一种紧凑型高选择性双频频率选择表面

1.本发明涉及微波频率选择表面技术领域，特别是一种紧凑型高选择性双频频率选择表面。


背景技术：

2.频率选择表面能够对电磁波的传输进行有效控制，根据频选类型的不同，对电磁波呈现出带阻或是带通的滤波特性。频率选择表面组成的天线罩因其雷达散射截面的减缩作用也被广泛的应用于军事领域，如战斗机，舰艇。
3.近年来，由于国防科技的发展，双频天线的应用越来越广泛，双频频选也成为了研究的重点。而对于双频天线来说，两个通带的频率过近难免会出现相互的干扰，这种情况下，提升双频频选的选择性便成了重要的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种体积小、选择性好、性能稳定的紧凑型高选择性双频频率选择表面。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种紧凑型高选择性双频频率选择表面，其特征在于，包括由上至下设置的上层金属表面、上层介质基板、中间层金属表面、下层介质基板、下层金属表面，其中：
6.所述上层金属表面上覆盖有外部的方环形金属贴片和y形金属贴片，以及内部的风车形金属贴片,其中外部的方环形金属贴片和y形金属贴片为中心对称和轴对称结构，方环形金属贴片由左边矩形金属贴片、右边矩形金属贴片、上边矩形金属贴片、下边矩形金属贴片组成；y形金属贴片由左上y形金属贴片、右上y形金属贴片、左下y形金属贴片以及右下y形金属贴片组成；风车形金属贴片为中心对称结构，整体形状由圆形金属贴片、长条形金属贴片和三角回形金属贴片组成。
7.所述中间层金属表面蚀刻有左上圆形缝隙、右上圆形缝隙、左下圆形缝隙、右下圆形缝隙。
8.所述下层金属表面与上层金属表面结构尺寸完全相同。
9.进一步地，所述上层介质基板和下层介质基板均采用介电常数2.2的rogers rt/duroid 5880。
10.进一步地，所述方环形金属贴片由尺寸结构完全相同的左边矩形金属贴片、右边矩形金属贴片、上边矩形金属贴片、下边矩形金属贴片组成。
11.进一步地，所述y形金属贴片由尺寸结构完全相同的左上y形金属贴片，右上y形金属贴片，左下y形金属贴片以及右下y形金属贴片组成。
12.所述左上y形金属贴片共由三条矩形金属贴片组成，具体组成方式为：由垂直方向向左倾斜45
°
的矩形金属贴片向右边水平方向弯折至水平金属贴片，倾斜矩形金属贴片向垂直方向弯折至垂直金属贴片。
13.进一步地，所述风车形金属贴片由尺寸结构完全相同的上侧三角回形金属贴片、左侧三角回形金属贴片、右侧三角回形金属贴片、下侧三角回形金属贴片组成。
14.所述上侧三角回形金属贴片由一个圆形金属贴片、六条长条形金属贴片以及一个三角金属贴片组成，具体组成方式为：先由一个圆形金属贴片连接垂直向右下倾斜的第一长条形金属贴片，再由第一长条形金属贴片的尾部连接与其垂直的第二长条形金属贴片，由第二长条形金属贴片向左水平方向弯折至第三长条形金属贴片，再向右下弯折至第四长条形金属贴片，由第四长条形金属贴片向其右上垂直方向弯折至第五长条形金属贴片，与三角金属贴片连接，由三角金属贴片向左上方向弯折至第六长条形金属贴片。
15.进一步地，所述中间层金属表面的四个角分别蚀刻有结构尺寸完全相同的左上圆形缝隙，右上圆形缝隙，左下圆形缝隙，右下圆形缝隙。
16.进一步地，所述上层金属表面的长为5.2mm、宽为5.2mm。
17.所述下层金属表面与上层金属表面的结构尺寸完全相同。
18.进一步地，所述中间层金属表面的长为5.2mm、宽为5.2mm。
19.进一步地，左边矩形金属贴片数值满足5mm的k倍，k取整数。
