一种双通带频率选择表面结构及其单元结构

技术领域

本发明属于电磁波技术领域，尤其涉及一种双通带频率选择表面结构及其单元结构。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种二维周期阵列结构，可在特定频段使电磁无损耗或低损耗通过，而使该频段外的电磁波被屏蔽反射，可以有效的控制电磁波的传输和反射，类似于空间滤波器。由于其独特的滤波特性，FSS可以广泛应用于电磁防护、电磁兼容、天线、滤波器等方面。

卫星通信主要是指各地球站或地球站跟航天器之间通过通信卫星进行信号转发的无线电通信，卫星通信主要包括了卫星中继通信、卫星直接广播、卫星移动通信和卫星固定通信四种方式。用于卫星通信的工作频段主要有：厘米波频段，频率范围为3-30GH。该频段对应于IEEE的S(2-4GHz)、C(4-8GHz)、Ku(12-18GHz)、K(18-27GHz)以及Ka(26.5-40GHz)频段。

现有的用于卫星通信频段的频率选择表面的不足之处在于其滤波频段单一、结构稳定性较差，不能满足更多场景和更高性能的要求，并且现有FSS结构单元尺寸较大，已不能满足当下追求小型化结构的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双通带频率选择表面结构及其单元结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种双通带频率选择表面单元结构，包括自上而下依次设置的金属层和介质基板；所述金属层上开设有十字型缝隙和阶梯型缝隙；所述十字型缝隙的中心与所述金属层中心重合；所述阶梯型缝隙共设置有四个，分别位于十字型缝隙分隔开的四个区域内，且围绕结构中心依次旋转90°设置；所述十字型缝隙(11)与所述阶梯型缝隙(21)相连接。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述十字型缝隙既是轴对称结构也是中心对称结构。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述阶梯型缝隙为轴对称结构。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述阶梯型缝隙包括一个第一矩形缝隙、一个第二矩形缝隙、两个第三矩形缝隙、两个第四矩形缝隙和一个第五矩形缝隙；所述第二矩形缝隙、第三矩形缝隙第四矩形缝隙、和第五矩形缝隙等间距平行设置；所述第二矩形缝隙、第三矩形缝隙、第四矩形缝隙、第五矩形缝隙均与第一矩形缝隙垂直设置。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述十字型缝隙和所述阶梯型缝隙通过第一矩形缝隙相连接。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述第一矩形缝隙垂直与前述十字型缝隙设置。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述介质基板由耐燃材料制成；所述金属层由金属制成；所述金属包括铜或铝或金。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述金属层和所述介质基板均为正方形结构。

进一步，本发明所述双通带频率选择表面单元结构，所述金属层和所述介质基板的尺寸均为8mm*8mm。该频率选择表面结构尺寸很小，单元结构的表面尺寸仅为8mm*8mm，满足小型化结构的趋势。

第二方面，本发明提供一种双通带频率选择表面结构，包括M×N个周期性排布的如第一方面任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述双通带频率选择表面结构在6.7GHz和18.1GHz两个频点附近处都具有极强的滤波特性，能够保护工作在此双频点的卫星通信信号不被其他频率信号所干扰。

2、本发明所述双通带频率选择表面结构具有非常好的极化稳定性，在TE和TM极化入射波垂直照射时谐振频率无偏差，对结构性能无影响。

3、本发明所述双通带频率选择表面结构具有非常好的角度稳定性，在TE和TM模式下，以不同角度入射波照射时谐振频率和带宽变化较小，对结构性能无影响。

附图说明

图1为本发明实施例所述双通带频率选择表面单元结构的立体图；

图2为本发明实施例所述双通带频率选择表面单元结构的侧视图；

图3为本发明实施例所述双通带频率选择表面单元结构金属层的主视图；

图4为本发明实施例所述双通带频率选择表面多单元结构的立体图；

图5为本发明实施例所述双通带频率选择表面结构在TE极化模式下的滤波性能仿真图；

图6为本发明实施例所述双通带频率选择表面结构在TM极化模式下的滤波性能仿真图；

图7为本发明实施例所述双通带频率选择表面结构在TE极化模式下的角度稳定性能仿真图；

图8是本发明实施例所述双通带频率选择表面结构在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图；

其中，1-金属层；11-十字型缝隙；2-介质基板；21-阶梯型缝隙；211-第一矩形缝隙；212-第二矩形缝隙；213-第三矩形缝隙；214-第四矩形缝隙；215-第五矩形缝隙。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的双通带频率选择表面结构及其单元结构进行详细说明。在本公开实施例中，所述双通带为C波段和K波段。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1、图2、图3所示，本实施例的频率选择表面单元结构自上而下依次包括金属层1和介质基板2。在本公开实施例中，介质基板2由相对介电常数为4.4，电切损耗为0.02的耐燃材料制成。金属层1由铜(Cu)制成。金属层1和介质基板2均为正方形结构，表面尺寸均为8mm*8mm。另外，在本实施例中，介质基板2厚度为0.2mm；金属层1的厚度在0.017mm-0.035mm范围内。本实施例的频率选择表面单元结构尺寸很小，单元结构的表面尺寸仅为8mm*8mm，满足如今器件小型化结构的趋势。

