一种频选装置及电子系统的制作方法

1.本实用新型属于无线通信技术领域，尤其涉及一种频选装置及电子系统。


背景技术：

2.由于频率选择结构具有独特的电性能，使其不仅在卫星通信领域得到广泛应用，且在飞行器隐身方面也扮演这重要的角色。
3.大多数频选结构只具有单一功能，如吸波、透波、截止等特性。频选结构通常利用连续的金属膜阻碍入射电磁波的透过，在工作频带内实现完美的吸波性能。但由于金属膜的存在，在非共振频率处频选结构的雷达散射界面会大幅度增加，限制了其在隐身领域中的应用。同时，由于金属膜的存在，频选结构无法实现吸波特性与透波、截止等特性的集成，限制了在雷达罩领域的应用。
4.频选结构的吸波机理主要是基于阻抗匹配原理，通过调控频选结构的电谐振与磁谐振单元，使其阻抗与自由空间匹配，即入射到频选结构表面的电磁波不发生反射，能够最大限度地进入到频选结构内部，进入到频选结构内部的电磁波迅速地被介质基板、电阻元件等消耗掉，实现完美吸收。但是此方法大多只能实现吸波特性，同时难以兼容其它频带的透波、截止特性。


技术实现要素：

5.本技术主要解决的技术问题是提供了一种频选装置，可以实现宽频带的频选特性。
6.为解决上述技术问题，本技术提供了一种频选装置，包括：第一介质层、第二介质层和隔离层；其中，上述第一介质层的表面设有第一金属环和第二金属环，且第二金属环围绕上述第一金属环设置，上述第二介质层设有吸波电路，上述隔离层设于上述第一介质层和上述第二介质层之间，用于配合上述第一介质层和上述第二介质层实现宽频带电磁波的频率选择。
7.优选地，上述第一金属环和上述第二金属环为轴对称图形，且上述第一金属环和上述第二金属环的对称轴同轴设置。
8.优选地，上述第一金属环的形状和上述第二金属环的形状均为矩形，且上述第二金属环的四条侧边均设有朝向上述第一金属环的方向的凹陷部。
9.优选地，上述第二金属环的四条侧边的凹陷部的尺寸相等，且基于上述第二金属环的对称轴呈对称设置。
10.优选地，上述凹陷部设置于上述第二金属环的每条侧边的中间位置，且每条侧边上的凹陷部均基于该侧边的中点对称。
11.优选地，上述吸波电路包括四个rlc电路和多个带状线，其中两个rlc电路通过上述带状线连接，以使上述四个rlc电路并联设置。
12.优选地，上述多个带状线呈交叉设置。
13.优选地，上述第一介质层的面积、第二介质层的面积和上述隔离层的面积相等。
14.优选地，上述第一介质层和上述第二介质层均为fr4板材，上述隔离层为泡沫材料。
15.为解决上述技术问题，本技术还提供一种电子系统，包括上述任一项所述的频选装置。
16.本技术的有益效果是：通过在第一介质层的表面设有第一金属环和第二金属环，且第二金属环围绕上述第一金属环设置，使得第一介质层上的双金属环可以形成多阻带滤波器，进而实现电磁波经第一介质层传播时在低频和高频区域的高截止特性；同时通过在第二介质层上设置吸波电路，进一步使得电磁波经第二介质层传播时低频区域产生吸波特性、在高频区域实现高截止特性，进而使得经本技术频选结构传播的电磁波同时具有低频吸波、中频透波、高频截止的特性。
附图说明
17.图1是本技术频选装置一实施方式的结构侧视图；
18.图2是如图1所示频选装置的结构正视图；
19.图3是本技术第一介质层的s参数仿真结果图；
20.图4是如图1所示频选装置的结构后视图；
21.图5是本技术第二介质层的s参数仿真结果图；
22.图6是本技术频选装置的s参数仿真结果图；
23.图7是本技术频选装置吸波率和透波率的仿真结果图；
24.图8是本技术频选装置在不同极化方向电磁波激励下的s参数仿真结果图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本技术作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本技术，但不对本技术的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本技术的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.请参阅图1，图1是本技术频选装置一实施方式的侧视图。
