一种基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法，包括如下步骤：(1)频率选择材料基于孔径多层结构形式设计，孔径多层结构包括三层结构：顶层贴片、底层贴片以及中间的耦合孔径层；(2)通过构造顶层贴片与底层贴片的贴片位移的设计方法实现带外传输零点特性，进一步改善基于孔径多层结构的频率选择材料的边带截止特性；(3)采用单元交指化技术对频率选择材料表面进行小型化处理，减小频率选择材料表面单元尺寸。本发明实现高阶耦合特性，同时提高其边带截止性能，并采用单元交指化方法，降低频率选择材料表面的单元尺寸，提高电磁波入射时的角度稳定性；带外抑制能力更强，通带边缘上升性和陡降性更好。
【专利说明】
一种基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计 方法
技术领域
[0001] 本发明属于电磁材料研究领域，以频选材料雷达天线罩的应用趋势为背景，具体 涉及一种基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法。
【背景技术】
[0002] 频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由相同的贴片或孔径单元 按二维周期性排列构成的无限大平面结构，它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度 的电磁波具有频率选择特性。按照对电磁波频率响应的不同，频率选择表面大致可分为两 类:一类是金属贴片型，另一类是与贴片型结构互补的孔径型，即在金属平板上开槽(缝隙） 的结构。当频率选择表面处于谐振状态时，入射电磁波发生全反射(单元为贴片型）或全透 射(单元为缝隙型）。由于这种独特的空间滤波特性，使得FSS在工程领域具有很大的应用价 值，成为微波和天线研究领域的一个重要方向。现阶段FSS的应用范围涉及电磁领域的许多 方面，在微波波段，频率选择表面可用做双工器、滤波器、极化鉴别器、双/多频天线的副反 射器和用于缩减天线雷达散射截面的天线罩等。
[0003] 随着现代通信要求的不断提高，传统天线在某些方面已经不能满足实际的需求， 越来越多的平台开始采用相控阵天线。由于通过天线的结构设计难以解决自身的雷达波隐 身问题，因此，需要对相控阵天线采取相应措施，提高其隐身性能。目前，各平台广泛采用具 有滤波特性的频率选择表面天线罩作为提高相控阵天线隐身性能的重要手段。另外，由于 平台往往空间有限，天线阵面布置密集，使用频段间隔小，彼此之间耦合严重，这就需要频 率选择表面天线罩具有良好的带外抑制特性。而传统带通频率选择表面的一阶滤波特性显 然无法满足这样的需求，因此，研究提高频率选择材料带外抑制度的设计方法具有迫切的 工程应用需求。
[0004] 检索国内外文献，关于FSS材料的高带外抑制度设计方法尚属空白。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于孔径多层 结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法，基于孔径多层结构的高阶耦合特性设计， 构造的频率选择表面具有较高的带外抑制度。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0007] -种基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法，包括如下步 骤：
[0008] (1)频率选择材料基于孔径多层结构形式，通过构造高阶特性的耦合孔径实现高 阶耦合特性设计；
[0009] 所述孔径多层结构包括三层结构:顶层贴片、底层贴片以及中间的耦合孔径层，顶 层贴片、底层贴片等效为RLC谐振电路，中间的耦合孔径层等效为谐振或非谐振单元，耦合 孔径层包括耦合孔径和介质基板，贴片与孔径之间的能量耦合由变压器等效，整个频率选 择材料表面等效为一个(N+2)阶的带通滤波器，其中N为耦合孔径层的阶数；
[0010] (2)通过构造顶层贴片与底层贴片的贴片位移的设计方法实现带外传输零点特 性，进一步改善基于孔径多层结构的频率选择材料的边带截止特性，提高带外抑制度；
[0011] (3)采用单元交指化技术对频率选择材料表面进行小型化处理，减小频率选择材 料表面单元尺寸(即降低频率选择表面的中心频率，提高电磁波入射时的角度稳定性）。
[0012] 按上述方案，所述步骤（1)中，当需要设计具有三阶谐振特性的频率选择表面时， 先构造一阶谐振的耦合孔径，该孔径结构为典型槽线结构，根据槽线孔径长度来计算其谐 振频率的大小，耦合孔径谐振频率的计算公式为：
[0013]
(1)
[0014] 式中Ls为耦合孔径长度，^为介质基板的介电常数，在设计时，通过对频率选择材 料结构尺寸参数进行优化，使得耦合孔径的谐振频率位于频率选择表面的工作频带，此时 耦合孔径产生谐振，再加上顶层贴片或底层贴片谐振以及顶层贴片、底层贴片与耦合孔径 层的耦合作用，从而使频率选择材料结构具有三阶谐振特性。