在本公开实施例中，所述金属层1上开设有十字型缝隙11和阶梯型缝隙21，所述十字型缝隙的中心与所述金属层的中心重合；所述阶梯型缝隙共四个，分别位于十字型缝隙分隔开的四个区域内，且围绕结构中心依次旋转90°设置。

在本公开实施例中，所述十字型缝隙11既是轴对称结构也是中心对称结构。所述阶梯型缝隙21为轴对称结构；所述阶梯型缝隙21由一个第一矩形缝隙211、两个第二矩形缝隙212、两个第三矩形缝隙213、两个第四矩形缝隙214和一个第五矩形缝隙215组成。所述十字型缝隙11和所述阶梯型缝隙21通过第一矩形缝隙211相连接。所述第一矩形缝隙211和所述十字型缝隙21垂直。所述第二矩形缝隙212、第三矩形缝隙213、第四矩形缝隙214和第五矩形缝隙215等间距平行排列。所述第二矩形缝隙212、第三矩形缝隙213、第四矩形缝隙214、第五矩形缝隙215都与第一矩形缝隙211垂直设置。

下表1是本公开实施例提供的金属层1的详细几何参数。

表1.金属层的详细几何参数(单位：mm)

本发明的另一公开实施例提供了一种应用于C波段和K波段的双通带频率选择表面多单元结构，所述频率选择表面结构包括M×N个周期性排布的如上述实施例中任一项所述的频率选择表面单元结构，其中，M和N为大于等于1的整数。如图4所示，在本实施例中，该频率选择表面结构包括5×5个单元结构；在具体应用中，可根据实际需求所述频率选择表面结构可以包括10×10，20×20，40×40，甚至更多的上述单元结构。

为了验证本实施例的频率选择表面结构(FSS结构)的性能，本公开实施例利用商业仿真软件HFSS对该FSS结构进行了多项性能仿真分析。

图5是本实施例提供的应用于C波段和K波段的双通带频率选择表面结构在TE极化模式下的滤波性能仿真图；从图5中的回波损耗(S11)和插入损耗(S21)可以看出，本实施例的FSS结构的两个谐振频率为6.7GHz和18.1GHz，在6.7GHz谐振点，回波损耗为-23.39dB，在-10dB处带宽为560MHz；在18.1GHz谐振点，回波损耗为-21.62dB，在-10dB处带宽为1005MHz。也就是说，在TE极化模式下，该FSS结构对频率在6.7GHz和18.1GHz周围的信号具有完美的传输效果，并且能够很好地抵抗带外信号的干扰。

图6是本发明实施例提供的应用于C波段和K波段的双通带频率选择表面结构在TM极化模式下的滤波性能仿真图。从图6中的回波损耗(S11)和插入损耗(S21)可以看出，本实施例的FSS结构的两个谐振频率为6.7GHz和18.1GHz，在6.7GHz谐振点，回波损耗为-22.99dB，在-10dB处带宽为568MHz；在18.1GHz谐振点，回波损耗为-21.51dB，在-10dB处带宽为1018MHz。也就是说，在TM极化模式下，该FSS结构对频率在6.7GHz和18.1GHz频点周围的信号具有完美的传输效果，并且能够很好地抵抗带外信号的干扰。

综合图5和图6的性能仿真图，可以看出，此结构在TE模式和TM模式下，具有双通带性能，两个谐振频率始终处于C波段和K波段内，即具有出色的极化稳定性。

此外，为了研究本实施例的FSS结构的角度稳定性，其在TE模式和TM模式下以入射角度为0°、15°、30°和45°的入射波照射，可以获得该结构的频率特性。图7是本发明实施例提供的应用于C波段和K波段的双通带频率选择表面结构在TE极化模式下的角度稳定性能仿真图；图8是本发明实施例提供的应用于C波段和K波段的双通带频率选择表面结构在TM极化模式下的角度稳定性能仿真图。该FSS结构在6.7GHz和18.1GHz频点处具有强大的角度稳定性和出色的滤波特性，在不同角度电磁入射波照射下，频率偏差在可接受范围之内，具有优异信号传输能力和抗干扰能力。表2是本公开实施例的FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。

表2.FSS结构在TE模式下的角度稳定性仿真参数

从图8中可以看出，该FSS结构在6.7GHz和18.1GHz频点处依然具有出色的角度稳定性和滤波特性，在不同角度电磁入射波照射下，频率偏差在可接受范围之内，具有优异信号传输能力和抗干扰能力。表3是本公开实施例的FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真的详细几何参数。

表3.FSS结构在TM模式下的角度稳定性仿真参数

综合图7和图8的性能仿真图以及表2和表3的仿真参数可以看出，此FSS结构在TE模式和TM模式下，以入射角度为0°、15°、30°和45°的入射波照射时，在C波段和K波段始终具有双通带效果，并具有出色的滤波性能，即确定此结构具有优秀的角度稳定性。

本公开实施例的应用于C波段和K波段的双通带频率选择表面结构在6.7GHz和18.1GHz频点附近处具有极强的滤波特性，能够有效卫星通信信号不被其他频率信号所干扰。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。