一種基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法，包括如下步驟：(1)頻率選擇材料基于孔徑多層結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，孔徑多層結(jié)構(gòu)包括三層結(jié)構(gòu)：頂層貼片、底層貼片以及中間的耦合孔徑層；(2)通過構(gòu)造頂層貼片與底層貼片的貼片位移的設(shè)計方法實現(xiàn)帶外傳輸零點特性，進一步改善基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的頻率選擇材料的邊帶截止特性；(3)采用單元交指化技術(shù)對頻率選擇材料表面進行小型化處理，減小頻率選擇材料表面單元尺寸。本發(fā)明實現(xiàn)高階耦合特性，同時提高其邊帶截止性能，并采用單元交指化方法，降低頻率選擇材料表面的單元尺寸，提高電磁波入射時的角度穩(wěn)定性；帶外抑制能力更強，通帶邊緣上升性和陡降性更好。
【專利說明】
一種基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電磁材料研究領(lǐng)域，以頻選材料雷達天線罩的應(yīng)用趨勢為背景，具體 涉及一種基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由相同的貼片或孔徑單元 按二維周期性排列構(gòu)成的無限大平面結(jié)構(gòu)，它對具有不同工作頻率、極化狀態(tài)和入射角度 的電磁波具有頻率選擇特性。按照對電磁波頻率響應(yīng)的不同，頻率選擇表面大致可分為兩 類:一類是金屬貼片型，另一類是與貼片型結(jié)構(gòu)互補的孔徑型，即在金屬平板上開槽(縫隙） 的結(jié)構(gòu)。當(dāng)頻率選擇表面處于諧振狀態(tài)時，入射電磁波發(fā)生全反射(單元為貼片型）或全透 射(單元為縫隙型）。由于這種獨特的空間濾波特性，使得FSS在工程領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價 值，成為微波和天線研究領(lǐng)域的一個重要方向?，F(xiàn)階段FSS的應(yīng)用范圍涉及電磁領(lǐng)域的許多 方面，在微波波段，頻率選擇表面可用做雙工器、濾波器、極化鑒別器、雙/多頻天線的副反 射器和用于縮減天線雷達散射截面的天線罩等。
[0003] 隨著現(xiàn)代通信要求的不斷提高，傳統(tǒng)天線在某些方面已經(jīng)不能滿足實際的需求， 越來越多的平臺開始采用相控陣天線。由于通過天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計難以解決自身的雷達波隱 身問題，因此，需要對相控陣天線采取相應(yīng)措施，提高其隱身性能。目前，各平臺廣泛采用具 有濾波特性的頻率選擇表面天線罩作為提高相控陣天線隱身性能的重要手段。另外，由于 平臺往往空間有限，天線陣面布置密集，使用頻段間隔小，彼此之間耦合嚴重，這就需要頻 率選擇表面天線罩具有良好的帶外抑制特性。而傳統(tǒng)帶通頻率選擇表面的一階濾波特性顯 然無法滿足這樣的需求，因此，研究提高頻率選擇材料帶外抑制度的設(shè)計方法具有迫切的 工程應(yīng)用需求。
[0004] 檢索國內(nèi)外文獻，關(guān)于FSS材料的高帶外抑制度設(shè)計方法尚屬空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于孔徑多層 結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法，基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高階耦合特性設(shè)計， 構(gòu)造的頻率選擇表面具有較高的帶外抑制度。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法，包括如下步 驟：
[0008] (1)頻率選擇材料基于孔徑多層結(jié)構(gòu)形式，通過構(gòu)造高階特性的耦合孔徑實現(xiàn)高 階耦合特性設(shè)計；
[0009] 所述孔徑多層結(jié)構(gòu)包括三層結(jié)構(gòu):頂層貼片、底層貼片以及中間的耦合孔徑層，頂 層貼片、底層貼片等效為RLC諧振電路，中間的耦合孔徑層等效為諧振或非諧振單元，耦合 孔徑層包括耦合孔徑和介質(zhì)基板，貼片與孔徑之間的能量耦合由變壓器等效，整個頻率選 擇材料表面等效為一個(N+2)階的帶通濾波器，其中N為耦合孔徑層的階數(shù)；
