基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构
阅读说明：本技术 基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构 (Band-pass frequency selection surface structure based on antenna-filter-antenna ) 是由 李银 杜志敏 王世伟 刘柏杨 陈国文 胡熊敏 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构,包含频率选择单元,频率选择单元由依次层叠的第一辐射贴片、第一介质板、第一金属地板、第二介质板、谐振层、第三介质板、第二金属地板、第四介质板和第二辐射贴片构成；第一金属地板上设置的第一缝隙的投影均落在第一辐射贴片上；第二金属地板上设置的第二缝隙的投影均落在第二辐射贴片上；谐振层由相互正交的第一微带和第二微带构成,第一缝隙落在谐振层的投影与第二缝隙落在谐振层的投影分居第一微带两侧；第一缝隙的长度方向、第二缝隙的长度方向均与第一微带的长度方向一致。该结构共产生四个传输极点和两个传输零点,具有稳定的准椭圆滤波响应和高选择性,角度稳定性好,剖面低。(The invention provides a band-pass frequency selection surface structure based on an antenna, a filter and an antenna, which comprises a frequency selection unit, wherein the frequency selection unit is formed by sequentially laminating a first radiation patch, a first dielectric plate, a first metal floor, a second dielectric plate, a resonance layer, a third dielectric plate, a second metal floor, a fourth dielectric plate and a second radiation patch; the projections of first gaps arranged on the first metal floor fall on the first radiation patches; projections of second gaps arranged on the second metal floor fall on the second radiation patches; the resonance layer is composed of a first microstrip and a second microstrip which are mutually orthogonal, and the projection of the first gap falling on the resonance layer and the projection of the second gap falling on the resonance layer are separated at two sides of the first microstrip; the length direction of the first slot and the length direction of the second slot are consistent with the length direction of the first microstrip. The structure generates four transmission poles and two transmission zeros, and has stable quasi-elliptic filtering response, high selectivity, good angle stability and low section.)
技术领域
本发明涉及频率表面选择技术领域，尤其是指基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种能够对电磁波进行反射或透射的二维周期表面结构。传统的频率选择表面的类型有两种，分别是有缝隙型和贴片周期单元构成的频率选择表面。贴片类型是在介质表面周期性的具有同样的金属单元。另外一种是缝隙类型，是在金属板上周期性的刻蚀出缝隙的结构。当FSS处于谐振状态时，入射电磁波发生全反射或全透射，可以作为一种空间滤波器，可广泛应用到抗电磁干扰、电磁兼容、防电辐射、天线解耦等方面。目前，提高频率选择表面选择性的方法一般采用多层结构或者采用3D结构，这样都会造成整体结构的剖面厚，3D结构加工后需要复杂的装配。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
1)中国专利申请号为201710415782.9的发明专利申请公开了一种超宽通带的频率选择表面结构，旨在提高频率选择表面的角度稳定性。结构由五层构成，其包含：第一层辐射贴片层、第一中间介质板，第二辐射贴片层、第二中间介质板、第三辐射贴片层。五层依序压合在一起。第一金属层和第三金属层结构单元为一个长宽相同的矩形，单元中心为一个小于单位尺寸长宽相同的矩形贴片，贴片周围均匀分布着四分之一十字形小铁片与单元的四个角相连。在平面周期延拓后，呈现交错间隔着十字形贴片的方形贴阵列；第二层辐射贴片层，其单元为大小与上述相同的矩形，中心为十字形金属线，在单元的中点位置均有矩形辐射贴片与十字形金属线相连接，在平面延拓后，呈现在交点之间中点处有方形贴片的网格阵列。该频率选择表面具有超宽通带特性，可以自由和绝大部分厚度的蒙皮、外壳、保护罩等结构进行结合，具有较高的使用价值。但缺点在于：该频率选择表面结构对通带外的频率的选择性较差。
