度選取d = 1mm，介電常數(shù)2.2，磁導(dǎo)率μ = 1，設(shè)計了一種曲率半徑為160mm的圓柱面FSS，Y形孔柱面FSS的設(shè)計制作過程為:首先在平面金屬板上按照相應(yīng)尺寸大小周期地開Y形孔，形成平面的二維周期結(jié)構(gòu)，然后把這個平面結(jié)構(gòu)按照預(yù)期柱面的曲率進行彎曲，再以貼附的方式加載介質(zhì)層，最終便形成了圖示的圓形孔柱面FSS。避免了出多角度入射波透射和反射波反射的耦合問題。基于時域有限差分算法的電磁仿真軟件對空間中均勻平面波垂直照射在曲面FSS結(jié)構(gòu)的情況進行仿真計算，獲得反映曲面FSS電磁透射特性和反射特性的S參量曲線且對比圖7至圖10，4幅S參數(shù)曲線圖發(fā)現(xiàn)，Y形孔結(jié)構(gòu)單元的柱面FSS在3.6GHz處存在較為明顯且?guī)捿^寬的諧振帶，并且?guī)?nèi)曲線相對來講比較光滑，這說明Y形孔作為柱面頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)單元有較好的濾波特性。
【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明所述柱面頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2為【具體實施方式】二所述的Y形孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖3為【具體實施方式】三所述的圓形孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖4為【具體實施方式】四所述的圓環(huán)形孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖5為【具體實施方式】五所述的十字形孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖6為電磁波均勻入射Y形孔柱面頻率選擇表面的情況示意圖；
[0013]圖7為圓形孔柱面頻率選擇表面的S參量曲線圖；
[0014]圖8為圓環(huán)形孔柱面頻率選擇表面的S參量曲線圖；
[0015]圖9為實質(zhì)性孔柱面頻率選擇表面的S參量曲線圖；
[0016]圖10為Y形孔柱面頻率選擇表面的S參量曲線圖；
[0017]圖11為入射波f = 7GHz時遠場輻射方向性圖
[0018]圖12為入射波f = 7GHz時的RCS圖；
[0019]圖13為遠場輻射的三維空間方向性圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，它包括金屬板1和厚度為1_的介質(zhì)層3，所述介質(zhì)層3的介電常數(shù)為2.2，磁導(dǎo)率為1 ;所述金屬板1的表面按矩形柵格形狀刻有通孔2，所述通孔2的形狀為Y形，每兩個相鄰的Y形孔沿柱表面的間距均為40mm，金屬板1按照曲率半徑為160mm的柱面彎曲，介質(zhì)層3貼合在金屬板1的內(nèi)側(cè)。
[0021]本實施方式所述的金屬板的材料為具有高電導(dǎo)率的金屬。
[0022]【具體實施方式】二、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的柱面頻率選擇表面的進一步說明，Y形孔的三個孔臂的長度均為16mm，寬度均為4mm。
[0023]【具體實施方式】三、結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，通孔2的形狀為圓形孔，圓孔的直徑為32_，每兩個圓形孔邊緣之間沿介質(zhì)層柱面方向的距離為8_。
[0024]【具體實施方式】四、結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一所述的柱面頻率選擇表面的區(qū)別在于，通孔2的形狀為圓環(huán)形孔，圓環(huán)外圓的直徑為34mm，圓環(huán)內(nèi)圓直徑為18mm，每兩個圓環(huán)外圓之間沿介質(zhì)層柱面方向的距離為6mm。
[0025]【具體實施方式】五、結(jié)合圖5說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，十字孔中孔柱的長度為32mm，十字孔中孔柱的寬度為8mm，孔柱的頂端沿介質(zhì)層柱面方向距離為8mm。
[0026]FSS陣元的結(jié)構(gòu)選取及其排列的方式對FSS電磁散射特性尤其是透射特性有重要的影響。單元的尺寸會影響FSS的諧振中心頻率。一般說來，由環(huán)形單元構(gòu)成的FSS的諧振頻率約等于環(huán)形結(jié)構(gòu)的周長；相對于環(huán)形單元而言，中心連接單元諧振時尺寸較大，從始端到終端的跨度約為λ/2，而環(huán)形單元尺寸值約在λ/4到λ/3之間，且排列時不如環(huán)形單元那樣緊密；內(nèi)部實體單元(板狀單元)結(jié)構(gòu)簡單，是最早研究的單元形式，但是由于其在組陣時產(chǎn)生柵瓣較多較明顯，所以在實際應(yīng)用中一般不推薦使用。另外頻率選擇表面陣元結(jié)構(gòu)的排列一般分為兩種，即矩形柵格排列和三角柵格排列。為了避免干擾性柵瓣出現(xiàn)，無論選用哪一種排列方式，頻率選擇表面的單元間距都應(yīng)該小于某一特性值，F(xiàn)SS單元間距的選取要把柵瓣的影響最小化。由于孔徑和貼片的FSS性能和特性可以認為是互補的，本發(fā)明主要針對孔徑型結(jié)構(gòu)單元進行研究。