28.如图1所示，本实施方式中频选装置10包括第一介质层11、隔离层13和第二介质层12。其中，第一介质层11的表面设有第一金属环110和第二金属环120，且第二金属环120围绕第一金属环110设置，第二介质层12设有吸波电路210，隔离层13设于第一介质层11和第二介质层12之间，用于配合第一介质层11和第二介质层12实现宽频带电磁波的频率选择。
29.如图1所示，沿频选装置10厚度方向上，由上至下依次为第一介质层11、隔离层13和第二介质层12，三者之间固定连接，例如可以是通过胶膜高温固化连接。
30.请参阅图2，图2是如图1所示频选装置的结构正视图。如图2所示，第一介质层11的表面设有第一金属环110和第二金属环120，第一金属环110的面积小于第二金属环120的面积，且设于第二金属环120的内部，使得第一金属环110和第二金属环120形成环状结构设置，进而使得第一金属环110和第二金属环120的环状金属结构具有较好的频率稳定性。
31.当低频电磁波到达第一介质层11时，由于第二金属环120的截止特性，电磁波无法穿过第一介质层11的表面金属层，导致透波系数很小，因此使得低频电磁波无法穿过整个频选装置10。且由于第一金属环110和第二金属环120组成的金属结构的频选特性，使得第一介质层11在低频和高频区域呈现截止特性，中间频段区域呈现透波特性。
32.进一步地，第二介质层12设有吸波电路210，吸波电路210可以设置为电磁波低频区域产生吸波特性，在高频区域具有高截止特性，以使得透射至第二介质层12的电磁波中中频电磁波可以大量透射，实现频选装置10宽频带的频选特性。
33.频选装置10的厚度对频选装置10的吸波频带位置和吸波带宽均有影响。频选装置10的厚度取值偏大或者偏小都会导致吸波带宽和带内吸收率变差，通过仿真测试结果验证，本实施例中频选装置10可以采用18mm*18mm*16.25mm的尺寸和厚度。
34.进一步地，隔离层13可以使得第一介质层11和第二介质层12之间保持一定的间距，在电磁波射入频选装置10时，隔离层13形成的间距配合第一金属环110、第二金属环120以及吸波电路210实现宽频带的频选特性。
35.具体地，由于第一介质层11和第二介质层12尺寸一般比较固定，而隔离层13的厚度在实际仿真测试过程中能够根据不同的需求进行调整，从而增加了设计灵活性。
36.进一步地，第一金属环110和第二金属环120可以设置为轴对称图形，且第一金属环110和第二金属环120的对称轴同轴设置。
37.频率选择表面是一般由金属谐振单元以一维或者二维阵列排列的周期性阵列结构，以形成空间滤波的效果。具体地，可以设置第一金属环110和第二金属环120的材质为铜，并可以设置第一金属环110和第二金属环120的厚度满足正常的加工需求和大于电磁波的趋肤深度。
38.进一步地，可以设置第一金属环110和第二金属环120均为轴对称图形，例如是矩形、圆形、六边形、三角形等，且设置第一金属环110和第二金属环120的对称轴同轴设置，可以使得由本实施方式中的频选装置10周期性排列所形成的频率选择表面中，金属谐振单元之间的间距均匀分布，以改善空间滤波的效果。
39.进一步地，第一金属环110的形状和第二金属环120的形状均为矩形，且第二金属环120的四条侧边均设有朝向第一金属环110的方向的凹陷部121。
40.如图2所示，第一金属环110和第二金属环120的外部轮廓均为方环形。方环形单元形式简单且谐振带宽比较宽，且具有较好的入射角度稳定性。
