一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法

本发明属于频率选择表面设计的技术领域，具体涉及一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法。

背景技术：

频率选择表面(fsss)已经研究了几十年，并广泛应用于各种各样的应用，如亚反射器、极化器、带通天线罩等。机载天线罩作为fss的重要应用之一，是将其置于机载雷达系统前端，以保护微波器件免受外界环境的破坏。在这种情况下，fss天线罩被设计为对天线工作频带内需要的信号进行无耗传输，而对工作频带外的电磁波进行反射。同时，为了保证系统的辐射性能，fss雷达罩在电磁波以超宽斜入射角入射时的稳定透波性能就显得尤为重要。

飞机通常以超音速飞行，因此为了减小飞机在高速飞行状态下带来的音爆效应，它的头锥通常设计为一个尖形。在实际应用中，发射和接收的电磁波通常会穿过位于飞机机头处fss雷达罩到达外部环境或内部的阵列天线。由于尖锥形的机头形状，电磁波在穿过fss雷达罩时，入射角度通常从0°连续变化到75°甚至可以高达85°。因此，为了保持在飞行器的天线对超宽角度范围的发射和接收电磁波均保持优异的辐射性能，需要对fss天线罩的角稳定性进行进一步研究。

近年来，人们对提高fss在大角度斜入射时保持稳定传输性能的方法做了大量研究，目前主要分为两种解决方案：

1、对fss进行小型化设计，这种方法可以在保证结构在电长度保持不变的前提下显著的减小结构的物理尺寸，这使得结构的频率响应中的光栅波瓣在更高的频率中出现，从而减小了栅瓣对传输频段的影响，显著提高了fss的角稳定性。目前最常用的小型化方法主要是通过采用对谐振结构进行折叠交叉的方法来减小fss单元尺寸，使得结构的角度稳定性可以提高到60°。

2、设计具有三维结构的fss是实现角稳定性能的另一种解决方案，其本质是三维结构牺牲了结构整体的厚度来创造更大的空间来实现fss单元的小型化设计。目前一些研究者们在研究中，采用多目标懒惰蚁群优化技术，提出了一种三维带阻型fss，其可在0°～72°入射角下保持稳定的滤波性能。这种3-d结构是高性能fss设计的好候选者，尽管它的角稳定性能是在牺牲整体结构的厚度来实现的。

上述方法所涉及的实现fss在大角度入射时的稳定性本质上均是利用小型化设计避免大角度入射时的频率栅瓣在工作频带内出现，从而影响结构的角度响应性能。栅瓣的出现对应的最低频率可以表示为

可以看出，随着斜入射角度增加，栅瓣出现的频率越来越低，当斜入射角度达到接近90°时，栅瓣出现的最低频率达到了垂直入射时最低栅瓣频率的一半。可以看出，利用小型化设计对结构角度稳定性的提高是有限的，在超大角度斜入射时系统的传输性能仍然会受到极大的影响。

因此，目前亟需一种能够在大入射角度下，维持传输频率稳定性的方法，以此提高系统的传输性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面及其设计方法，能够在0°～80°范围内实现传输频率稳定及低传输损耗设计，并且通过在频率选择表面的设计中添加变容二极管，使得频率选择表面的工作频带可以根据需求实时调整。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出了一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面，具体组件包括：介质板、位于介质板上表面的谐振结构、位于介质板下表面的馈电结构和连通介质板上下表面的金属通孔。

谐振结构包括两条上平行微带线、两个尺寸相同的长方形金属贴片以及位于两长方形金属贴片中间的变容二极管；两长方形金属贴片位于两条上平行微带线之间。

变容二极管两侧馈线通过金属通孔连接至馈电结构。

进一步的，介质板表面为矩形时，选取一个边为x方向，与x方向垂直的另一边为y方向。

其中，两条上平行微带线位于介质板上表面的两条边上，二者平行放置，且沿x方向分布，长度为p，宽度为w1。

两长方形金属贴片边长为l×l/2,二者平行放置，位于两条所述上平行微带线之间；长方形金属贴片的长边沿y方向。

变容二极管嵌入在两长方形金属贴片的中央处。

进一步的，介质板下表面的馈电结构由沿着y方向的两条下平行微带线组成；下平行微带线宽度为w2，长度为p；两条下平行微带线与两长方形金属贴片对应；

金属通孔垂直于介质板的上下表面，用于连通下平行微带线及其对应的长方形金属贴片。

两条下平行微带线平行放置，且与两个金属通孔分别互相垂直。

进一步的，介质板的介电常数为11.9。

进一步的，金属贴片、馈电线和金属层的材料为铜。

进一步的，变容二极管的型号是bb857-02v。

本发明提出一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面设计方法，针对任一所述的频率选择表面进行设计，具体包括如下步骤：