2)中国专利申请号为201810577469.X的发明专利申请公开了该发明公开了一种高角度稳定的频率选择表面及其设计方法，其包含M*N个周期排列的频率选择表面单元，频率选择表面单元包括介质板和介质板上下表面由两个相对设置的开口金属环组成的金属环对，同意表面的两个金属环的开口方向相对，两个辐射贴片第一矩形缝隙方向相对，且均关于介质板法线180°旋转对称，同一表面的金属环对和辐射贴片对的位置相应位于上表面的金属环对在下表面上的投影旋转90°的位置，金属过孔将两对金属环的开口端对应上下链接，行程一种选择表面单元结构。可以应用于反射面天线等诸多对频率选择表面的角度稳定性有严格要求的场景。但缺点在于：该频率选择表面结构对通带外的频率的选择性较差。
3)中国专利申请号为201910331692.0的发明专利申请公开了一种带通3D频率选择表面，旨在提高宽带通3D频率表面的角度稳定性，包括m*n各谐振单元：每个谐振单元包括五层介质板和四层金属层，金属层包括上层介质板上表面和下层介质板下表面的四个阶梯环状结构，中间层介质板上下表面围绕介质板四边边缘所构成的方形金属环结构，以及方形金属环内部的两组2*2方形环结构，第一组方形环结构的中心在介质板四个对角位置，第二组环状的中心在相邻第一组环状中心连线的中点上，上层介质上表面和下层介质板下表面的各阶梯环状结构通过导线对应连接。该结构在实现边缘陡降通带的同时，提高了角度稳定性，使其可应用于大入射角情形下，可用于通讯与雷达方面。但缺点在于：该频率选择表面结构的角度稳定性一般，并且整体结构剖面较厚。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种易于加工、剖面低、角度稳定性好、选择性高的带通频率选择表面结构，解决现有技术的带外选择性差、结构剖面较厚等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构，包含频率选择单元，所述频率选择单元由依次层叠的第一辐射贴片、第一介质板、第一金属地板、第二介质板、谐振层、第三介质板、第二金属地板、第四介质板和第二辐射贴片构成；所述第一金属地板上设置有第一缝隙，所述第一缝隙的投影均落在所述第一辐射贴片上；所述第二金属地板上设置有第二缝隙，所述第二缝隙的投影均落在所述第二辐射贴片上；所述谐振层由相互正交的第一微带和第二微带构成，所述第一缝隙落在所述谐振层的投影与所述第二缝隙落在所述谐振层的投影分居所述第一微带两侧；所述第一缝隙的长度方向、所述第二缝隙的长度方向均与所述第一微带的长度方向一致。
进一步地，所述第一缝隙和所述第二缝隙的长度方向均与所述第一微带的长度方向平行。
进一步地，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片均为矩形贴片，且所述第一辐射贴片落在所述谐振层的投影与所述第二辐射贴片落在所述谐振层的投影分居所述第一微带两侧。
进一步地，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片均为用于形成TM01模或TM10模的方形金属贴片，所述第一缝隙中心的投影与所述第一辐射贴片的中心重合，所述第二缝隙中心的投影与所述第二辐射贴片的中心重合。
进一步地，所述第一缝隙落在所述谐振层的投影到所述第一微带的距离与所述第二缝隙落在所述谐振层的投影到所述第一微带的距离相等，均为0.1-0.5个中心工作频率波长。
进一步地，所述第一缝隙和所述第二缝隙的长度相等，均为0.1-0.4个中心工作频率波长；所述第一缝隙和所述第二缝隙的宽度为0.01-0.03个中心工作频率波长；所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的大小相同，边长为0.2-0.5个中心工作频率波长。
进一步地，所述第一缝隙中心落在所述谐振层上的投影和所述第二缝隙中心落在所述谐振层上的投影均位于所述第二微带上；所述第一微带的两端还设置有第一枝节和第二枝节，所述第一微带、所述第一枝节和所述第二枝节三者的总长度为0.2-0.5个中心工作频率波长；所述第二微带的长度为0.2-0.5个中心工作频率波长。
进一步地，所述第一微带的中心与所述第二微带的中心重合。
进一步地，所述第一枝节与所述第二枝节关于所述第二微带呈镜像对称。
进一步地，所述频率选择单元设置有M*N个，分别平铺在同一平面上且相邻两所述频率选择单元之间的间距为0.4-0.8个中心工作频率波长；所述第一介质板的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第二介质板的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第三介质板的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第四介质板的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第一介质板、所述第二介质板、所述第三介质板和所述第四介质板均为矩形，且四者的中心在所述谐振层上的投影均与所述第二微带的中心重合；其中，M、N为自然数，且M≥5，N≥5。
本发明的有益效果在于：所述第一辐射贴片和所述第一缝隙组合形成接收天线/发射天线，所述第二辐射贴片和所述第二缝隙组合形成发射天线/接收天线，而含有第一缝隙的第一金属地板、谐振层和含有第二缝隙的第二金属地板组合形成高阶的滤波器，进而实现高阶的频率选择表面。所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片通过谐振产生两个传输极点；相互正交的第一微带和第二微带谐振时产生偶模谐振和奇模谐振，进而再形成两个传输极点。第一微带还产生低频阻带传输零点，高于谐振频率的两路方向的信号通过相互抵消形成高频阻带传输零点。综上所述，本申请的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构一共产生四个传输极点和两个传输零点，具有良好的稳定的准椭圆滤波响应和高选择性，且角度稳定性良好。由于是由多层层状结构叠加形成，结构简单，剖面低，易于加工。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的过第二微带的剖面示意图；
