一种双通带角度/频率双性选择表面结构及其单元结构

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种双通带角度/频率双性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)和角度选择表面(AngleSelective Surface，ASS)本质上均是一种空间滤波器。其中，频率选择表面是通过对若干无源单元进行周期性排布，从而对特定频率的电磁波表现出反射和透射的特性。角度选择表面是基于频率选择表面所提出的特殊结构，是仅允许特殊入射角度的电磁波无损耗或低损耗传输，但是其他角度均被过滤的空间滤波器。

目前，大多数的FSS设计均有关于频率选择和极化选择，已有天线隐身、滤波、耦合器等多种应用场景，但在角度选择性的相关研究进展较为缓慢，因此基于角度选择的特性，提出ASS可以用于相控阵天线、抗干扰通信、低旁瓣雷达、发射机角度控制等。

由于ASS和FSS的相关性，ASS除了在上述的应用场景之外，还可以将ASS与吸收式频率选择表面(Absorptive Frequency Selective Surface，AFSS)、有源频率选择表面等进行联合设计。例如将ASS与FSR(Frequency Selective Rasorber，吸透一体频率选择表面)结合，可以用于设计雷达天线罩，用于降低单站/双站RCS(Radar Cross section，雷达散射截面)，增强天线的隐身性能；与AFSS结合，可以对多角度进行调控，实现天线的可重构性能。

近年来出现了许多优异的FSS和ASS结构，FSS的研究主要集中与对频率、极化等方面，对角度方面的研究主要集中于角度稳定性；ASS的研究则主要利用角度不稳定性，对低角度或者高角度进行滤波设计。例如，2022年，南洋理工大学的陈振婷等人提出一种角度选择表面，其结构如图1所示。该结构由三层组成：顶层和中间层完全相同，可以看作是一个双共振散射体，对TE偏振入射具有低通空间滤波器的性能；底层对TM偏振具有类似的性能。该角度选择表面具有一定的角度选择性。

然而，上述角度选择器以及目前的大多数设计均为高角度全通滤波器或单角度滤波器，不能同时满足角度的全通或单通的需求。此外，上述角度选择器仅能实现单频选择，无法进行多频带选择。

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角度/频率双性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，本发明提出了一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构，自上而下依次包括第一金属层、介质基板和第二金属层；所述第一金属层上形成有圆环型缝隙和n边米字型缝隙；

其中，所述n边米字型缝隙包括从圆心向外的n条边，且每条边的旋转角度相等；所述圆环型缝隙环绕在所述n边米字型缝隙周围，并与所述n边米字型缝隙保持一定间隔；且所述圆环型缝隙和所述n边米字型缝隙的中心均与所述介质基板的中心重合；

所述第二金属层和所述第一金属层具有相同的结构以实现同频共振响应；

当电磁波作用于所述双通带角度/频率双性选择表面单元结构上时，所述圆环型缝隙可使电磁波在传播过程中的相位叠加产生稳定的传输或反射特性；所述n边米字型缝隙可使电磁波的传播和反射受到干扰，从而实现对特定角度的高效传输。

第二方面，本发明提供了一种双通带角度/频率双性选择表面结构，包括若干周期排列的单元结构，所述单元结构为本发明第一方面提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构在介质基板上下设置了结构完全相同的第一金属层和第二金属层，同时在两个金属层上设置了具有稳定作用的圆环型形缝隙和不稳定的n边米字型缝隙，使上下两个金属层可以发生同频共振响应。该结构设计可以同时实现多角度全通和单角度通信，在第一频段的宽角度全通模式下，系统能够同时覆盖多个角度范围，而在第二频段的单角度通信模式下，系统通过灵活地选择单一角度，提供更加精准和稳定的通信连接；此外，该结构还具有多频带选择特性，针对宽角度全通，传输频率在C波段，针对单角度通信，传输频率在K波段和Ku波段；