[0027]圖2至圖5所示為本發(fā)明主要研究的四種結(jié)構(gòu)單元形式，分別為圓形孔、圓環(huán)孔、十字孔和Y形孔，各結(jié)構(gòu)單元的尺寸已在圖中標(biāo)注(單位:mm)。本發(fā)明接著對所設(shè)計的柱面FSS的電磁散射特性做了進一步探究。如圖6所示，以一般情況為例，采用平面TM波均勻照射在柱面FSS頂端的情況。為衡量FSS結(jié)構(gòu)對入射電磁波的透射和反射特性，采用了S參數(shù)來加以描述，即S21表電磁波的透射系數(shù)，S11衡量電磁波的反射情況。圖4為對采用上述4種結(jié)構(gòu)單元柱面FSS進行仿真運算得出的S參量對比圖。從中可看出，不同于平面無限大FSS，柱面FSS在整個頻譜內(nèi)各S參數(shù)曲線的震蕩現(xiàn)象較為明顯，這是因為曲面結(jié)構(gòu)破壞了結(jié)構(gòu)單元在二維平面上的周期性，使得單元間的耦合情況變差，而另一方面，曲面結(jié)構(gòu)也會帶來邊緣繞射效應(yīng)，使得這種震蕩現(xiàn)象的發(fā)生不可避免。對比4幅S參數(shù)曲線圖發(fā)現(xiàn)，Y形孔結(jié)構(gòu)單元的柱面FSS在3.6GHz處存在較為明顯且?guī)捿^寬的諧振帶，并且?guī)?nèi)曲線相對來講比較光滑，這說明Y形孔作為柱面頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)單元有較好的濾波特性，在設(shè)計柱面FSS時應(yīng)優(yōu)先考慮。
[0028]為形象描述所設(shè)計柱面FSS的電磁散射特性，采用遠場輻射的三維空間方向性圖以及周向和軸向兩個方向的RCS圖來表示，如圖11、圖12和圖13所示為Y形孔柱面FSS的入射TM波頻率為7GHz時的情況。從RCS圖可見，周向上Y形孔柱面FSS對電磁波的側(cè)向散射能力較強且比較均勻，同時在透射方向產(chǎn)生的柵瓣較少；而軸向上產(chǎn)生的柵瓣較多，這主要是因為軸線上的電磁散射主要是由柱面FSS頂部反射和邊緣繞射構(gòu)成，因此會出現(xiàn)多個新的散射譜次。
[0029]本發(fā)明提出了一種特定大小柱面FSS，分別用4種不同結(jié)構(gòu)單元加以實現(xiàn)。利用S參量曲線圖反映透射和反射性能，輻射方向性圖和RCS圖反映空間電磁散射特性。其中Y形孔柱面FSS諧振現(xiàn)象明顯且?guī)捿^寬，有較好的濾波特性。本發(fā)明的柱面FSS結(jié)構(gòu)可用于作為某一特定柱面形狀天線的天線罩，同時本發(fā)明對一般曲面結(jié)構(gòu)頻率選擇表面的深入研究和設(shè)計起到很好的指導(dǎo)性作用。
【主權(quán)項】
1.柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，它包括金屬板(1)和厚度為1mm的介質(zhì)層(3)，所述介質(zhì)層(3)的介電常數(shù)為2.2，磁導(dǎo)率為1 ;所述金屬板(1)的表面按矩形柵格形狀刻有通孔(2)，所述通孔(2)的形狀為Y形，每兩個相鄰的Y形孔沿柱表面的間距均為40_，金屬板⑴按照曲率半徑為160mm的柱面彎曲，介質(zhì)層(3)貼合在金屬板⑴的內(nèi)側(cè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，Y形孔的三個孔臂的長度均為16mm，寬度均為4mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔(2)的形狀為圓形孔，圓孔的直徑為32_，每兩個圓形孔邊緣之間沿介質(zhì)層柱面方向的距離為8_。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔(2)的形狀為圓環(huán)形孔，圓環(huán)外圓的直徑為34_，圓環(huán)內(nèi)圓直徑為18mm，每兩個圓環(huán)外圓之間沿介質(zhì)層柱面方向的距離為6mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔(2)的形狀為十字形孔，十字孔中孔柱的長度為32_，十字孔中孔柱的寬度為8_，孔柱的頂端沿介質(zhì)層柱面方向距離為8mm。
【專利摘要】柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，解決了曲面頻率選擇表面普遍存在的濾波特性和穩(wěn)定性差的問題。本發(fā)明的柱面頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，它包括金屬板和厚度為1mm的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層的介電常數(shù)為2.2，磁導(dǎo)率為1；所述金屬板的表面按矩形柵格形狀刻滿有通孔，所述通孔的形狀為Y形，每兩個相鄰的Y形孔沿柱表面的間距均為40mm，金屬板(1)按照曲率半徑為160mm的柱面彎曲，介質(zhì)層貼合在金屬板的內(nèi)側(cè)。本發(fā)明適用于作為共形柱面天線罩使用。
【IPC分類】H01Q1/42, H01P1/20
【公開號】CN105406156
【申請?zhí)枴緾N201510854273
【發(fā)明人】劉志航, 馬爽, 吳群, 楊國輝
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年11月27日