申请/专利权人：东南大学

申请日：2019-01-11

公开（公告）日：2020-11-24

公开（公告）号：CN109755753B

主分类号：H01Q15/00(20060101)

分类号：H01Q15/00(20060101);H01Q1/42(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.24#授权;2019.06.07#实质审查的生效;2019.05.14#公开

摘要：本发明提出一种以阿基米德螺旋方程构成的频率选择表面FSS单元结构，该FSS由水平和垂直方向周期排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸的周期单元构成，频率选择表面为贴片结构时，周期单元在金属层上为mm≥2臂阿基米德螺旋结构振子型；频率选择表面为缝隙结构时，周期单元在金属层上为m臂阿基米德螺旋形缝隙结构缝隙型。阿基米德螺旋形频率选择表面基本结构，自上而下包括金属层、基板层、介质支撑层所述金属层可设置于基板层的上表面或下表面；频率选择表面或为复合结构，为上下多个基本结构的级联。本发明在L波段1‑2GHz、S波段2‑4GHz和部分C波段4‑6GHz内具有低插入损耗的带通特性以及在X波段8‑12GHz具有明显带阻特性。

主权项：1.阿基米德螺旋形频率选择表面，包括若干个周期单元，所述周期单元包括金属层；其特征在于，所述频率选择表面为贴片结构时，所述金属层为m臂阿基米德螺旋；所述频率选择表面为缝隙结构时，所述金属层中设有m臂阿基米德螺旋形缝隙；m为大于等于2的正整数；所述周期单元在水平和垂直方向周期排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸形成频率选择表面；所述周期单元为矩形或正方形，矩形的长边或正方形的边长P约为λ为阻带中心频率对应的波长。

