一种用于5G频段的频率选择表面结构及其单元结构

本发明涉及电磁场与电磁波领域，尤其涉及一种用于5g频段的频率选择表面结构及其单元结构。

背景技术：

1、频率选择表面(fss)是一种人工周期性结构，其实质上是由特定单元结构按照特定排列顺序组成的周期性表面，因其可对空间中的电磁波实现带通、带阻响应。fss对于特定频段的入射电磁波可以使其低损耗透射，而带外电磁波内反射，因而可以被看做是一种空间滤波器。

2、fss曾作为天线罩而广泛应用在天线系统中，从而可以有效的降低天线之间的相互干扰，提高天线性能表现。在早期单基站军事探测领域，fss可以通过将电磁波反射到其他方向从而降低雷达散射截面，实现隐身的目的。

3、随着现代战争电子战领域中反隐身技术的不断发展，类似于多基站雷达这种能够接收探测目标散射到其余各个方向的雷达信号的雷达技术应用越发普及，频率选择表面隐身天线罩将很容易失去隐身能力。针对这种新的隐身能力的要求，具有带内透波/带外吸波特性的吸透一体频率选择表面被提出。我们可以将基于人工电磁材料吸波体和传统fss结合起来，制作成新型的频率选择表面—吸波/透波频率选择表面。传统fss主要功能是将带外信号反射到其余方向，但是随着雷达反隐身技术的发展，这些被反射的信号有可能被对方雷达侦测到，尤其某一方向较强的反射会增加暴露我方位置的风险。而对于新型的吸波/透波频率选择表面，带外信号不是被反射，而是被吸收，这样可以大大减少安全隐患，提升作战性能，这就是设计吸波/透波频率选择表面的初衷。

4、5g(即5th generation mobile networks，第五代移动通信网络)，也可以称为5thgeneration wireless systems(第五代无线通信系统)，是4g的下一代演进。国内对5g关键指标和特性的期望包括：峰值速率能达到几十gbps，端到端时延能够达到1ms(毫秒级)，频谱利用率要高，能耗要低，等等，将互联网的发展从移动互联网时代带入到智能互联网的时代。通信过程中，若使用传统吸收/反射频率选择表面，带外信号反射会在不同方向带来更多的电磁噪声，与此同时环境中的电磁干扰分布在各个频段，因此对于开发宽频带屏蔽的fss需求旺盛。

5、为了解决上述问题，可以将频率选择表面(fss)应用于5g频段，以确保信号的可靠传输并防止频率干扰。目前，已经有将fss应用于5g频段传输的研究，但研究主要集中于通带的以便分布有阻带的结构，或阻带带宽较窄的结构，并不能满足当今通带插入宽吸收带的吸透一体频率选择表面的发展趋势。此外，现有的应用于5g频段的fss结构也有稳定性较差的问题，导致结构的滤波特性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于5g频段的频率选择表面结构及其单元结构，实现在5g频段5.84ghz到5.94ghz频带内右良好的透波特性；使得频段内信号通过，频段外信号被阻隔，能够保护5g频段信号不被其他频率电磁信号所干扰。能够在较宽频带内实现吸收。在2.15ghz到5.55ghz频带内和6.2ghz到9ghz频带内具有良好的吸波特性。

2、实现本发明目的的技术方案如下：

3、本发明的一方面提供了一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，自上而下依次包括第一金属层、介质基板、空气层和第二金属层；

4、所述第一金属层上开设有矩形方环结构和四个金属板，金属板围绕在矩形方环结构周围与矩形方环结构的内环四角相连，四个金属板沿着矩形方环结构的对角线向周围辐射，金属板为四边形，在金属板内沿着其四边向内卷曲形成缝隙；

5、所述第二金属层上开设有十字环形缝隙，十字环形缝隙的朝向为所述第二金属层对角线方向；

6、所述第一金属层和所述第二金属层均为中心对称结构，矩形方环结构的中心、四个金属板的中心、十字环形缝隙的中心均与所述第一金属层和所述第二金属层的中心的中心重合。

7、在本发明的一个实施例中，矩形方环结构加载四个加载电阻。

8、在本发明的一个实施例中，矩形方环结构为正方形环，矩形方环结构的对角线方向与所述第一金属层的对角线方向一致。

9、在本发明的一个实施例中，四个金属板均为两条长度相等的长边和两条长度相等的短边，短边与所述第一金属层的四边平行，长边与矩形方环结构内部方形边界的四角重合，金属板沿着所述第一金属层对角线放射状分布。