2、本发明提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构针对角度全通还具有宽范围的特性，可以实现在0°～80°宽范围入射角度进行通信，并且传输参数均在-0.2dB以上，传输效率可达95％以上，使得通信信号能够在更广泛的方向内保持高质量传输。

3、本发明提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构针对单角度通信还具有高角度、宽范围选择的特性，通过可灵活选择0°、10°、30°、50°、70°这五个关键角度，实现了对特定角度的电磁波进行精准传输，而其他角度的电磁波则被巧妙反射的特性；

4、本发明提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构针对单角度通信还具有较窄的传输范围，在选择特定角度传输的情况下，其角度传播波束不超过10°，满足只针对特殊角度传输的需求。在特定角度范围内进行精准的波束形成，有助于系统的高效通信，尤其在需要精细定位或高分辨率传输的应用场景中尤为重要。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术提供的角度选择表面的单元结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构的示意图；

图3是本发明实施例提供的金属层的结构及参数示意图；

图4是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在6.8GHz处0°～80°全通带的滤波性能仿真图；

图5是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在25.22GHz处0°单角度通带的滤波性能仿真图；

图6是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在30GHz处10°单角度通带的滤波性能仿真图；

图7是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在24.27GHz处30°单角度通带的滤波性能仿真图；

图8是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在26.45GHz处50°单角度通带的滤波性能仿真图；

图9是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在25.8GHz处70°单角度通带的滤波性能仿真图；

图10是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下的角度性能仿真图；

附图标记说明：

1、第一金属层，2-介质基板，3-第二金属层，4-圆环型缝隙，5-n边米字型缝隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构的示意图。本实施例提供的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构自上而下依次包括第一金属层1、介质基板2和第二金属层3；所述第一金属层1上形成有圆环型缝隙4和n边米字型缝隙5；

其中，所述n边米字型缝隙5包括从圆心向外的n条边，且每条边的旋转角度相等；所述圆环型缝隙4环绕在所述n边米字型缝隙5周围，并与所述n边米字型缝隙5保持一定间隔；且所述圆环型缝隙4和所述n边米字型缝隙5的中心均与所述介质基板2的中心重合；

所述第二金属层3和所述第一金属层1具有相同的结构以实现同频共振响应；

当电磁波作用于所述双通带角度/频率双性选择表面单元结构上时，所述圆环型缝隙4可使电磁波在传播过程中的相位叠加产生稳定的传输或反射特性；所述n边米字型缝隙5可使电磁波的传播和反射受到干扰，从而实现对特定角度的高效传输。

优选的，在本实施例中，介质基板2、第一金属层1、以及第二金属层3均为正六边形结构，其侧边呈120°夹角；且介质基板2的正六边形结构为三角形周期性排布形成。

本实施例采用三角形周期排布，介质基板选为正六边形结构，具有较好的角度稳定性。为进一步研究该结构所产生的角度稳定性性质，分别对介质基板为六边形结构和介质基板为正方形结构的相同FSS进行仿真练习，六边形单元结构为三角形周期性排布，正方形单元结构为正方行周期排布。实验结果表明，在电磁波入射角度为0度时，正方形排布在TE极化和TM极化下，角度稳定性更好；在电磁波的入射角度为10°～80°时，三角形周期性排布的角度稳定性优于正方形的角度稳定性。

进一步的，在本实施例中，第一金属层1和第二金属层3的材料为铜，厚度为0.017mm-0.035mm。介质基板2的材料为Duroid(tm)，相对介电常数为2.2，电切损耗为0.0009。记介质基板2的厚度为subH，一般不宜设置太厚，以使上下的金属层能够进行同频共振响应，从而产生较好的高角度稳定性。一般而言，介质基板2的厚度可以设置为0.4mm-0.6mm。