全文数据：阿基米德螺旋形频率选择表面技术领域本发明涉及天线和微波技术领域，该阿基米德螺旋形频率选择表面是具有低插入损耗、宽频带、空间和频率滤波特性的带通或带阻滤波器。可应用于移动通信基站、雷达、电子导航等设备的天线罩中以达到抗干扰和减小雷达散射截面RCS的目的。背景技术频率选择表面FSS由二维周期排列的金属贴片单元或在导电金属屏上二维周期排列的开孔单元构成，是一种具有频率选择特性的二维周期结构。在安装有雷达传感器的各类飞行器飞机、导弹与卫星等上，都希望雷达天线罩在工作频段内实现低损耗传输，而在工作频段外像金属罩一样，与飞行器外形相赋形，从而达到低雷达散射截面RCS的目的，构成各类隐身飞行器。这种特殊的天线罩就是利用“频率选择表面”理论设计与研制的。频率选择表面是一种空间滤波器，它可作为雷达天线的帯通天线罩，也可作为无线通信双频天线的双工器，又可作为特定通带的吸波结构件等。发明内容技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种频率选择表面，振子型缝隙型能够在低频段高频段，如：L波段1-2GHz、S波段2-4GHz以及部分C波段4-8GHz具有低插入损耗、宽频带的帯通特性，在高频段低频段，如：X波段8-12GHz中具有带阻特性。技术方案：阿基米德螺旋形频率选择表面，包括若干个周期单元，所述周期单元包括金属层；所述频率选择表面为贴片结构时，所述金属层为m臂阿基米德螺旋；所述频率选择表面为缝隙结构时，所述金属层中设有m臂阿基米德螺旋形缝隙，m为大于等于2的正整数。m臂阿基米德螺旋的两个臂之间的夹角为优选的，所述周期单元在水平和垂直方向周期排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸形成频率选择表面。优选的，所述周期单元为矩形或正方形，矩形的长边或正方形的边长P约为λ为阻带中心频率对应的波长。优选的，每个阿基米德螺旋线臂的线宽Δw约为0.1λ，λ为阻带中心频率对应的波长。优选的，每个阿基米德螺旋线臂满足如下极坐标方程关系式：其中：r为线上极角处所对应的极径；r0为螺旋初始径向距离，取值范围为0＜r0＜P；为初始极角；a为螺距增长快慢的常数，取优选的，所述线上极角的取值范围为优选的，所述频率选择表面为基本结构时，周期单元自上而下包括基板层、介质层，所述金属层设置于基板层的上表面或下表面；所述频率选择表面为复合结构时，为上下多个基本结构的级联。优选的，所述周期单元还包括外蒙皮层。与平面螺旋天线中的阿基米德螺旋天线的区别是：该发明为基于阿基米德螺旋线的频率选择表面，与阿基米德螺旋天线并无直接联系，工作时并不需要馈电。有益效果：本发明提供的频率选择表面振子型可做到在L波段1-2GHz、S波段2-4GHz和部分C波段4-6GHz内具有低插入损耗的带通特性以及在X波段8-12GHz具有明显的带阻特性。附图说明图1为本发明的频率选择表面FSS基本结构，其中a为基本FSS结构的单元结构立体图；b为基本FSS结构的阵列图。2为外蒙皮层，1为“四臂阿基米德螺旋单元”的金属层，3为基板层，4为介质层；图2为本发明的频率选择表面FSS双重复合结构，其中a为双重复合FSS的单元结构的左视图；b为双重复合FSS的单元结构立体图。1、2为“四臂阿基米德螺旋单元”的金属层，3、7分别为上、下外蒙皮层，4、6分别为上、下基板层，5为介质层；图3为本发明的三重复合频率选择表面FSS结构，其中a为三重复合FSS的单元结构的左视图；b为三重复合FSS的单元结构立体图。1为“八臂阿基米德螺旋单元”的金属层，2、3为“四臂阿基米德螺旋单元”的金属层，4、10分别为上、下外蒙皮层，5、7、9为基板层，6、8为介质层；图4为周期单元排列，a为整齐分布；b为“品”字分布；图5为四臂阿基米德贴片单元；图6为四臂阿基米德缝隙单元；图7为基本FSS示意图；图8为复合FSS示意图；图9为电磁波透射系数图。具体实施方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。本发明提供的频率选择表面由水平和垂直方向周期排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸的周期单元构成，如图4所示。所述的周期单元为矩形或正方形，矩形的长边或正方形的边长P为λ为阻带中心频率对应的波长；矩形或正方形内由同阿基米德螺旋线族构成m臂阿基米德螺旋m＝2，3，4…，相邻两个臂之间的夹角为每个阿基米德螺旋线臂的线宽Δw，约为0.1λ。四臂阿基米德螺旋形频率选择表面如图5或6所示。每个臂满足如下极坐标方程关系式：其中：r为线上极角处所对应的极径；r0为螺旋初始径向距离，取值范围为0＜r0＜P；为初始极角；a为螺距增长快慢的常数，取形成的阿基米德螺旋臂的极角的取值范围一般为改变初始极角即可得到同一单元的不同“阿基米德螺旋臂”，初始极角不同的“阿基米德螺旋臂”组成一个“阿基米德螺旋单元”，如“四臂阿基米德螺旋”、“八臂阿基米德螺旋”等。频率选择表面为基本FSS结构时，基本FSS结构包含4种媒质，从上到下依次是：外蒙皮层、金属层、基板层、介质支撑层；如图7所示，其中：外蒙皮层为常用的外罩保护材料；金属层附着于基板层表面，为“阿基米德螺旋单元”频率选择表面周期结构印刷层；基板层附着于介质层表面，为常规薄层介质材料层，有易于共形的特点；介质支撑层为移动通信常用的天线罩材料。频率选择表面为复合FSS结构时，该种频率选择表面可看作多个基本FSS结构的级联，从上到下依次是：外蒙皮层、金属层、基板层、介质支撑层、……、金属层、基板层、外蒙皮层，省略号为金属层、基板层、介质支撑层的重复，并且金属层在基板层的上、下均可；如图8所示。阿基米德螺旋形频率选择表面可为贴片结构，也可为缝隙结构。当阿基米德螺旋为金属层时，此时为贴片结构，如图5所示；当阿基米德螺旋为缝隙时，此时的金属部分即变为单元中与“阿基米德螺旋”互补的部分，成为缝隙结构，如图6所示。为了使频率选择表面结构易于加工生产，通常将周期性的金属单元印刷于很薄的媒质基底材料之上。如图1b所示，正方形的单元沿水平和垂直方向周期扩展，整体排布构成一个平面图案，一个单元周围与四个单元相接，所形成的频率选择表面的大小与目标天线罩相同。本发明所述的基本FSS结构包含4层媒质：如图1a所示，2为外蒙皮层，位于最上方，相对介电常数为3.2；1为“四臂阿基米德螺旋单元”的金属层，位于蒙皮层下方，同时附着于基板上侧；3为基板层，介电常数位于4～5之间；4为最下方的支撑介质层，相对介电常数为1.1，单元周期间距P为11.00mm。本发明所述的双重复合FSS结构包含7层媒质：如图2a、b所示，3、7为最外层的蒙皮层，相对介电常数为3.2；1、2为“四臂阿基米德螺旋单元”的金属层，分别贴于基板的上、下侧，其起始内、外径相同；4、6为上、下基板层，介电常数位于4～5之间；5为中间的支撑介质层，相对介电常数为1.1，单元周期间距P为11.00mm。本发明所述的三重复合FSS结构包含10层媒质：如图3a、b所示，1为“八臂阿基米德螺旋单元”的金属层，位于蒙皮层下方，同时附着于基板上侧；2、3为“四臂阿基米德螺旋单元”的金属层，均贴于基板的上侧，其起始内、外径相同；4、10为最外层的蒙皮层，相对介电常数为3.2；5、7、9为上、中、下基板层，介电常数位于4～5之间；6、8为上、下的支撑介质层，相对介电常数为1.1，单元周期间距P为11.00mm。图9是本发明频率选择表面的电磁波透射系数图。对于基本FSS结构，其在1.00-6.10GHz内，插入损耗小于1dB，对应于通带，通带中心频率处插入损耗为0.28dB；在9.00-9.60GHz内，插入损耗大于10dB，对应于阻带，阻带中心频率处插入损耗为23.09dB。对于双重复合FSS结构，其在1.00-7.30GHz内，插入损耗小于1dB，对应于通带，通带中心频率处插入损耗为0.70dB；在8.20-10.40GHz内，插入损耗大于10dB，对应于阻带，阻带中心频率处插入损耗为12.20dB。对于三重复合FSS结构，其在1.00-6.30GHz内，插入损耗小于1dB，对应于通带，通带中心频率处插入损耗为0.73dB；在7.90-12.30GHz内，插入损耗大于10dB，对应于阻带，阻带中心频率处插入损耗为27.56dB。以上为本发明的技术实施例和技术特点，仅用于说明本发明的技术方案而非限制。然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示内容而作出对本发明的技术方案的修改和等同替换。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替代和修正，并为上述权利要求书所涵盖。