41.进一步地，第一金属环110和第二金属环120的长度变化会直接影响谐振频率，减小其长度会带来谐振频率的升高，可以通过具体地应用需求调整第一金属环110和第二金属环120的尺寸以实现频选装置10所需要的谐振频率。
42.进一步地，在频率选择表面的设计和应用中，单元尺寸的小型化是一个非常重要
的特性，因为小型化的频选装置10可以使得频选装置10的谐振频率远离自由空间栅瓣或介质表面波，改善频选装置10的频率响应对于入射角度的稳定性，在有限大尺寸的应用中可以减小因单元形状扭曲而带来的传输特性的恶化，还可以提高斜入射时的角度稳定性。
43.第一介质层11中第一金属环110和第二金属环120的小型化通常可以通过集总器件加载或者曲折形频选结构来实现，由于加载集总器件数量的巨大，使得频选结构的成本较高，加工安装也不方便，而曲折形可以直接利用平面印刷电路技术实现小型化，因此本实施方式采用弯曲第二金属环120也即在第二金属环120的四条侧标设置朝向第一金属环110的方向的凹陷部121以实现第一金属环110和第二金属环120所形成的频率选择结构的小型化。
44.进一步地，第二金属环120的四条侧边的凹陷部121的尺寸相等，且基于第二金属环120的对称轴呈对称设置。且凹陷部121设置于第二金属环120的每条侧边的中间位置，且每条侧边上的凹陷部121均基于该侧边的中点对称。
45.可以将第二金属环120的四条侧边进行弯折，如图2所示，在第二金属环120的四个对角构成类似分形的环形金属环结构。上述弯折使得经过弯折的第二金属环120电感值增大，实现结构小型化的设计。
46.进一步地，第二金属环120的所有侧边上的凹陷部121的尺寸相等，并且第二金属环120的相对两个侧边的凹陷部121关于第二金属环120的对称轴对称。且每条侧边上的凹陷部121均位于该侧边的中间位置并关于该侧边的中点对称，使得第一金属环110和弯折后的第二金属环120均为旋转对称结构，这种对称设计可以获得更好的电磁波斜入射时的角度稳定性。
47.在吸波频带内如果不能有效地吸收出现在所有方向的散射波，包括镜面反射和栅瓣散射，就会影响其吸波效果，而可能的后向栅瓣散射也会造成散射面积增加。而考虑到小型化设计及实现栅瓣抑制的效果，本实施方式中采用内弯曲第二金属环120形成凹陷部121，凹陷部121可以增大第二金属环120的等效电感，紧凑的间距增大了频选装置10的耦合电容，可以使频选装置10谐振在较低频率进而实现频选装置10的小型化，同时实现抑制栅瓣产生的效果。
48.进一步地，第一金属环110和第二金属环120形成的金属双环结构可以产生多谐振效应，对3-9ghz宽带范围内的电磁波方环上都能产生较强的感应电流。
49.具体地，请参参阅图3，图3是本技术第一介质层的s参数仿真结果图。如图3所示，第一介质层11中的第一金属环110和第二金属环120所形成的频率选择结构在6.0ghz～8.5ghz频段范围内，回波损耗(s11)小于-10db，即产生2.5ghz宽通带；第一金属环110和第二金属环120可以产生宽带的高频传波禁带，在4ghz附近产生高截止特性，对于传输零点4.0ghz，其插入损耗已达到-30db以下；在高频11.4ghz-12.8ghz频率内，回波损耗s11小于-10db。
50.进一步地，吸波电路210包括四个rlc电路211和多个带状线212，其中两个rlc电路211通过带状线212连接，以使四个rlc电路211并联设置。且多个带状线212呈交叉设置。
51.在本实施方式中，带状线212可以选择使用铜质材料，lc电路可以均选择并联lc电路，可以设置为由集总器件构成。并联lc电路一方面可以实现带通频率选择，且与串联lc电路相比，并联lc电路除了lc并联部分的电路以外，其他部分的阻抗变化几乎对能量消耗没
有影响，因此稳定性更好。
52.请参阅图4，图4是如图1所示频选装置的结构后视图。如图1所示，吸波电路210呈十字形设置，包括四个并联rlc电路211，且四个并联rlc电路211分别设于十字形状的四条边上。