[0015] 按上述方案，所述步骤(2)具体为：中间的耦合孔径层采用变形的中心孔径结构， 将中心孔径变为并行的两条孔径，并在中心孔径两端各增加一段枝节，再将顶层贴片与底 层贴片位移使得顶层贴片与底层贴片与中间孔径存在两条耦合通道，这两条耦合通道相互 并联，在耦合频率下，当满足相位差为180°且耦合能量大小相等时，频率选择材料的传输特 性产生带外传输零点。
[0016] 按上述方案，所述步骤(3)中，单元交指化技术一方面通过增加顶层贴片与底层贴 片的电流路径，增大顶层贴片与底层贴片的等效电感，另一方面通过增加顶层贴片与底层 贴片的交指电容，增大顶层贴片与底层贴片的等效电容。
[0017] 本发明的有益效果为：
[0018] 1、本发明基于一种孔径多层结构形式，通过构造高阶特性的耦合孔径实现高阶耦 合特性，同时在设计中引入传输零点进一步提高其边带截止性能，并采用单元交指化方法， 降低频率选择表面的单元尺寸，以提高电磁波入射时的角度稳定性；
[0019] 2、通过该方法设计的高阶频率选择材料在具有一阶频率选择材料优良性能的同 时，带外抑制能力更强，通带边缘上升性和陡降性更好，为频选材料雷达天线罩的电性能和 结构设计提供手段。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明孔径多层结构频率选择表面结构示意图；
[0021] 图2为本发明具有传输零点的孔径多层结构频率选择材料表面结构的俯视图； [0022]图3为本发明具有传输零点的孔径多层结构频率选择材料表面结构的侧视图；
[0023] 图4为本发明单元交指化孔径多层结构频选材料表面示意图；
[0024] 图5为本发明实施例孔径多层结构频率选择材料表面贴片交指化设计结构示意 图；
[0025] 图6为本发明实施例孔径多层结构频率选择材料表面设计仿真模型图；
[0026]图7为本发明实施例基于孔径多层结构的S波段三阶耦合FSS材料结构图；
[0027]图8为图7所示的S波段三阶耦合FSS材料的传输特性曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
[0029] 本发明所述的基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法，包括 如下步骤：
[0030] (1)基于孔径多层结构形式，通过构造高阶特性的耦合孔径实现高阶耦合特性设 计；
[0031] 频率选择材料采用孔径多层结构设计，孔径多层结构的示意图如图1所示，它包括 三层结构:顶层贴片、底层贴片以及中间的耦合孔径层，顶层贴片、底层贴片等效为RLC谐振 电路，中间的耦合孔径层等效为谐振或非谐振单元，耦合孔径层包括耦合孔径和介质基板， 贴片与孔径之间的能量耦合由变压器等效，整个频率选择材料表面等效为一个(N+2)阶的 带通滤波器，其中N为耦合孔径层（中间孔径单元)的阶数；
[0032] 为了设计具有三阶谐振特性的频率选择表面，先构造一阶谐振的耦合孔径，该孔 径结构为典型槽线结构，可根据槽线孔径长度来计算其谐振频率的大小，耦合孔径谐振频 率的计算公式如式（1)所示。在设计时，通过对频率选择材料结构尺寸参数进行优化，使得 耦合孔径的谐振频率位于频率选择表面的工作频带，此时耦合孔径产生谐振，再加上顶层 贴片或底层贴片谐振以及顶层贴片、底层贴片与耦合孔径层的耦合作用，从而该频率选择 材料结构具有三阶谐振特性。
[0033] (2)为了进一步改善基于孔径多层结构的频率选择材料的边带截止特性，提高带 外抑制度，在频率选择材料三阶谐振特性的基础上，通过构造顶层贴片与底层贴片的贴片 位移实现带外传输零点特性；
[0034]中间的耦合孔径层采用变形的中心孔径结构，将中心孔径变为并行的两条孔径， 并在中心孔径两端各增加一段枝节，再将顶层贴片与底层贴片位移使得顶层贴片与底层贴 片与中间孔径存在两条耦合通道，如图2~图3所示，这两条耦合通道相互并联，在特定频率 下，当满足相位差为180°且耦合能量大小相等时，频率选择材料的传输特性产生带外传输 零点。
[0035] (3)设计的基于孔径多层结构的频率选择材料虽具有良好的边带截止特性，但是 其单元尺寸比较大，将导致电磁波入射时的角度稳定性差，因此采用单元交指化技术对频 率选择材料的表面进行小型化处理，如图4所示，单元交指化技术一方面通过增加顶层贴片 与底层贴片的电流路径，增大顶层贴片与底层贴片的等效电感，另一方面通过增加顶层贴 片与底层贴片的交指电容，增大顶层贴片与底层贴片的等效电容，从而达到减小频率选择 表面单元尺寸(即降低频率选择表面的中心频率)的目的。
[0036] 如图5~图6所示，基于孔径多层结构的高带外抑制度频选材料的结构设计步骤简 述如下：
[0037] 1)利用HFSS等仿真软件，根据应用频段，首先对图1中的孔径多层结构频率选择表 面单元结构进行仿真设计，构建二阶带通型特性；