可选的，作为一种实现方式，n边米字型缝隙5可以设置为旋转间隔为90°的4边米字结构，从而形成耶路撒冷十字结构。可以理解的是，本实施例还可以设置n边米字型缝隙5每条边的旋转间隔为30°、45°、60°等其他角度间隔，具体可根据实际需求进行选择。本实施例主要以耶路撒冷十字缝隙为例进行详细说明。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的金属层的结构及参数示意图。具体而言，记耶路撒冷十字缝隙的半边长为R1，圆环型缝隙4的内半径记为R2，介质基板的半径记为R3。可以看出，圆环型缝隙4和耶路撒冷十字缝隙均是从介质基板(或者第一金属层/第二金属层)的中心向外延伸设置的，两者之间具有一定间隔。耶路撒冷十字缝隙的相邻缝隙呈90度，且圆环型缝隙4和耶路撒冷十字缝隙的宽度相同，记为W。

可选的，作为一种实现方式，第一金属层1、介质基板2以及第二金属层3可采用下表1所示的几何参数。

表1金属层详细几何参数

可以理解的是，在具体实现本发明的时候，本领域技术人员可以根据实际需求调整上述参数，以实现不同的角度/频率选择功能。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种双通带角度/频率双性选择表面结构，包括若干周期排列的单元结构，该单元结构为上述实施例中所设计的双通带角度/频率双性选择表面单元结构。

本发明设计的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构具有如下有益效果：

1、可以同时实现多角度全通和单角度通信。

具体而言，在第一频段的宽角度全通模式下，系统能够同时覆盖多个角度范围，适应于开放区域或复杂城市环境，确保通信网络在不同方向上的高效运行。而在第二频段的单角度通信模式下，系统通过灵活地选择单一角度，提供更加精准和稳定的通信连接，适用于特定需求下的目标通信。这种多频段、多模式的设计，使系统能够根据环境变化智能地调整通信模式，充分发挥其在复杂环境下的适应性。因此，采用本发明的单元结构的系统不仅可以应对城市、乡村、山区等不同地形条件，还能够满足特殊应用场景下对通信质量和可靠性的高要求。

2、针对角度全通具有宽范围的特性。

具体而言，本发明的结构设计可以实现在0°～80°宽范围入射角度进行通信，并且传输参数均在-0.2dB以上，传输效率可达95％以上，使得通信信号能够在更广泛的方向内保持高质量传输。

3、针对单角度通信具有高角度、宽范围选择的特性。

具体而言，本发明的结构设计通过可灵活选择0°、10°、30°、50°、70°这五个关键角度，实现了对特定角度的电磁波进行精准传输，而其他角度的电磁波则被巧妙反射。这一智能化的角度选择机制不仅有效地减少了通信系统对多路径干扰的敏感度，同时也提高了系统对复杂环境变化的适应性。

4、针对单角度通信具有较窄的传输范围。

具体而言，本发明的结构设计在选择特定角度传输的情况下，其角度传播波束不超过10°，满足只针对特殊角度传输的需求。在特定角度范围内进行精准的波束形成，有助于系统的高效通信，尤其在需要精细定位或高分辨率传输的应用场景中显得尤为关键。这种设计不仅能够减小信号泄漏和无关方向的传输干扰，同时也提高了系统对于目标区域内信号的接收效率。

5、具有多频带选择的特性。

具体而言，针对宽角度全通和单角度通信，本发明的结构设计可使传输频率处于不同波段。针对宽角度全通，传输频率在C波段(指频率从4.0-8.0GHz的一段频带)；针对单角度通信，传输频率在K波段(指频率范围大约在20GHz至40GHz之间的无线电波，通常也被称作毫米波)和Ku波段(指比IEEE 521-2002标准下的K波段频率低的波段，KU的频段通常下行从10.7到12.75GHz，上行从12.75到18.1GHz)。在宽角度全通模式下，系统选择在C波段进行传输，从而覆盖了广泛的入射角度范围，使得通信信号能够在不同方向上实现高质量的传输。在单角度通信模式下，系统灵活地选择在K波段和Ku波段进行传输。这种特定频段的选择使得系统能够更为精准地定向通信，适用于特定角度的高效传输。在这种模式下，系统能够实现对于特定目标区域的精准覆盖，提高通信的灵敏度和分辨率，尤其适用于需要高度定向通信的应用场景。

