改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，包括双层FSS级联结构，两层FSS完全对称；每层FSS均为十字单元的级联结构；级联结构的每个Jerusalem十字单元的四个终端均呈阶梯状结构，阶梯状结构的体形长度往十字单元中心方向递减；本发明的级联结构只需要在石英介质的双面进行FSS层加载，而不需要在FSS层上继续生长介质材料，加工成本和难度都较低；在单元结构尺寸差距不大并且在工艺可行性满足的情况下，具有更好的通带特性；在同等的加工工艺水平限制下，使用本发明的结构可以设计出滤波效果更好的340GHz带通FSS滤波器。
【专利说明】
改进型Jerusa I em十字单元的双层FSS结构
技术领域
[0001 ]本发明涉及太赫兹电路单元组件，特别是一种改进型Jerusalem十字单元的双层FSS滤波器结构。
【背景技术】
[0002]频率选择表面是一种空间滤波器，它可作为雷达天线的带通天线罩，也可作为无线通信双频天线双工器，又可作为特定通带的吸波结构等。频率选择表面是由谐振单元(金属贴片或孔径)按一维或二维方式排列而成的无限大周期性阵列结构，频率选择表面通常有介质层的支撑和覆盖，这不仅是考虑到FSS(频率选择表面)的机械特性，介质层的存在还会显著的影响FSS的电磁特性。
[0003]通常来说，单层的FSS结构的曲线顶端不平坦，带外抑制缓慢，并不具备滤波器的使用价值，如图1和2所示，分别为目前的单层的FSS结构和结果示意图。从理论上说，层数越多衰减曲线的顶端越平、下降沿越陡，但同时制造的成本和难度也会相应的增大，故需要在两者之间平衡，一般取2?5层FSS作为滤波器。如图3-4所示，表示了目前的混合式多层FSS的结构和结果。
【发明内容】
[0004]本发明为解决上述技术问题，提出了一种改进型Jerusalem(耶路撒冷)十字单元的双层FSS结构，该结构特别适用于太赫兹波段、高带内平坦度、带外陡截止的FSS带通滤波器。
[0005]本发明的技术方案如下:
改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，其特征在于:包括双层FSS级联结构，两层FSS完全对称;每层FSS均为十字单元的级联结构;级联结构的每个Jerusalem十字单元的四个终端均呈阶梯状结构，阶梯状结构的体形长度往十字单元中心方向递减。
[0006]所述梯形终端的阶梯层数一般为2?4层，设计时的阶梯宽度可以通过设计目标进行优化。
[0007]通过改变终端加载的形式来优化传统Jerusalem单元的三种主要模式(基模、弯曲模和二次谐波模)，使得由于终端加载所产生的高次谐振频率由单频点变为多频点，由此增加该单元在通带高端的抑制度。
[0008]所述双层FSS级联结构是在一定厚度的介质层的双面进行金属FSS层加载形成。单层的FSS相当于一个谐振器，通过介质的加载和两层结构之间电磁场衰减模的近距耦合效应，可以形成双层级联形式的二阶滤波结构，最终的结构可以通过介质电参数及厚度等变化来调整电磁场的耦合程度，从而改善整个结构的频率响应。
[0009]所述介质层采用石英，厚度为理论上为介质内半波长(λ/2)的整数倍，对于340GHz的双层FSS设计而言，可选范围为140um?160um，为了同介质有良好的依附性，金属选用Au。
[0010]所述整个双层FSS滤波器结构可以用薄膜工艺实现加工，手工艺限制，金属层厚度最大为4um(工艺允许条件下越薄越好)。
[0011 ]对比传统Jerusalem十字单元级联结构和本发明十字单元的性能，可以发现，在整体性能上来说两种结构的滤波特性都具有较高的带内平坦度，较陡的带外抑制特性等。但是从本发明的带外抑制更陡，中心频率为340GHz时在360GHz和300GHz处的带外抑制达到20dB，由于常规Jerusalem十字单元的370GHz和290GHz ;同样，带宽也大于20GHz，带内插损小于ldB。
[0012]对称结构的十字单元具有良好的极化稳定性，而通过加载石英介质也会提高Jerusalem十字单元FSS的入射角稳定性。
[0013]本发明的结构还能一定程度上提高滤波器的机械强度。
[0014]本发明的入射角稳定性高；当入射角从0°增大到30°时，中心频率维持在是340GHz，带宽有所下降，带内插损增大到1.9dB；当入射角大于45°时，带内插损变大到3.3dB，到75度时带内的插损已经大于8dB。可见，这种结构的FSS滤波器具有较高的入射角稳定度，在较大的入射角范围内谐振点十分稳定，在入射角小于45°的范围内具有较好的频率特性。
[0015]本发明的有益效果如下:
本发明的级联结构只需要在石英介质的双面进行FSS层加载，而不需要在FSS层上继续生长介质材料，因此加工成本和难度都较低。在单元结构尺寸差距不大并且在工艺可行性满足的情况下，具有更好的通带特性。反之亦可说明，在同等的加工工艺水平限制下，使用本发明的结构可以设计出滤波效果更好的340GHz带通FSS滤波器。
[0016]因此:
1.设计同性能的滤波器时，石英介质双面级联FSS的形式能够降低加工难度和成本。
[0017]2.在相同加工工艺水平的限制下，新型的Jerusalem十字单元结构可以设计出滤波效果更好的340GHz带通FSS滤波器。