图2为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的部分层状结构示意图一；
图3为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的部分层状结构示意图二；
图4为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的部分层状结构示意图三；
图5为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的部分层状结构示意图四；
图6为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的部分层状结构示意图五；
图7为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的S参数性能电磁仿真曲线图；
图8为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的不同入射波角度下的反射系数仿真曲线；
图9为本发明的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的不同入射波角度下的透射系数仿真曲线；
其中，1-第一辐射贴片，2-第一介质板，3-第一金属地板，31-第一缝隙，4-第二介质板，5-谐振层，51-第一微带，52-第二微带，53-第一枝节，54-第二枝节，6-第三介质板，7-第二金属地板，71-第二缝隙，8-第四介质板，9-第二辐射贴片。
具体实施方式
根据本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式，配合附图详予说明，详情如下：
实施例1
请参阅图1至图6，一种基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构，包含频率选择单元，所述频率选择单元由依次层叠的第一辐射贴片1、第一介质板2、第一金属地板3、第二介质板4、谐振层5、第三介质板6、第二金属地板7、第四介质板8和第二辐射贴片9构成；所述第一金属地板3上设置有第一缝隙31，所述第一缝隙31的投影均落在所述第一辐射贴片1上，即第一缝隙31落在所述第一辐射贴片1所在的平面的投影均落在所述第一辐射贴片1上；所述第二金属地板7上设置有第二缝隙71，所述第二缝隙71的投影均落在所述第二辐射贴片9上，即第二缝隙71落在所述第二辐射贴片9所在的平面的投影均落在所述第二辐射贴片9上；所述谐振层5由相互正交的第一微带51和第二微带52构成，所述第一缝隙31落在所述谐振层5的投影与所述第二缝隙71落在所述谐振层5的投影分居所述第一微带51两侧；所述第一缝隙31的长度方向、所述第二缝隙71的长度方向均与所述第一微带51的长度方向一致。
所述第一辐射贴片1和所述第一缝隙31组合形成接收天线/发射天线，所述第二辐射贴片9和所述第二缝隙71组合形成发射天线/接收天线，而含有第一缝隙31的第一金属地板3、谐振层5和含有第二缝隙71的第二金属地板7组合形成高阶的滤波器，进而实现高阶的频率选择表面。所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9通过谐振产生两个传输极点；相互正交的第一微带51和第二微带52谐振时产生偶模谐振和奇模谐振，进而再形成两个传输极点。第一微带51还产生低频阻带传输零点，高于谐振频率的两路方向的信号通过相互抵消形成高频阻带传输零点——两个传输零点均可改善传输特性。综上所述，本申请的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构一共产生四个传输极点和两个传输零点，具有良好的稳定的准椭圆滤波响应和高选择性，角度稳定性良好。由多层层状结构叠加形成，结构简单，剖面低，易于加工。
实施例2
在上述结构基础上，所述第一缝隙31和所述第二缝隙71的长度方向均与所述第一微带51的长度方向平行。在极化方向垂直于第一缝隙31/第二缝隙71的平面波照射下，当入射角从0°增加到40°时，依然具有非常稳定的的频率响应，角度稳定性良好。
实施例3
在上述结构基础上，所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9均为矩形贴片，且所述第一辐射贴片1落在所述谐振层5的投影与所述第二辐射贴片9落在所述谐振层5的投影分居所述第一微带51两侧，进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
实施例4
在上述结构基础上，所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9均为用于形成TM01模或TM10模的方形金属贴片，所述第一缝隙31中心的落在所述第一辐射贴片1所在平面的投影与所述第一辐射贴片1的中心重合，所述第二缝隙71中心的落在所述第二辐射贴片9所在平面的投影与所述第二辐射贴片9的中心重合，进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9通过谐振产生两个传输极点，在三维空间上形成TM010模式。
实施例5
在上述结构基础上，所述第一缝隙31落在所述谐振层5的投影到所述第一微带51的距离与所述第二缝隙71落在所述谐振层5的投影到所述第一微带51的距离相等，均为0.1-0.5个中心工作频率波长。进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
实施例6
在上述结构基础上，所述第一缝隙31和所述第二缝隙71的长度相等，均为0.1-0.4个中心工作频率波长；所述第一缝隙31和所述第二缝隙71的宽度为0.01-0.03个中心工作频率波长；所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9的大小相同，边长为0.2-0.5个波长个中心工作频率波长。进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
