專利名稱：一種基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成 的基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面，可以作為頻段多工 器，廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、武器平臺(tái)的雷達(dá)等無線通信系統(tǒng)應(yīng)用場合。
技術(shù)背景頻率選擇表面(FSS)在工程應(yīng)用中十分廣泛。FSS對電磁波的透射和 反射具有良好的選擇性，對于其通帶內(nèi)的電磁波呈現(xiàn)全通特性，而對其阻 帶內(nèi)的電磁波則呈全反射特性，具有空間濾波功能。在微波領(lǐng)域中，F(xiàn)SS 可用于通訊衛(wèi)星系統(tǒng)的頻段多工器，利用多饋源配置來擴(kuò)大通訊容量。另 一個(gè)主要用途是制作天線罩，用于航空航天中雷達(dá)天線的屏蔽與隱身。還 可以作為單片集成插入物來制作高性能的波導(dǎo)濾波器。FSS的主要性能是 頻率選擇特性，對于激勵(lì)源的入射方向及極化的敏感程度以及帶寬的穩(wěn)定 性。以往多頻帶FSS多是由在同一平面或者多層平面內(nèi)不同諧振長度的縫 隙或者貼片構(gòu)成，近來還有用分形幾何結(jié)構(gòu)，或是用優(yōu)化算法得到任意無 規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但是這些實(shí)現(xiàn)方法都有不同程度的缺陷如選擇特性 不好，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜難于設(shè)計(jì)，制造成本高昂，或幾何結(jié)構(gòu)不能對應(yīng)明確 的物理意義，從而無法進(jìn)行快速有效的設(shè)計(jì)。特別是對于窄頻帶間隔的多 通帶應(yīng)用場合傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的基于相鄰 單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面，這種頻率選擇表面在工作頻段對 于變角度入射性能穩(wěn)定性好，兩個(gè)通帶的選擇特性大大提高，易于實(shí)現(xiàn)很 窄頻率間隔的多通帶。其幾何結(jié)構(gòu)對應(yīng)的物理意義明確，使得易于設(shè)計(jì)， 而且結(jié)構(gòu)簡單易于加工，成本低。本實(shí)用新型的基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面包括介質(zhì)基片，介質(zhì)基片的兩面鍍有金屬層，分別是上金屬層和下金屬層；貫穿 上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層周期性地開有多組通孔，通孔內(nèi)壁鍍金屬 層，形成金屬化通孔；每組金屬化通孔排列為兩個(gè)相鄰的正方形，分別構(gòu)成高頻基片集成波導(dǎo)腔體和低頻基片集成波導(dǎo)腔體，高頻基片集成波導(dǎo)腔體的邊長小于低頻基片集成波導(dǎo)腔體的邊長；高頻基片集成波導(dǎo)腔體中心 點(diǎn)和低頻基片集成波導(dǎo)腔體中心點(diǎn)的連線與高頻基片集成波導(dǎo)腔體以及低 頻基片集成波導(dǎo)腔體對應(yīng)的邊平行。對應(yīng)高頻基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)的上、下金屬層分別對應(yīng)蝕刻有完 全相同的兩個(gè)正方環(huán)形的高頻縫隙，高頻縫隙與高頻基片集成波導(dǎo)腔體的 中心重合、四邊分別平行；對應(yīng)低頻基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)的上、下金 屬層分別對應(yīng)蝕刻有完全相同的兩個(gè)正方環(huán)形的低頻縫隙，低頻縫隙與低 頻基片集成波導(dǎo)腔體的中心重合、四邊分別平行；高頻縫隙的邊長小于低 頻縫隙的邊長。對應(yīng)的一個(gè)高頻基片集成波導(dǎo)腔體、高頻縫隙、低頻基片集成波導(dǎo)腔 體、低頻縫隙組成頻率選擇表面的一個(gè)周期單元，多個(gè)周期單元順序排 列，構(gòu)成周期單元的矩形網(wǎng)格陣列。本實(shí)用新型的基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面是在普 通的介質(zhì)基片上通過采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)制造等效于傳統(tǒng)閉合金屬腔的 腔體結(jié)構(gòu)，從而引入腔體的高品質(zhì)因素諧振來提高頻率選擇表面的頻率選 擇特性，增強(qiáng)它對于激勵(lì)源的入射角度和極化的不敏感性以及各種環(huán)境下 的帶寬穩(wěn)定性。其次在相鄰單元利用基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表 面具有雙模諧振的特性，可以分別調(diào)節(jié)每個(gè)通帶的位置，帶寬和選擇特 性。在結(jié)構(gòu)上，基片為具有雙面金屬層的介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片上相鄰周 期間隔范圍內(nèi)以均勻的間隔設(shè)有多組金屬化通孔，形成大小不同的相鄰高 頻、低頻正方形基片集成波導(dǎo)腔體。在高頻、低頻腔體內(nèi)的上下金屬層蝕 刻相同的高頻、低頻正方環(huán)形縫隙。具體工作原理平面波入射到三頻段頻率選擇表面后，低通帶頻率內(nèi)的電磁波通過周期性的低頻正方環(huán)形縫隙耦合到低頻腔體中，并在低頻腔 體中兩種不同諧振模式相互作用后通過另一個(gè)表面的低頻正方環(huán)形縫隙耦合到空間。高通帶頻率內(nèi)的電磁波則通過周期性的高頻正方環(huán)形縫隙耦合 到高頻腔體中，并通過高頻腔體中兩種不同諧振模式相互作用后通過另一 個(gè)表面的高頻正方環(huán)形縫隙耦合到空間。