20.进一步地，水平金属贴片与垂直金属贴片尺寸相同，长度为1.5mm的k倍；垂直方向向左倾斜45
°
的矩形金属贴片长度为0.4mm的k倍，k取整数。
21.进一步地，圆形金属贴片的半径为0.32mm的k倍；第一长条形金属贴片的长度为2.05mm的k倍；第二长条形金属贴片的长度为1.94mm的k倍；第三长条形金属贴片的长度为2.29mm的k倍；第四长条形金属贴片的长度为1.54mm的k倍；第五长条形金属贴片的长度为0.9mm的k倍；第六长条形金属贴片的长度为0.8mm的k倍；三角金属贴片的边长为0.13mm的k倍，k取整数。
22.本发明与现有的技术相比，其显著特点为：(1)在双频频选结构中引入交叉耦合，使得该结构的选择特性十分优良，滤波性能更为优越；(2)采用回形结构，使频选单元的小型化程度大大提高，相比于同等频率的双频频率选择表面，其单元更小，更有利于与其他设备的集成；(3)该双频频选的外部贴片实现低频频率，内部贴片实现高频频率，两个通带独立可控；(4)通过调整单元尺寸，可以实现更低或更高频段的滤波特性，有较强的应用性和推广性。
附图说明
23.图1是本发明紧凑型高选择性双频频率选择表面的结构图，其中(a)是顶层和底层的结构图，(b)是中间层的结构图，(c)是整体结构的侧视图。
24.图2是本发明中方环形金属贴片的结构示意图。
25.图3是本发明中y形金属贴片的结构图，其中(a)是整体y形金属贴片的结构示意图，(b)是左上y形金属贴片的结构示意图。
26.图4是本发明中风车形金属贴片的结构图，其中(a)是整体风车形金属贴片的结构示意图，(b)是上侧三角回形金属贴片的结构示意图。
27.图5是圆形缝隙示意图。
28.图6是不同的极化方式时的s参数图，其中(a)是te模式时的s参数图，(b)是tm模式时的s参数图。
29.图7是多个角度入射时不同极化方式的传输系数图，其中(a)是te模式时的传输系数图，(b)是tm模式时的传输系数图。
具体实施方式
30.本发明紧凑型高选择性双频频率选择表面相较于传统的频选单元，其选择性更为优良，且单元体积较小。在结构中引入了交叉耦合，提升了选择性，采用风车形结构，增加了频选的小型化程度，两通带独立可调，具有良好的角度稳定性和极化稳定性。
31.结合图1～图5，本发明一种紧凑型高选择性双频频率选择表面，包括由上至下设置的上层金属表面1、上层介质基板2、中间层金属表面3、下层介质基板4、下层金属表面5；所述金属表面1上覆盖有外部的外环金属贴片11以及内部的风车形金属贴片12，所述外环金属贴片11包括方环形金属贴片111和y形金属贴片112，其中方环形金属贴片111和y形金属贴片112呈中心对称和轴对称结构分布，方环形金属贴片111由左边矩形金属贴片、右边矩形金属贴片、上边矩形金属贴片、下边矩形金属贴片组成；y形金属贴片112由左上y形金属贴片、右上y形金属贴片、左下y形金属贴片以及右下y形金属贴片组成；风车形金属贴片12为中心对称结构，整体形状由圆形金属贴片、长条形金属贴片和三角回形金属贴片组成。
32.所述金属表面3蚀刻有左上圆形缝隙31、右上圆形缝隙32、左下圆形缝隙33、右下圆形缝隙34。
33.所述金属表面5与金属表面1结构尺寸完全相同。
34.在一个具体实施例中，所述上层介质基板2、下层介质基板4采用介电常数为2.2的rogers rt/duroid 5880。
35.在一个具体实施例中，所述方环形金属贴片111由尺寸结构完全相同的左边矩形金属贴片1111、右边矩形金属贴片1112、上边矩形金属贴片1113、下边矩形金属贴片1114组成。
36.在一个具体实施例中，所述y形金属贴片112由尺寸结构完全相同的左上y形金属贴片1121，右上y形金属贴片1122，左下y形金属贴片1123以及右下y形金属贴片1124组成。