实施例7
在上述结构基础上，所述第一缝隙31中心落在所述谐振层5上的投影和所述第二缝隙71中心落在所述谐振层5上的投影均位于所述第二微带52上；所述第一微带51的两端还设置有第一枝节53和第二枝节54，所述第一微带51、所述第一枝节53和所述第二枝节54三者的总长度为0.2-0.5个中心工作频率波长；所述第二微带52的长度为0.2-0.5个中心工作频率波长。进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
实施例8
在上述结构基础上，所述第一微带51的中心与所述第二微带52的中心重合，进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
实施例9
在上述结构基础上，所述第一枝节53与所述第二枝节54关于所述第二微带52呈镜像对称，进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
实施例10
在上述结构基础上，所述频率选择单元设置有M*N个，分别平铺在同一平面上且相邻两所述频率选择单元之间的间距为0.4-0.8个中心工作频率波长；所述第一介质板2的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第二介质板4的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第三介质板6的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第四介质板8的厚度为1/60-1/20个中心工作频率波长，介电常数为2.0-4.0；所述第一介质板2、所述第二介质板4、所述第三介质板6和所述第四介质板8均为矩形，且四者的中心在所述谐振层5上的投影均与所述第二微带52的中心重合；其中，M、N为自然数，且M≥5，N≥5。进一步提升基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构的准椭圆滤波响应的稳定性、选择性和角度稳定性。
为进一步论述本发明的有益效果，结合以下试验例做进一步说明：
试验例
一种基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构，包含频率选择单元，所述频率选择单元由依次层叠的第一辐射贴片1、第一介质板2、第一金属地板3、第二介质板4、谐振层5、第三介质板6、第二金属地板7、第四介质板8和第二辐射贴片9构成。
所述第一金属地板3上设置有第一缝隙31，所述第一缝隙31的投影均落在所述第一辐射贴片1上；所述第二金属地板7上设置有第二缝隙71，所述第二缝隙71的投影均落在所述第二辐射贴片9上；所述谐振层5由相互正交的第一微带31和第二微带71构成，所述第一缝隙31落在所述谐振层5的投影与所述第二缝隙71落在所述谐振层5的投影分居所述第一微带51两侧；所述第一缝隙31和所述第二缝隙71的长度方向均与所述第一微带51的长度方向平行。
所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9均为用于形成TM01模或TM10模的方形金属贴片，且所述第一辐射贴片1落在所述谐振层5的投影与所述第二辐射贴片9落在所述谐振层5的投影分居所述第一微带51两侧。所述第一缝隙31中心的投影与所述第一辐射贴片1的中心重合，所述第二缝隙71中心的投影与所述第二辐射贴片9的中心重合。
所述第一缝隙31落在所述谐振层5的投影到所述第一微带51的距离与所述第二缝隙71落在所述谐振层5的投影到所述第一微带51的距离相等，均为4.2mm。
所述第一缝隙31和所述第二缝隙71的长度相等，均为4.2mm；所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片9的大小相同，边长为9.5mm。
进一步地，所述第一缝隙31中心落在所述谐振层5上的投影和所述第二缝隙71中心落在所述谐振层5上的投影均位于所述第二微带52上；所述第一微带51的两端还设置有第一枝节53和第二枝节54，所述第一微带51、所述第一枝节53和所述第二枝节54三者的总长度为14.6mm；所述第二微带52的长度为10.9mm。所述第一微带51的中心与所述第二微带52的中心重合。所述第一枝节53与所述第二枝节54关于所述第二微带52呈镜像对称。
进一步地，所述频率选择单元设置有20*20个，分别平铺在同一平面上。沿着垂直于第二微带52的方向，相邻两所述频率选择单元之间的间距为15mm；沿着第二微带52的长度方向，相邻两所述频率选择单元之间的间距为20mm。所述第一介质板2、所述第二介质板4、所述第三介质板6和所述第四介质板8均为罗杰斯4003C，介电常数均为3.38；所述第一介质板2、所述第二介质板4、所述第三介质板6和所述第四介质板8均为矩形，且四者的中心在所述谐振层5上的投影均与所述第二微带52的中心重合。所述第一介质板2和所述第四介质板8的厚度为1.524mm，所述第二介质板4和所述第三介质板6的厚度为0.813mm。
针对上述结构，采用电磁仿真软件CST取得仿真结果，详见图7的S参数性能电磁仿真曲线图、图8的反射系统数电磁仿真曲线以及图9的透射系数仿真曲线。
从图7中可以看出，本发明的结构具有准椭圆频率响应，图7中|S11|是输入端口的回波损耗，|S21|是输入端口的正向传输系数，从图7中还可以看出，|S11|的值低于-10dB；频率选择表面的3dB通带中心频率为7.07GHz，且在6.71GHz和7.59GHz处产生两个传输零点，改善了低频阻带和高频阻带的滚降特性，提高频率选择性能。
从图8和图9中可以看出，当入射角从0°增大到40°时，本发明依然具有非常稳定的频率响应，角度稳定性好，增加其实际应用价值。
综上所述，本发明提供的基于天线-滤波器-天线的带通频率选择表面结构，一共产生四个传输极点和两个传输零点，具有良好的稳定的准椭圆滤波响应和高选择性，且角度稳定性良好。由于是由多层层状结构叠加形成，结构简单，剖面低，易于加工。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。