[0010] (2)通過構(gòu)造頂層貼片與底層貼片的貼片位移的設(shè)計方法實現(xiàn)帶外傳輸零點特 性，進一步改善基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的頻率選擇材料的邊帶截止特性，提高帶外抑制度；
[0011] (3)采用單元交指化技術(shù)對頻率選擇材料表面進行小型化處理，減小頻率選擇材 料表面單元尺寸(即降低頻率選擇表面的中心頻率，提高電磁波入射時的角度穩(wěn)定性）。
[0012] 按上述方案，所述步驟（1)中，當(dāng)需要設(shè)計具有三階諧振特性的頻率選擇表面時， 先構(gòu)造一階諧振的耦合孔徑，該孔徑結(jié)構(gòu)為典型槽線結(jié)構(gòu)，根據(jù)槽線孔徑長度來計算其諧 振頻率的大小，耦合孔徑諧振頻率的計算公式為：
[0013]
(1)
[0014] 式中Ls為耦合孔徑長度，^為介質(zhì)基板的介電常數(shù)，在設(shè)計時，通過對頻率選擇材 料結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，使得耦合孔徑的諧振頻率位于頻率選擇表面的工作頻帶，此時 耦合孔徑產(chǎn)生諧振，再加上頂層貼片或底層貼片諧振以及頂層貼片、底層貼片與耦合孔徑 層的耦合作用，從而使頻率選擇材料結(jié)構(gòu)具有三階諧振特性。
[0015] 按上述方案，所述步驟(2)具體為：中間的耦合孔徑層采用變形的中心孔徑結(jié)構(gòu)， 將中心孔徑變?yōu)椴⑿械膬蓷l孔徑，并在中心孔徑兩端各增加一段枝節(jié)，再將頂層貼片與底 層貼片位移使得頂層貼片與底層貼片與中間孔徑存在兩條耦合通道，這兩條耦合通道相互 并聯(lián)，在耦合頻率下，當(dāng)滿足相位差為180°且耦合能量大小相等時，頻率選擇材料的傳輸特 性產(chǎn)生帶外傳輸零點。
[0016] 按上述方案，所述步驟(3)中，單元交指化技術(shù)一方面通過增加頂層貼片與底層貼 片的電流路徑，增大頂層貼片與底層貼片的等效電感，另一方面通過增加頂層貼片與底層 貼片的交指電容，增大頂層貼片與底層貼片的等效電容。
[0017] 本發(fā)明的有益效果為：
[0018] 1、本發(fā)明基于一種孔徑多層結(jié)構(gòu)形式，通過構(gòu)造高階特性的耦合孔徑實現(xiàn)高階耦 合特性，同時在設(shè)計中引入傳輸零點進一步提高其邊帶截止性能，并采用單元交指化方法， 降低頻率選擇表面的單元尺寸，以提高電磁波入射時的角度穩(wěn)定性；
[0019] 2、通過該方法設(shè)計的高階頻率選擇材料在具有一階頻率選擇材料優(yōu)良性能的同 時，帶外抑制能力更強，通帶邊緣上升性和陡降性更好，為頻選材料雷達天線罩的電性能和 結(jié)構(gòu)設(shè)計提供手段。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明孔徑多層結(jié)構(gòu)頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明具有傳輸零點的孔徑多層結(jié)構(gòu)頻率選擇材料表面結(jié)構(gòu)的俯視圖； [0022]圖3為本發(fā)明具有傳輸零點的孔徑多層結(jié)構(gòu)頻率選擇材料表面結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明單元交指化孔徑多層結(jié)構(gòu)頻選材料表面示意圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明實施例孔徑多層結(jié)構(gòu)頻率選擇材料表面貼片交指化設(shè)計結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0025] 圖6為本發(fā)明實施例孔徑多層結(jié)構(gòu)頻率選擇材料表面設(shè)計仿真模型圖；
[0026]圖7為本發(fā)明實施例基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的S波段三階耦合FSS材料結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖8為圖7所示的S波段三階耦合FSS材料的傳輸特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0029] 本發(fā)明所述的基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法，包括 如下步驟：
[0030] (1)基于孔徑多層結(jié)構(gòu)形式，通過構(gòu)造高階特性的耦合孔徑實現(xiàn)高階耦合特性設(shè) 計；