[0038] 2)在实际设计过程中，对孔径多层结构各参数进行联合优化，如阵列周期P、顶层 贴片及底层贴片尺寸L、孔径宽度W、介质基板厚度d和介电常数^等，得到目标频段内的二 阶谐振传输系数、反射系数曲线；
[0039] 3)通过耦合孔径谐振频率的计算公式（1)计算耦合孔径层的耦合孔径长度值Ls， 仿真构建传输系数曲线的三阶谐振特性；
[0040] 4)将方形的顶层贴片与底层贴片分别相对于介质基板的中心沿反方向平移S，并 对该参数S进行仿真优化，确定相移等于180°时产生传输零点，且该零点位于带外的合适位 置；
[0041] 5)将顶层贴片和底层贴片进行单元交指化设计，如图5中所示，仿真优化％、&、&、 &、&等参数，同时大幅缩减阵列周期P，以达到小型化目的。
[0042] 如上所述，便可较好地实现本发明。参照上述步骤1)~5)，本发明设计了一款用于 S波段的带通型FSS材料，如图7所示，优化后设计参数如表1所示。
[0043] 衷1单元交指化孔径耦合塑频率诜择衷面尺寸参数
[0045]加工并测试结果可见，在电磁波法向入射时，如图8所示，传输特性曲线具有三阶 耦合响应，谐振频率分别为4.37GHz，4.46GHz，4.57GHz，传输零点的频率为4.14GHz，传输曲 线具有良好的带外抑制度。
[0046] 应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不 脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
【主权项】
1. 一种基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方法，其特征在于，包 括如下步骤： (1) 频率选择材料基于孔径多层结构形式，通过构造高阶特性的耦合孔径实现高阶耦 合特性设计； 所述孔径多层结构包括三层结构:顶层贴片、底层贴片以及中间的耦合孔径层，顶层贴 片、底层贴片分别为结构顶部和底部的金属贴片，顶层贴片、底层贴片等效为RLC谐振电路， 中间的耦合孔径层等效为谐振或非谐振单元，耦合孔径层包括耦合孔径和介质基板，贴片 与耦合孔径之间的能量耦合由变压器等效，整个频率选择材料表面等效为一个(N+2)阶的 带通滤波器，其中N为耦合孔径层的阶数； (2) 通过构造顶层贴片与底层贴片的贴片位移的设计方法实现带外传输零点特性，进 一步改善基于孔径多层结构的频率选择材料的边带截止特性，提高带外抑制度； (3) 采用单元交指化技术对频率选择材料表面进行小型化处理，减小频率选择材料表 面单元尺寸。2. 根据权利要求1所述的基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方 法，其特征在于，所述步骤(1)中，当需要设计具有三阶谐振特性的频率选择表面时，先构造 一阶谐振的耦合孔径，该孔径结构为典型槽线结构，根据槽线孔径长度来计算其谐振频率 的大小，耦合孔径谐振频率的计算公式为：(I) 式中Ls为耦合孔径长度，^为介质基板的介电常数，在设计时，通过对频率选择材料结 构尺寸参数进行优化，使得耦合孔径的谐振频率位于频率选择表面的工作频带，此时耦合 孔径产生谐振，再加上顶层贴片或底层贴片谐振以及顶层贴片、底层贴片与耦合孔径层的 耦合作用，从而使频率选择材料结构具有三阶谐振特性。3. 根据权利要求1所述的基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方 法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：中间的耦合孔径层采用变形的中心孔径结构，将中心 孔径变为并行的两条孔径，并在中心孔径两端各增加一段枝节，再将顶层贴片与底层贴片 位移使得顶层贴片与底层贴片与中间孔径存在两条耦合通道，这两条耦合通道相互并联， 在耦合频率下，当满足相位差为180°且耦合能量大小相等时，频率选择材料的传输特性产 生带外传输零点。4. 根据权利要求1所述的基于孔径多层结构的高带外抑制度的频率选择材料设计方 法，其特征在于，所述步骤(3)中，单元交指化技术一方面通过增加顶层贴片与底层贴片的 电流路径，增大顶层贴片与底层贴片的等效电感，另一方面通过增加顶层贴片与底层贴片 的交指电容，增大顶层贴片与底层贴片的等效电容。
【文档编号】H01Q1/42GK106067583SQ201610345874
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月23日 公开号201610345874.X, CN 106067583 A, CN 106067583A, CN 201610345874, CN-A-106067583, CN106067583 A, CN106067583A, CN201610345874, CN201610345874.X
【发明人】陈亮, 张凯, 熊波, 严海妍, 田海涛
【申请人】中国舰船研究设计中心