37.所述左上y形金属贴片1121共由三条矩形金属贴片组成，包括呈直角设置的水平金属贴片11212、垂直金属贴片11213，以及水平金属贴片11212、垂直金属贴片11213连接处设置的倾斜矩形金属贴片11211，倾斜矩形金属贴片11211与水平金属贴片11212、垂直金属贴片11213均呈45
°
夹角。具体组成方式为：由垂直方向向左倾斜45
°
的倾斜矩形金属贴片11211向右边水平方向弯折至水平金属贴片11212，倾斜矩形金属贴片11211向垂直方向弯折至垂直金属贴片11213。
38.在一个具体实施例中，所述风车形金属贴片12由尺寸结构完全相同的上侧三角回形金属贴片121、左侧三角回形金属贴片122、右侧三角回形金属贴片123、下侧三角回形金属贴片124组成。
39.所述上侧三角回形金属贴片121由一个圆形金属贴片、六条长条形金属贴片以及一个三角金属贴片组成，具体组成方式为：先由一个圆形金属贴片1211连接垂直向右下倾斜的第一长条形金属贴片1212，再由第一长条形金属贴片1212的尾部连接与其垂直的第二长条形金属贴片1213，由第二长条形金属贴片1213向左水平方向弯折至第三长条形金属贴片1214，再向右下弯折至第四长条形金属贴片1215，由第四长条形金属贴片1215向其右上
垂直方向弯折至第五长条形金属贴片1216，与三角金属贴片连接1217，由三角金属贴片1217向左上方向弯折至第六长条形金属贴片1218。
40.在一个具体实施例中，所述中间层金属表面3的四个角分别蚀刻有结构尺寸完全相同的左上圆形缝隙31，右上圆形缝隙32，左下圆形缝隙33，右下圆形缝隙34。
41.在一个具体实施例中，所述上层金属表面1的长为5.2mm、宽为5.2mm。
42.所述下层金属表面5与上层金属表面1的结构尺寸完全相同。
43.在一个具体实施例中，所述中间层金属表面3的长为5.2mm、宽为5.2mm。
44.在一个具体实施例中，外部方形金属贴片111的左边矩形金属贴片1111长度为5mm的k倍，k取整数。
45.在一个具体实施例中，水平金属贴片1122与垂直金属贴片1123尺寸相同，长度为1.5mm的k倍，k取整数；垂直方向向左倾斜45
°
的矩形金属贴片1121长度为0.4mm的k倍，k取整数。
46.在一个具体实施例中，圆形金属贴片1211的半径为0.32mm的k倍，k取整数；第一长条形金属贴片1212的长度为2.05mm的k倍，k取整数；第二长条形金属贴片1213的长度为1.94mm的k倍，k取整数；第三长条形金属贴片1214的长度为2.29mm的k倍，k取整数；第四长条形金属贴片1215的长度为1.54mm的k倍，k取整数；第五长条形金属贴片1216的长度为0.9mm的k倍，k取整数；第六长条形金属贴片1218的长度为0.8mm的k倍，k取整数；三角金属贴片1217的边长为0.13mm的k倍，k取整数。
47.本发明采用交叉耦合结构实现紧凑型高选择性双频频率选择表面，具有选择性良好，小型化程度高的特点。采用风车形结构，增加了频选的小型化程度，两通带独立可调，具有良好的角度稳定性和极化稳定性。
48.下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细描述。
49.实施例
50.结合图1(a)～(c)、图2、图3(a)～(b)、图4(a)～(b)、图5，本发明紧凑型高选择性双频频率选择表面包括由上至下设置的上层金属表面1、上层介质基板2、中间层金属表面3、下层介质基板4、下层金属表面5，；所述上层金属表面1上覆盖有外部的方环形金属贴片111和y形金属贴片112，以及内部的风车形金属贴片12；所述中间层金属表面3蚀刻有左上圆形缝隙31，右上圆形缝隙32，左下圆形缝隙33，右下圆形缝隙34；所述下层金属表面5与上层金属表面1结构尺寸完全相同；所述上层介质基板2、下层介质基板4采用介电常数为2.2的rogers rt/duroid 5880。
