一种拼装式四频带带阻频率选择表面

1.本发明涉及一种拼装式四频带带阻频率选择表面，属于电磁场与微波技术领域。


背景技术：

2.频率选择表面(frequency selective surface，ffs)通常是由金属贴片(或金属屏上的孔径)按照一定规律排列而成的单层或多层的周期结构，被广泛应用于微波集成电路系统中。作为空间滤波器，频率选择表面能够实现带通、带阻、低通或高通的频率响应，其频率响应不仅是频率的函数，也是电磁波入射角和极化的函数。随着卫星通信、现代军事系统、高增益天线副反射器的快速发展，相应场景的应用需求不断增加，为了增加信道的容量和确保多径通信的安全性，具有多个传输或反射频带的频率选择表面备受关注。
3.近年来，很多种方法被用于多频带频率选择表面的设计，比如，在频率选择表面单元之间进行扰动设计来增加谐振频带数量；通过平面弯折操作，增加谐振单元的物理长度，产生多阶谐振模式，从而实现更多的频带；采用分形技术，借助自相似性，实现多频带滤波响应；通过将多个具有不同谐振频点的单元结构组合起来，实现多频带设计；通过上下层结构的互补设计，借助电磁耦合作用，设计多频带频率选择表面；通过多屏级联，利用不同频率选择表面屏的谐振频点不同，实现多频带性能。不过，运用以上方法设计小型化、多频带频率选择表面时，其单元结构在二维平面上的设计自由度受限。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种拼装式四频带带阻频率选择表面，用于解决现有多频带频率选择表面的单元结构在二维平面上设计自由度受限的技术问题，同时，本发明能够保证在te和tm双极化模式下，实现良好的角度稳定性能和较小的电尺寸。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.一种拼装式四频带带阻频率选择表面，由多个单元结构在二维平面方向上周期排列构成，每个所述单元结构均由内介质筒和四个拐角形介质块拼装后嵌设于外介质筒内，所述内介质筒处设置有相对于拐角形介质块向三维空间拉伸的n型弯折金属条带，且内介质筒底部设置有第一金属扇环，所述拐角形介质块的上表面设置有与n型弯折金属条带端部对应的l型弯折金属条带，且下表面设置有与第一金属扇环端部对应的第二金属扇环，所述n型弯折金属条带和l型弯折金属条带构成一个被三维拉伸的弯折金属环，所述第一金属扇环和第二金属扇环构成一个金属圆环。
7.进一步的，所述内介质筒、拐角形介质块和外介质筒的相对介电常数均为2.8。
8.进一步的，所述内介质筒顶面呈十字形，包括圆形介质筒以及四个等距分布在圆形介质筒圆周侧壁的长条形介质块，所述n型弯折金属条带位于长条形介质块的上端，所述第一金属扇环位于长条形介质块的底部。
9.进一步的，所述圆形介质筒、长条形介质块和外介质筒的高度相等，所述l型弯折
金属条带的宽度和n型弯折金属条带的宽度相等。
10.进一步的，所述拐角形介质块具有与圆形介质筒弧度半径相同的弧形内壁，且相邻拐角形介质块之间的间距与长条形介质块的宽度相等。
11.进一步的，所述外介质筒顶面呈方形，且外介质筒的长度和宽度相等。
12.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
13.本发明提出的拼装式四频带带阻频率选择表面，在单元结构设计过程中，借助“三维拉伸”设计思想，通过将二维平面上的金属方环谐振单元进行三维空间拉伸来增加金属方环的物理周长，在单元结构面积不变的情况下，大大增加了闭合环路的周长，由此产生了多阶谐振模式，形成了三个阻带，同时，在单元结构下表面的金属圆环谐振又引入一个阻带，最终实现四频带带阻频率选择表面的设计，闭合环路周长的增加也降低了单元结构的谐振频率，有利于实现频率选择表面的小型化设计，从而有效克服了单元结构在二维平面上的设计自由度受限问题。此外，本发明提出的四频带带阻频率选择表面实物可以采用三维打印技术和电镀工艺进行加工和拼装实现。
附图说明
14.图1为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面的单元结构三维示意图；
15.图2(a)为构成本发明实施例单元结构的外介质筒部件及尺寸标注示意图；
16.图2(b)为构成本发明实施例单元结构的内介质筒部件及尺寸标注示意图；
17.图2(c)为构成本发明实施例单元结构的拐角形介质块部件及尺寸标注示意图；
18.图3为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面的三维示意图；
19.图4为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在电磁波垂直入射时的传输系数和反射系数仿真结果图；
20.图5本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在电磁波垂直入射和双极化模式条件下的频率响应曲线；
21.图6(a)为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在te极化模式和不同入射角度下的传输系数仿真结果图；
22.图6(b)为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在tm极化模式和不同入射角度下的传输系数仿真结果图。
23.图中：1、外介质筒；2、内介质筒；3、拐角形介质块；21、圆形介质筒；22、长条形介质块；23、n型弯折金属条带；24、第一金属扇环；31、介质基板；32、l型弯折金属条带；33、第二金属扇环。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.实施例一：