[0031] 頻率選擇材料采用孔徑多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，孔徑多層結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，它包括 三層結(jié)構(gòu):頂層貼片、底層貼片以及中間的耦合孔徑層，頂層貼片、底層貼片等效為RLC諧振 電路，中間的耦合孔徑層等效為諧振或非諧振單元，耦合孔徑層包括耦合孔徑和介質(zhì)基板， 貼片與孔徑之間的能量耦合由變壓器等效，整個頻率選擇材料表面等效為一個(N+2)階的 帶通濾波器，其中N為耦合孔徑層（中間孔徑單元)的階數(shù)；
[0032] 為了設(shè)計具有三階諧振特性的頻率選擇表面，先構(gòu)造一階諧振的耦合孔徑，該孔 徑結(jié)構(gòu)為典型槽線結(jié)構(gòu)，可根據(jù)槽線孔徑長度來計算其諧振頻率的大小，耦合孔徑諧振頻 率的計算公式如式（1)所示。在設(shè)計時，通過對頻率選擇材料結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，使得 耦合孔徑的諧振頻率位于頻率選擇表面的工作頻帶，此時耦合孔徑產(chǎn)生諧振，再加上頂層 貼片或底層貼片諧振以及頂層貼片、底層貼片與耦合孔徑層的耦合作用，從而該頻率選擇 材料結(jié)構(gòu)具有三階諧振特性。
[0033] (2)為了進一步改善基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的頻率選擇材料的邊帶截止特性，提高帶 外抑制度，在頻率選擇材料三階諧振特性的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造頂層貼片與底層貼片的貼片 位移實現(xiàn)帶外傳輸零點特性；
[0034]中間的耦合孔徑層采用變形的中心孔徑結(jié)構(gòu)，將中心孔徑變?yōu)椴⑿械膬蓷l孔徑， 并在中心孔徑兩端各增加一段枝節(jié)，再將頂層貼片與底層貼片位移使得頂層貼片與底層貼 片與中間孔徑存在兩條耦合通道，如圖2~圖3所示，這兩條耦合通道相互并聯(lián)，在特定頻率 下，當(dāng)滿足相位差為180°且耦合能量大小相等時，頻率選擇材料的傳輸特性產(chǎn)生帶外傳輸 零點。
[0035] (3)設(shè)計的基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的頻率選擇材料雖具有良好的邊帶截止特性，但是 其單元尺寸比較大，將導(dǎo)致電磁波入射時的角度穩(wěn)定性差，因此采用單元交指化技術(shù)對頻 率選擇材料的表面進行小型化處理，如圖4所示，單元交指化技術(shù)一方面通過增加頂層貼片 與底層貼片的電流路徑，增大頂層貼片與底層貼片的等效電感，另一方面通過增加頂層貼 片與底層貼片的交指電容，增大頂層貼片與底層貼片的等效電容，從而達到減小頻率選擇 表面單元尺寸(即降低頻率選擇表面的中心頻率)的目的。
[0036] 如圖5~圖6所示，基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度頻選材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟簡 述如下：
[0037] 1)利用HFSS等仿真軟件，根據(jù)應(yīng)用頻段，首先對圖1中的孔徑多層結(jié)構(gòu)頻率選擇表 面單元結(jié)構(gòu)進行仿真設(shè)計，構(gòu)建二階帶通型特性；
[0038] 2)在實際設(shè)計過程中，對孔徑多層結(jié)構(gòu)各參數(shù)進行聯(lián)合優(yōu)化，如陣列周期P、頂層 貼片及底層貼片尺寸L、孔徑寬度W、介質(zhì)基板厚度d和介電常數(shù)^等，得到目標(biāo)頻段內(nèi)的二 階諧振傳輸系數(shù)、反射系數(shù)曲線；
[0039] 3)通過耦合孔徑諧振頻率的計算公式（1)計算耦合孔徑層的耦合孔徑長度值Ls， 仿真構(gòu)建傳輸系數(shù)曲線的三階諧振特性；
[0040] 4)將方形的頂層貼片與底層貼片分別相對于介質(zhì)基板的中心沿反方向平移S，并 對該參數(shù)S進行仿真優(yōu)化，確定相移等于180°時產(chǎn)生傳輸零點，且該零點位于帶外的合適位 置；
[0041] 5)將頂層貼片和底層貼片進行單元交指化設(shè)計，如圖5中所示，仿真優(yōu)化％、&、&、 &、&等參數(shù)，同時大幅縮減陣列周期P，以達到小型化目的。
[0042] 如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。參照上述步驟1)~5)，本發(fā)明設(shè)計了一款用于 S波段的帶通型FSS材料，如圖7所示，優(yōu)化后設(shè)計參數(shù)如表1所示。