10、在本发明的一个实施例中，缝隙为谐振槽，位于所述第一金属层上的谐振槽与所述第一金属层边缘平行，每一个谐振槽沿着所述第一金属层对角线轴对称分布；

11、谐振槽的一半从矩形方环结构顶点的位置开始、沿着平行于所述第一金属层长边的方向延伸、在靠近所述第一金属层边缘处弯折、转向平行于所述第一金属层短边、进而在靠近所述第一金属层对角线处再次转向、向内弯折转向为平行于所述第一金属层对角线，延伸一段距离后终止；

12、谐振槽的另一半与谐振槽的一半沿着所述第一金属层对角线对称分布。

13、在本发明的一个实施例中，十字环形缝隙的朝向为沿着所述第二金属层对角线分布。

14、在本发明的一个实施例中，所述介质基板介电常数接近空气，厚度1mm。

15、在本发明的一个实施例中，所述空气层厚度12mm，所述第一金属层和所述第二金属层距离总计13mm。

16、本发明的另一方面提供了一种用于5g频段的频率选择表面结构，包括m×n个周期性排布的频率选择表面结构单元结构，该频率选择表面结构单元结构为上述一方面的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构；

17、其中，m和n为大于等于1的整数。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、1、本发明的频率选择表面结构能够在较宽频带内实现吸收。在2.15ghz到5.55ghz频带内和6.2ghz到9ghz频带内具有良好的吸波特性。

20、2、本发明的频率选择表面结构可以实现在5g频段5.84ghz到5.94ghz频带内右良好的透波特性(吸波和透波率均在80％以上)；使得频段内信号通过，频段外信号被阻隔，能够保护5g频段信号不被其他频率电磁信号所干扰。

21、3、本发明的频率选择表面结构具有良好的角度稳定性，以不同角度入射波照射时第一谐振频率偏差和第二谐振频率偏差都在可接受范围之内，始终处于5g频段内，吸收效率在入射角30度时仍超过80％。

技术特征：

1.一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，自上而下依次包括第一金属层、介质基板、空气层和第二金属层；

2.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，矩形方环结构加载四个加载电阻。

3.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，矩形方环结构为正方形环，矩形方环结构的对角线方向与所述第一金属层的对角线方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，四个金属板均为两条长度相等的长边和两条长度相等的短边，短边与所述第一金属层的四边平行，长边与矩形方环结构内部方形边界的四角重合，金属板沿着所述第一金属层对角线放射状分布。

5.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，缝隙为谐振槽，位于所述第一金属层上的谐振槽与所述第一金属层边缘平行，每一个谐振槽沿着所述第一金属层对角线轴对称分布；

6.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，十字环形缝隙的朝向为沿着所述第二金属层对角线分布。

7.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，所述介质基板介电常数接近空气，厚度1mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构，其特征在于，所述空气层厚度12mm，所述第一金属层和所述第二金属层距离总计13mm。

9.一种用于5g频段的频率选择表面结构，其特征在于，包括m×n个周期性排布的频率选择表面结构单元结构，该频率选择表面结构单元结构为权利要求1-8任一项所述的一种用于5g频段的频率选择表面结构单元结构；

技术总结
本发明提供了一种用于5G频段的频率选择表面结构及其单元结构，单元结构自上而下依次包括第一金属层、介质基板、空气层和第二金属层；第一金属层上开设有矩形方环结构和四个金属板，金属板围绕在矩形方环结构周围与矩形方环结构的内环四角相连，四个金属板沿着矩形方环结构的对角线向周围辐射，在金属板内沿着其四边向内卷曲形成缝隙；第二金属层上开设有十字环形缝隙。频率选择表面结构包括M×N个周期性排布的单元结构。频率选择表面结构在2.15GHz到5.55GHz频带内和6.2GHz到9GHz频带内具有良好的吸波特性，在5.84GHz到5.94GHz频带内右良好的透波特性；具有良好的角度稳定性，入射波在不同的极化模式下以不同的角度入射时，谐振频率始终处于5G频段之内。

技术研发人员：任鹏,仲禹锡,李毅,许宝毅,相征
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13