26.一种拼装式四频带带阻频率选择表面，可以采用三维打印技术和电镀工艺进行加工和拼装而成。请参阅图1，该种拼装式四频带带阻频率选择表面是由图1所示的单元结构
在二维平面方向上周期排列构成，单元结构具有对称性，因此可以实现双极化功能。每个单元结构包括一个外介质筒1、一个内介质筒2和四个拐角形介质块3，内介质筒2顶面呈十字形，包括一个圆形介质筒21、等距分布于圆形介质筒21圆周侧壁的四个相同的长条形介质块22、位于每个长条形介质块22上的n型弯折金属条带23和第一金属扇环24。每个n型弯折金属条带23位于长条形介质块22上端，每个第一金属扇环24位于长条形介质块22底部。拐角形介质块3包括介质基板31、l型弯折金属条带32和第二金属扇环33，l型弯折金属条带32位于介质基板31的上表面，第二金属扇环33位于介质基板31的下表面。通过将一个外介质筒1、四个拐角形介质块3和一个内介质筒2从外到内进行拼装，构成图1所示的单元结构，这里需要说明的是，n型弯折金属条带23的端部与l型弯折金属条带32的端部高度及位置相互对应，四个n型弯折金属条带23和四个l型弯折金属条带32在单元结构上端构成一个被三维拉伸的弯折金属环，由此产生多阶谐振模式，形成三个阻带，第一金属扇环24的端部和第二金属扇环33的端部高度及位置相互对应，四个第一金属扇环24和四个第二金属扇环33在单元结构下表面构成一个金属圆环，由此产生另一个阻带，最终实现四频带带阻频率选择表面设计。
27.图2为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面部件及尺寸标注示意图，其中，图2(a)为外介质筒，图2(b)为内介质筒，图2(c)为拐角形介质块。外介质筒顶面呈方形，内介质筒顶面呈十字形，本实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面单元结构的设计参数为外介质筒的长度p
x
＝16mm、宽度py＝16mm、高度h＝12mm以及壁厚d＝1mm，圆形介质筒的外径r1＝4mm和内径r2＝3mm，条形介质块的厚度a＝1.5mm和宽度b＝3mm，n型弯折金属条带的宽度w＝1mm和端部离地高度t＝1mm，介质基板的外边长l＝6.25mm，介质基板的弧形内壁的弧长为4.774mm，l型弯折金属条带外边长l1＝5.25mm。圆形介质筒和长条形介质块的高度均等于外介质筒的高度，l型弯折金属条带的宽度等于n型弯折金属条带的宽度。介质基板的弧形内壁的弧度半径等于圆形介质筒的外径，介质基板的内边长等于长条形介质块的宽度，介质基板的厚度等于n型弯折金属条带端部离地高度。所涉及的内介质筒、拐角形介质块、外介质筒的相对介电常数均为2.8。第一金属扇环和第二金属扇环的内径和外径均相等，分别为5mm和6mm，第一金属扇环的内弧长和外弧长分别为1.506mm和1.504mm，第二金属扇环的内弧长和外弧长分别为6.348mm和7.921mm。
28.图3是由图1所示的单元结构在二维平面方向上周期排列构成，且仅给出了3
×
3个单元结构的排列示意图，在实际工程使用时，通常需要加工制作上百个单元结构，以确保达到良好的应用效果。
29.图4为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在电磁波垂直入射时的传输系数和反射系数仿真结果图，由图可知，本实施例的频率响应呈现为一个四频带带阻特性，分别位于f
z1
＝2.12ghz，f
z2
＝4.67ghz，f
z3
＝6.73ghz，f
z4
＝8.86ghz，其中f
z1
、f
z2
和f
z4
均由弯折金属环谐振产生，f
z3
由金属圆环谐振产生。该频率选择表面单元结构(p
x
×
py×
h)的电尺寸为0.11λ0×
0.11λ0×
0.085λ0，其中λ0为自由空间波长。
30.图5本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在电磁波垂直入射和双极化模式条件下的频率响应曲线。由图可知，在te和tm模式下的频率响应仿真曲线十分吻合，这说明了本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面具有双极化性能，主要原因在于其单元结构具有对称性。
31.图6为本发明实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面在双极化模式和不同入射角度下的传输系数仿真结果图，其中，图6(a)为te极化模式，图6(b)为tm极化模式，由图可知，在te和tm极化模式下，当电磁波以0
°
，15
°
，30
°
角度入射时，其频率响应稳定，因此，本实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面具有良好的角度稳定性。
32.本实施例在单元结构设计过程中，借助“三维拉伸”设计思想，通过将二维平面上的金属方环谐振单元进行三维空间拉伸来增加金属方环的物理周长，在单元结构面积不变的情况下，大大增加了闭合环路的周长，由此产生了多阶谐振模式，形成了三个阻带，同时，在单元结构下表面的金属圆环谐振又引入一个阻带，最终实现四频带带阻频率选择表面的设计，闭合环路周长的增加也降低了单元结构的谐振频率，有利于实现频率选择表面的小型化设计，从而有效克服了单元结构在二维平面上的设计自由度受限问题。此外，本发明实施例提出的四频带带阻频率选择表面实物可以采用三维打印技术和电镀工艺进行加工和拼装实现。相比于现有四频带带阻频率选择表面来说，本实施例提出的拼装式四频带带阻频率选择表面具有设计自由度高、双极化、良好的角度稳定性以及较小的电尺寸等优势。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。