[0043] 衷1單元交指化孔徑耦合塑頻率詵擇衷面尺寸參數(shù)
[0045]加工并測試結(jié)果可見，在電磁波法向入射時，如圖8所示，傳輸特性曲線具有三階 耦合響應(yīng)，諧振頻率分別為4.37GHz，4.46GHz，4.57GHz，傳輸零點的頻率為4.14GHz，傳輸曲 線具有良好的帶外抑制度。
[0046] 應(yīng)理解，上述實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解， 在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，而不 脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方法，其特征在于，包 括如下步驟： (1) 頻率選擇材料基于孔徑多層結(jié)構(gòu)形式，通過構(gòu)造高階特性的耦合孔徑實現(xiàn)高階耦 合特性設(shè)計； 所述孔徑多層結(jié)構(gòu)包括三層結(jié)構(gòu):頂層貼片、底層貼片以及中間的耦合孔徑層，頂層貼 片、底層貼片分別為結(jié)構(gòu)頂部和底部的金屬貼片，頂層貼片、底層貼片等效為RLC諧振電路， 中間的耦合孔徑層等效為諧振或非諧振單元，耦合孔徑層包括耦合孔徑和介質(zhì)基板，貼片 與耦合孔徑之間的能量耦合由變壓器等效，整個頻率選擇材料表面等效為一個(N+2)階的 帶通濾波器，其中N為耦合孔徑層的階數(shù)； (2) 通過構(gòu)造頂層貼片與底層貼片的貼片位移的設(shè)計方法實現(xiàn)帶外傳輸零點特性，進 一步改善基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的頻率選擇材料的邊帶截止特性，提高帶外抑制度； (3) 采用單元交指化技術(shù)對頻率選擇材料表面進行小型化處理，減小頻率選擇材料表 面單元尺寸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方 法，其特征在于，所述步驟(1)中，當(dāng)需要設(shè)計具有三階諧振特性的頻率選擇表面時，先構(gòu)造 一階諧振的耦合孔徑，該孔徑結(jié)構(gòu)為典型槽線結(jié)構(gòu)，根據(jù)槽線孔徑長度來計算其諧振頻率 的大小，耦合孔徑諧振頻率的計算公式為：(I) 式中Ls為耦合孔徑長度，^為介質(zhì)基板的介電常數(shù)，在設(shè)計時，通過對頻率選擇材料結(jié) 構(gòu)尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，使得耦合孔徑的諧振頻率位于頻率選擇表面的工作頻帶，此時耦合 孔徑產(chǎn)生諧振，再加上頂層貼片或底層貼片諧振以及頂層貼片、底層貼片與耦合孔徑層的 耦合作用，從而使頻率選擇材料結(jié)構(gòu)具有三階諧振特性。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方 法，其特征在于，所述步驟(2)具體為：中間的耦合孔徑層采用變形的中心孔徑結(jié)構(gòu)，將中心 孔徑變?yōu)椴⑿械膬蓷l孔徑，并在中心孔徑兩端各增加一段枝節(jié)，再將頂層貼片與底層貼片 位移使得頂層貼片與底層貼片與中間孔徑存在兩條耦合通道，這兩條耦合通道相互并聯(lián)， 在耦合頻率下，當(dāng)滿足相位差為180°且耦合能量大小相等時，頻率選擇材料的傳輸特性產(chǎn) 生帶外傳輸零點。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于孔徑多層結(jié)構(gòu)的高帶外抑制度的頻率選擇材料設(shè)計方 法，其特征在于，所述步驟(3)中，單元交指化技術(shù)一方面通過增加頂層貼片與底層貼片的 電流路徑，增大頂層貼片與底層貼片的等效電感，另一方面通過增加頂層貼片與底層貼片 的交指電容，增大頂層貼片與底層貼片的等效電容。
【文檔編號】H01Q1/42GK106067583SQ201610345874
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月23日 公開號201610345874.X, CN 106067583 A, CN 106067583A, CN 201610345874, CN-A-106067583, CN106067583 A, CN106067583A, CN201610345874, CN201610345874.X
【發(fā)明人】陳亮, 張凱, 熊波, 嚴海妍, 田海濤
【申請人】中國艦船研究設(shè)計中心