53.具体地，吸波电路210中四个并联rlc电路211分为两组，每组包括两个并联rlc电路211，且每组的两个并联rlc电路211通过带状线进行串联，形成串联电路。
54.进一步地，两个串联电路在射入的电磁波是低频时，电感短路，所以输出电磁波比较少，实现低频吸波特性。而在射入的电磁波是高频时，电容短路，所以输出的电磁波也比较少，实现高频截止特性。
55.进一步地，采用十字交叉的方式放置两个串联吸波电路，使得四个并联rlc电路211设置在十字的四条边上，并关于十字的中心旋转对称。进一步地，可以将十字的中心设置第二介质层12的中心处，以实现四个并联rlc电路211关于第二介质层12的中心旋转对称。在保持该频选装置10的尺寸不变的情况下，可以通过上述方式使得由本实施方式中的频选装置10周期性排列组成的频率选择表面具有无极化的特性，即对垂直入射的te/tm波都具有相同的频率响应。
56.具体地，请参阅图5，图5是本技术第二介质层的s参数仿真结果图。如图5所示，第二介质层12中的吸波电路210基于串联的并联rlc电路产生低频吸波，同时在11ghz附近产生高截止特性，且在0ghz～10.3ghz频段范围内，回波损耗(s11)小于-6.5db；在11.7ghz～16ghz频段范围内，回波损耗(s11)小于-10db；同时，在4.4ghz频率产生一个吸收带，对应的回波损耗为6.5db、插入损耗为5.5db。
57.进一步地，可以设置第一介质层11和第二介质层12均为fr4板材，隔离层13为泡沫材料。
58.fr4板材具有较高的强度、且具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，可以使得频选装置10应用于更多的场景。
59.隔离层13可以选择介电常数接近于空气(约等于1)且强度较高的pmi泡沫，隔离层13的介电性能近似于空气，能够有效地拓宽吸波带宽。
60.具体地，请参与图6和图7，图6是本技术频选装置的s参数仿真结果图，图7是本技术频选装置吸波率和透波率的仿真结果图。如图6和图7所示，本技术频选装置10在4.0ghz频段附近，回波损耗(s11)和插入损耗(s11)均小于-10db，产生一个1.8ghz吸波频带，其吸收率达到90％以上；在6.1ghz-8.1ghz频率范围内，该结构具有一个高传波区域，透波率在80％以上。在10.8ghz-12.8ghz频率范围内，s11小于-10db，形成一个2ghz的传输禁带。
61.综上所述，本技术通过设置频选装置10的第一介质层11、隔离层13、第二介质层12的三层夹心结构，且设置第一介质层11上的第一金属环110为方形，第二金属环120为环绕第一金属环110的弯折方形，不仅能够实现第一介质层11中的频率选择结构的小型化，也能够使该频率选择结构具有低频电磁波高吸收和高频电磁波的截止特性；同时设置第二介质层12中的吸波电路210具有低频吸波和高频的高截止特性，并设置吸波电路210中的rlc电路呈中心旋转对称，使得本技术频选装置10周期性排列组成的频率选择表面具有无极化的特性。结合吸波电路210、第一金属环110和第二金属环120的结构设置，由于电磁特性的叠
加效应，频选装置10在低频区域具有高吸波特性，中间频带具有高透波特性，高频区域具有高截止特性，且在高频区域实现多个截止零点，产生很宽的截止带宽。
62.具体地，请参阅图8，图8是本技术频选装置在不同极化方向电磁波激励下的s参数仿真结果图。如图8所示，频选装置10在三种极化角度(0
°
、45
°
、90
°
)下，整个结构的s参数仿真曲线几乎是重合的，该频选结构具有完美的旋转对称性。
63.进一步地，为解决上述技术问题，本技术进一步提供了一种电子系统，包括上述频选装置10。
64.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。