步骤一、根据空气阻抗确定谐振结构的等效阻抗满足的条件，进一步求出磁导率水平分量μt和介电常数水平分量εt满足的条件。

步骤二、将一片正方形金属贴片分成两个等大的长方形金属贴片，并在所述两个长方形金属贴片的中间嵌入变容二极管，得到位于介质板上表面的谐振结构，并设计谐振结构的参数。

步骤三、在介质底部添加馈电线路，馈电线路通过金属通孔连接至上层的变容二极管两侧，馈电线路的方向沿着与上层平行微带线垂直的方向分布。

进一步的，磁导率水平分量μt和介电常数水平分量εt需要满足的条件为：

其中，η0为空气阻抗常量，大小为377欧姆，μn为磁导率垂直分量。

有益效果：与现有技术相比，本发明在各个斜入射角度实现结构等效阻抗与空气阻抗匹配，超宽斜入射角范围稳定的频率选择表面避免了以往小型化设计方案对斜入射角度稳定性能的有限提高的限制，从而实现了从0°～80°斜入射角度范围内均保持稳定的传输响应，满足了现代天线罩系统，尤其是机载天线罩等结构在超宽斜入射角范围的稳定传输性能。

附图说明

图1为本发明在斜入射时空气阻抗和介质阻抗的变化曲线图。

图2是本发明具有超宽斜入射角度范围保持传输响应稳定性频率选择表面单元图。

图3是本发明等效阻抗与空气阻抗随入射角度变化曲线图。

图4的(a)、(b)和(c)是本发明具有超宽斜入射角度范围保持传输响应稳定性频率选择表面单元加载变容二极管图。

图5是本发明在不同变容二极管容值下，结构的传输响应工作频率和插入损耗随入射角度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提出一种具有超宽入射角稳定性的频率选择表面，具体部件包括：介质板、位于介质板上表面的谐振结构、位于介质板下表面的馈电结构和连通介质板上下表面的金属通孔。

谐振结构包括两条上平行微带线，两个尺寸相同的长方形金属贴片，以及位于两长方形金属贴片中间的变容二极管；两长方形金属贴片位于两条上平行微带线之间，变容二极管两侧馈线通过金属通孔连接至馈电结构。

本发明的一个实施例中，介质板表面为矩形时，选取一个边为x方向，与x方向垂直的另一边为y方向。其中两条上平行微带线位于介质板上表面的两条边上，二者平行放置，且沿x方向分布，长度为p，宽度为w1。

两长方形金属贴片边长为l×l/2,二者平行放置，位于两条所述上平行微带线之间；长方形金属贴片的长边沿y方向。

变容二极管嵌入在两长方形金属贴片的中央处。

本发明的一个实施例中，介质板下表面的馈电结构由沿着y方向的两条宽度为w2，长度为p的下平行微带线组成。金属通孔垂直于介质板的上下表面，用于连通下平行微带线及其对应的长方形金属贴片。两条下平行微带线平行放置，且与两个金属通孔分别互相垂直。

本发明的一个实施例中，介质板的介电常数为11.9，金属贴片、馈电线和金属层的材料为铜，变容二极管的型号是bb857-02v。

电磁波从空气中斜入射到介质时的空气阻抗与介质表面阻抗随入射角度变化曲线如图1所示。可以看出，对于横电波(以下简称“te”)模式入射波来说，空气阻抗随着入射角度的增加而增大，介质的等效阻抗则趋近于常数，两个曲线没有相交；而对于横磁波(以下简称“tm”)入射波来说，空气阻抗随着入射角度增加而下降，其与介质表面阻抗有相交点，且相交点对应的角度为“布儒斯特角”。为了使电磁波在以te模式斜入射时的空气阻抗与介质阻抗匹配，则需要在介质上表面添加谐振结构，使得所涉及的结构表面阻抗与空气阻抗在各个斜入射角度下匹配，即让图1所示的深色阴影部分的面积尽可能小，当阴影部分面积为0时，达到了全角度阻抗匹配。

所设计的频率选择表面单元结构组成如图2所示，位于介质板上表面的为由两条平行的上平行微带线和一个正方形金属贴片组成。上平行微带线会为整个结构带来电谐振，但由于相邻单元的耦合作用带来的磁响应也会对结构的等效阻抗产生影响，故使用正方形金属贴片带来的反磁响应消除耦合作用的影响，从而实现全角度阻抗匹配。图3给出了所设计的结构的等效表面阻抗与空气阻抗随斜入射角度变化的对比曲线图。