权利要求：1.阿基米德螺旋形频率选择表面，包括若干个周期单元，所述周期单元包括金属层；其特征在于，所述频率选择表面为贴片结构时，所述金属层为m臂阿基米德螺旋；所述频率选择表面为缝隙结构时，所述金属层中设有m臂阿基米德螺旋形缝隙；m为大于等于2的正整数。2.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，所述周期单元在水平和垂直方向周期排列延伸或呈“品”字型交错排列延伸形成频率选择表面。3.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，所述周期单元为矩形或正方形，矩形的长边或正方形的边长P约为λ为阻带中心频率对应的波长。4.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，每个阿基米德螺旋线臂的线宽Δw为0.1λ，λ为阻带中心频率对应的波长。5.根据权利要求3所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，每个阿基米德螺旋线臂满足如下极坐标方程关系式：其中：r为线上极角处所对应的极径；r0为螺旋初始径向距离，取值范围为0＜r0＜P；为初始极角；a为螺距增长快慢的常数，取6.根据权利要求5所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，所述线上极角的取值范围为7.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面为基本结构时，周期单元自上而下包括基板层、介质层，所述金属层设置于基板层的上表面或下表面；所述频率选择表面为复合结构时，为上下多个基本结构的级联。8.根据权利要求7所述的阿基米德螺旋形频率选择表面，其特征在于，所述周期单元还包括外蒙皮层。

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