51.其中外部的方环形金属贴片111和y形金属贴片112为中心对称和轴对称结构，方环形金属贴片111由左边矩形金属贴片1111、右边矩形金属贴片1112、上边矩形金属贴片1113、下边矩形金属贴片1114组成；y形金属贴片112的整体形状由左上y形金属贴片1121，右上y形金属贴片1122，左下y形金属贴片1123以及右下y形金属贴片1124组成。以左上y形金属贴片1121为例说明，该结构共由三条矩形金属贴片组成，具体组成方式为：由垂直方向向左倾斜45
°
的矩形金属贴片1121向右边水平方向弯折至水平金属贴片1122，倾斜矩形金属贴片1121向垂直方向弯折至垂直金属贴片1123，
52.风车形金属贴片12为中心对称结构，整体形状由上侧三角回形金属贴片121、左侧三角回形金属贴片122、右侧三角回形金属贴片123、下侧三角回形金属贴片组成124。以上
侧三角回形金属贴片121为例说明，由一个圆形金属贴片、六条长条形金属贴片以及一个三角金属贴片组成，具体组成方式为：先由一个圆形金属贴片1211连接垂直向右下倾斜的第一长条形金属贴片1212，再由第一长条形金属贴片1212的尾部连接与其垂直的第二长条形金属贴片1213，由第二长条形金属贴片1213向左水平方向弯折至第三长条形金属贴片1214，再向右下弯折至第四长条形金属贴片1215，由第四长条形金属贴片1215向其右上垂直方向弯折至第五长条形金属贴片1216，与三角金属贴片连接1217，由三角金属贴片1217向左上方向弯折至第六长条形金属贴片1218。
53.本发明紧凑型高选择性双频频率选择表面的参数设计过程如下：
54.(一)上层金属表面1、中间层金属表面3、下层金属表面5的边缘长度为5.2mm，边缘宽度为5.2mm。
55.(二)上层介质基板2、下层介质基板4采用介电常数为2.2的rogers rt/duroid5880，厚度为0.254mm。
56.(三)上层金属表面1、下层金属表面5的外部方形和y形金属贴片的宽度为0.2mm，内部风车形金属贴片中长条形金属贴片的宽度为0.13mm。
57.(四)外部方形金属贴片的左边矩形金属贴片长度为5mm。
58.(四)y形金属贴片左上y形金属贴片1121中水平金属贴片1122与垂直金属贴片1123尺寸相同，长度为1.5mm；垂直方向向左倾斜45
°
的矩形金属贴片1121长度为0.4mm。
59.(五)风车形金属贴片中圆形金属贴片1211的半径为0.32mm；第一长条形金属贴片1212的长度为2.05mm；第二长条形金属贴片1213的长度为1.94mm；第三长条形金属贴片1214的长度为2.29mm；第四长条形金属贴片1215的长度为1.54mm；第五长条形金属贴片1216的长度为0.9mm；第六长条形金属贴片1218的长度为0.8mm；三角金属贴片1217的边长为0.13mm。
60.(六)中间层金属表面3中的左上圆形缝隙31的半径为0.58mm。
61.当0
°
至45
°
的电磁波以te和tm的极化方式入射到频率选择表面上时，图6(a)、(b)给出了不同的极化方式时的s参数，图7(a)、(b)给出了多个角度入射时不同极化方式的传输系数，发现该结构共产生了四个传输零点，在通带的两侧分别产生两个传输零点，在9.06ghz和9.94ghz产生了两个通带，选择性能良好，且在不同角度的电磁波入射时，具备良好的角度稳定性和极化稳定性。