为了实现结构的工作频率可调特性，本发明将原始的正方形金属贴片分成两个等长的长方形金属贴片，并在其中嵌入变容二极管以改变结构的谐振频率，如图4的(a)、(b)和(c)所示。位于介质板底部的沿y轴的下平行微带线用来给变容二极管添加偏置电压，偏置电压从底层的金属线通过介质中的金属通孔传输至上层的长方形金属贴片，进而传输至变容二极管的正负两极；图5给出了该结构的传输响应的工作频率及传输损耗和斜入射角度的关系曲线。

针对上述任一实施例提供的具有超宽入射角稳定性的频率选择表面，本发明的另外一个实施例提供了针对性的设计方法，包括以下主要步骤：

步骤1、首先根据空气阻抗确定结构的等效阻抗需要满足的条件，进一步求出磁导率水平分量μt和介电常数水平分量εt需要满足的条件。由于纯介质的阻抗值在不同角度的te波、tm波斜入射时的阻抗值可近似看为常数。因此对于te波，空气和介质的阻抗没有交集；对于tm波，空气和介质的阻抗在某个特定角度存在交集，这个角度就是本发明通常说的布儒斯特角。因此，本发明需要在介质表面添加金属谐振结构来改变te波斜入射时的表面阻抗，使得其与斜入射时的空气阻抗相匹配。计算电磁波在空气中以各个角度斜入射时的阻抗值，即

和

其中，η0为空气阻抗常量，大小为377欧姆；为te模式下的空气阻抗，为tm模式下的空气阻抗，ω为角频率，k0为空气中的波数，θ为入射角，μ0为空气磁导率，ε0为空气介电常数。

对于纯介质来说，其表面阻抗可以表示为

和

其中，为te模式下的介质阻抗，为tm模式下的介质阻抗，μt为磁导率水平分量，μn为磁导率垂直分量，εt为介电常数水平分量，εn为介电常数垂直分量，kt为波数水平分量。

为了实现电磁波在入射到设计的结构时反射系数为零，即无耗传输，可使反射系数为零且与入射角度无关，可以推导得到所设计的谐振结构满足以下等式

因此，本发明实施例提供的频率选择表面的结构，其等效磁导率与介电常数在满足上式时可以实现与入射角度无关的阻抗匹配。

步骤2、本发明通过在介质上表面引入两个上平行微带线来调整结构的工作频率并改变结构的等效阻抗。考虑到相邻谐振器之间的耦合效应会产生反磁响应影响结构的磁导率从而改变结构的等效阻抗，因此需要引入一个正方形的贴片来消除反磁响应的影响。所以，本发明设计了位于介质板上表面的谐振结构，该谐振结构由两条上平行微带线和正方形金属贴片组成。

本实施例中，平行微带线的宽度w1为0.4mm，长度与单元结构的周期p一致，为8mm。正方形的金属贴片的边长l为3.8mm，介质的厚度为5.2mm。

将正方形金属贴片分成两个等大的长方形金属贴片，并在两个长方形金属贴片的中间嵌入变容二极管，在介质底部添加馈电线路，馈电线路通过金属通孔连接至上层的变容二极管两侧，馈电线路的方向沿着与上层所述平行微带线垂直的方向分布。

步骤3、为了改变所设计的频率选择结构的工作频带单一的问题，本发明在位于介质板上表面的谐振结构中引入变容二极管，即将步骤二中加入的正方形金属贴片分成两个长方形，并在长方形贴片中嵌入变容二极管，用于改变谐振结构的电容值从而改变谐振频率；由于变容二极管的两侧馈线焊接在长方形贴片上，需要将变容二极管的偏置电压加载到两个长方形贴片上，并通过金属通孔连接至介质板下表面的馈线处；为了不使馈线的存在影响整体结构的传输性能，馈线的方向沿着与上平行金属线垂直的方向分布，从而实现结构的工作频率可调性能。本实施例中，金属通孔的直径为0.8mm，馈电线线宽w2为0.8mm；变容二极管的材料为infineontechnologies公司的bb857-02v型号变容二极管。图5给出了所设计的频率选择表面结构的仿真曲线图，随着变容二极管的容值改变，结构的工作频率从6.07ghz变化到6.61ghz，并且工作频率在入射角度变化时保持不变；结构的传输损耗随着入射角度的增大而逐渐增加，在88°斜入射角度时达到最大值1.3db。

在本实施例中，最终设计的频率选择表面的性能如下：

1.谐振频率随着电容从3.0pf降低到0.5pf时从6.07ghz增加到6.61ghz。

2.频率选择表面的传输响应的频率在入射角从0°增加到88°时仍然保持稳定几乎不变，并且传输损耗低于1.3db。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。