【附图说明】
[0018]图1为传统的单层Jerusalem十字单元FSS滤波结构示意图；
图2为传统的单层FSS的滤波特性曲线示意图；
图3为传统的混合式Jerusalem级联滤波器结构示意图；
图4为传统的混合式双层级联滤波器的滤波特性曲线示意图；
图5为本发明的十字单元结构示意图；
图6为本发明的级联结构示意图；
图7为本发明与传统Jerusalem十字单元的性能对比示意图，其中，实线表示本发明的性能曲线，虚线为传统Jerusalem十字单元的性能曲线；
图8为本发明的入射角稳定性曲线示意图。
【具体实施方式】
[0019]如图5-6所示，一种基于改进型Jerusalem十字单元的双层FSS滤波器结构，包括双层FSS级联结构，两层FSS完全对称；每层FSS均为十字单元的级联结构；级联结构的每个Jerusalem十字单元的四个终端均呈阶梯状结构，阶梯状结构的体形长度往十字单元中心方向递减。
[0020]通过改变终端加载的形式来优化传统Jerusalem单元的三种主要模式(基模、弯曲模和二次谐波模)，使得由于终端加载所产生的高次谐振频率由单频点变为多频点，由此增加该单元在通带高端的抑制度。
[0021]所述双层FSS级联结构是在一定厚度的介质层的双面进行金属FSS层加载形成。单层的FSS相当于一个谐振器，通过介质的加载和两层结构之间电磁场衰减模的近距耦合效应，可以形成双层级联形式的二阶滤波结构，最终的结构可以通过介质电参数及厚度等变化来调整电磁场的耦合程度，从而改善整个结构的频率响应。
[0022]所述介质层采用石英，厚度为理论上为介质内半波长(λ/2)的整数倍，对于340GHz的双层FSS设计而言，可选范围为140um~160um，为了同介质有良好的依附性，金属选用Au。
[0023]所述整个双层FSS滤波器结构可以用薄膜工艺实现加工，手工艺限制，金属层厚度最大为4um(工艺允许条件下越薄越好)。
[0024]如图7所示，对比传统Jerusalem十字单元级联结构和本发明十字单元的性能，可以发现，在整体性能上来说两种结构的滤波特性都具有较高的带内平坦度，较陡的带外抑制特性等。但是从本发明的带外抑制更陡，中心频率为340GHz时在360GHz和300GHz处的带外抑制达到20dB，由于常规Jerusalem十字单元的370GHz和290GHz;同样，带宽也大于20GHz，带内插损小于ldB。
[0025]对称结构的十字单元具有良好的极化稳定性，而通过加载石英介质也会提高Jerusalem十字单元FSS的入射角稳定性。
[0026]本发明的结构还能一定程度上提高滤波器的机械强度。
[0027]如图8所示，本发明的入射角稳定性高。当入射角从0°增大到30°时，中心频率维持在是340GHz，带宽有所下降，带内插损增大到1.9dB;当入射角大于45°时，带内插损变大到3.3dB，到75度时带内的插损已经大于8dB。可见，这种结构的FSS滤波器具有较高的入射角稳定度，在较大的入射角范围内谐振点十分稳定，在入射角小于45°的范围内具有较好的频率特性。
[0028]对比设计340GHz带通FSS滤波器的两种结构，如图3和图5所示，使用图5中结构即本发明的级联结构只需要在石英介质的双面进行FSS层加载，而不需要在FSS层上继续生长介质材料，因此加工成本和难度都会下降。在单元结构尺寸差距不大并且在工艺可行性满足的情况下，具有更好的通带特性。反之亦可说明，在同等的加工工艺水平限制下，使用本发明的结构可以设计出滤波效果更好的340GHz带通FSS滤波器。
【主权项】
1.改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，其特征在于:包括双层FSS级联结构，两层FSS完全对称;每层FSS均为十字单元的级联结构;级联结构的每个Jerusalem十字单元的四个终端均呈阶梯状结构，阶梯状结构的梯形长度往十字单元中心方向递减。2.改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，其特征在于:所述梯形终端的阶梯层数为2?4层，设计时的阶梯宽度通过设计目标进行优化。3.根据权利要求1所述的改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，其特征在于:所述双层FSS级联结构是在介质层的双面进行金属FSS层加载形成。4.根据权利要求3所述的改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，其特征在于:所述介质层采用石英，介质层的厚度为介质内半波长的整数倍，所述金属选用Au。5.根据权利要求1所述的改进型Jerusalem十字单元的双层FSS结构，其特征在于:所述整个双层FSS滤波器结构用薄膜工艺实现加工，金属层厚度最大为4um。
【文档编号】H01P1/20GK106025454SQ201610295498
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】田遥岭, 刘杰, 黄昆, 陆彬, 岑冀娜, 钟伟, 唐艺伦, 邓贤进
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所