下面对本发明设计的一种双通带角度/频率双性选择表面单元结构的原理进行详细介绍，并利用商业仿真软件HFSS对本发明设计的表面结构进行多项性能仿真分析，以验证本发明的有效性。

具体的，当电磁波穿过或沿着频率选择表面的表面传播时，特定频率的波长与结构的周期性匹配，导致波的相位在传播过程中受到特定的延迟。圆环缝隙的设计，由于其自身的结构性能，具有较强的角度稳定性，使得在特定频率范围内，传播的电磁波受到构造干涉的影响，使得波在传播过程中的相位叠加产生稳定的传输或反射特性。本发明通过优化缝隙的尺寸和结构，以确保对于不同角度的入射电磁波，仍能够有效地与频率选择表面相互作用，保持所需的传输特性。

同理，当电磁波与耶鲁撒冷十字相互作用时，特定频率的波长与结构的周期性匹配，导致波的传播和反射受到干扰。通过调整十字臂的几何参数，可以实现对特定角度的高效传输，而在其他角度上可能表现出较强的反射或衰减。本发明中的耶路撒冷十字通过优化缝隙的尺寸和结构能够使各个角度达到单角度传输的效果。

下面采用下表2所示的仿真参数对本发明提出的ASS/FSS结构在TE模式下6.8GHz处的角度稳定性进行仿真。

表2ASS/FSS结构在TE模式下6.8GHz处的角度稳定性仿真参数

请参见图4，图4是本发明实施例提供的在TE极化模式下在6.8GHz处0°～80°全通带的滤波性能仿真图。从图4中的传输系数曲线(S21)可以看出，本实验的第一谐振频率为6.8GHz，入射角度为0度～80度时，回波损耗均在-0.2dB以上，传输效率极大程度接近1。换句话说，本实验实例可以在6.8GHz处，在0～80范围内对所有角度均进行完美传输。

进一步的，请参见图5-9，图5-9分别是入射角度从10°～70°以20°为间隔，不同角度的传输参数仿真结果。其中，图5是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在25.22GHz处0°单角度通带的滤波性能仿真图；图6是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在30GHz处10°单角度通带的滤波性能仿真图；图7是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在24.27GHz处30°单角度通带的滤波性能仿真图；图8是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在26.45GHz处50°单角度通带的滤波性能仿真图；

图9是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下在25.8GHz处70°单角度通带的滤波性能仿真图。从传输系数曲线(S21)可以看出，本实验的第一谐振频率为6.8GHz。入射角度为0°时，第二谐振频率为25.22GHz，回波损耗为-0.29dB；入射角度为10°时，第二谐振频率为30GHz，回波损耗为-0.71dB；入射角度为30°时，第二谐振频率为24.27GHz，回波损耗为-1.49dB；入射角度为50°时，第二谐振频率为26.45GHz，回波损耗为-0.52dB；入射角度为70°时，第二谐振频率为25.8GHz，回波损耗为-0.73dB。

进一步的，对本发明提供的ASS/FSS结构在TE模式下第二频段的角度稳定性进行仿真，其参数设置如下表3所示。

表3ASS/FSS结构在TE模式下第二频段的角度稳定性仿真参数

请参见图10，图10是本发明实施例提供的表面结构在TE极化模式下的角度性能仿真图；该图以入射角度为横轴的传输参数曲线，以角度为横轴更为直观地展现了单个角度下的传输参数，不同传输参数在表2、表3中均有详细列出。

综合图4～图10可以看出，在TE模式，此结构第一谐振频率处于C波段，能够在6.8GHz处实现0°～80°的全角度传输；第二谐振频率分别处于K波段、Ku波段，能够在0°～70°的入射角范围内进行角度选择。由此，验证了本发明的有效性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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。