在兩個(gè)通帶之間的阻帶頻率內(nèi)的 電磁波則完全被發(fā)射回去。這樣就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通帶一個(gè)阻帶的高選擇性傳 輸。有益效果基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的基于相鄰單元微擾的三頻段 高性能頻率選擇表面具有以下優(yōu)點(diǎn)a. 這種新型三頻段頻率選擇表面與以往的三頻段頻率選擇表面相比， 由于采用了基片集成波導(dǎo)腔體技術(shù)，在兩個(gè)通帶內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了單邊陡降特性 的濾波，阻帶內(nèi)能量完全反射，選擇性能顯著改善。并且每個(gè)通帶完全由 其中一類周期性單元控制，這樣每類單元可以分別設(shè)計(jì)，且?guī)缀螀?shù)對應(yīng) 明確的物理意義， 一些改進(jìn)的解析公式可以用于加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。b. 這種新型三頻段頻率選擇表面性能穩(wěn)定，在工作頻段的插入損耗 小，選擇性高。而且它的高選擇性和帶寬穩(wěn)定性不隨入射波的入射角度的 變化而變化。C.這種新型三頻段頻率選擇表面結(jié)構(gòu)簡單，全部結(jié)構(gòu)在普通上下表面 覆有金屬層的介質(zhì)基片上就可以實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中只需要調(diào)節(jié)一組周期 性單元里面的兩個(gè)正方環(huán)型縫隙的形狀和尺寸，以及金屬通孔及其構(gòu)成兩 個(gè)腔體的尺寸和周期性的大小就可以得到所需要的性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)少，大 大節(jié)省設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)間。d.這種新型三頻段頻率選擇表面制造簡單方便，用普通的PCB制造 工藝就可以實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低廉。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型一實(shí)施例在電場方向平行周期單元窄邊的TE波以 不同角度入射時(shí)傳輸響應(yīng)的測試結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
如圖l和2所示，基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面包 括厚度為1.0毫米R(shí)ogers5880介質(zhì)基片7，介質(zhì)基片7的兩面鍍有金屬 層，分別是上金屬層6和下金屬層8。貫穿上金屬層6、介質(zhì)基片7和下 金屬層8周期性地開有直徑為0.8毫米的多組通孔，通孔內(nèi)壁鍍金屬層， 形成金屬化通孔3。每組金屬化通孔3排列為兩個(gè)相鄰的正方形，分別構(gòu) 成邊長為19.1毫米的高頻基片集成波導(dǎo)腔體2和邊長為23.3毫米的低頻 基片集成波導(dǎo)腔體5，基片集成波導(dǎo)腔體各邊上的金屬化通孔3的孔間距 相同，均為1.2毫米。對應(yīng)高頻基片集成波導(dǎo)腔體2區(qū)域內(nèi)的上、下金屬 層分別蝕刻有寬度為1毫米邊長為6.35毫米的正方環(huán)形的高頻縫隙1，高 頻縫隙l與高頻基片集成波導(dǎo)腔體2的中心重合、四邊分別平行；對應(yīng)低 頻基片集成波導(dǎo)腔體4區(qū)域內(nèi)的上、下金屬層分別蝕刻有寬度為l毫米邊 長為8.05毫米的正方環(huán)形的低頻縫隙5，低頻縫隙5與低頻基片集成波導(dǎo) 腔體4的中心重合、四邊分別平行；高頻基片集成波導(dǎo)腔體2中心點(diǎn)和低 頻基片集成波導(dǎo)腔體5中心點(diǎn)的連線與高頻基片集成波導(dǎo)腔體2以及低頻 基片集成波導(dǎo)腔體5對應(yīng)的邊平行。對應(yīng)的一個(gè)高頻基片集成波導(dǎo)腔體 2、高頻縫隙l、低頻基片集成波導(dǎo)腔體5、低頻縫隙4組成頻率選擇表面 的一個(gè)長度為48.6毫米寬度為24.3毫米的周期單元，多個(gè)周期單元順序 排列，構(gòu)成周期單元矩形網(wǎng)格陣列。該基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面的具體制造過程 為首先在選取對應(yīng)參數(shù)的基片，貫穿整個(gè)基片周期性地開有多組金屬化 通孔構(gòu)成一組大小不同的兩個(gè)相鄰高頻、低頻正方形基片集成波導(dǎo)腔體。 在低頻腔體區(qū)域內(nèi)的上下金屬層蝕刻相同的低頻正方環(huán)形縫隙，在高頻腔 體區(qū)域內(nèi)的上下金屬層蝕刻相同的高頻正方環(huán)形縫隙。低頻正方形腔體和 高頻正方環(huán)形縫隙與低頻正方形腔體和低頻正方環(huán)形縫隙構(gòu)成一個(gè)周期單元，多個(gè)周期單元順序排列，構(gòu)成周期單元矩形網(wǎng)格陣列的頻率選擇表 面。這種頻率選擇表面結(jié)合了傳統(tǒng)周期性結(jié)構(gòu)縫隙諧振特性和金屬腔體結(jié) 構(gòu)的腔體諧振特性，具有很高的頻率選擇特性。選擇合適的高頻、低頻正 方環(huán)形縫隙和高頻、低頻基片集成波導(dǎo)腔體的尺寸，可以方便地調(diào)節(jié)兩個(gè) 通帶的位置以及通帶間的間隔，從而形成具有高選擇特性的三頻段頻率選 擇表面。整個(gè)頻率選擇表面完全由普通的PCB工藝實(shí)現(xiàn)，制作簡單，成 本低廉。圖3為該頻率選擇表面在電場方向平行周期單元窄邊的TE波以不同角度入射時(shí)傳輸響應(yīng)的測試結(jié)果，從圖中可以看出這種新型的頻率選擇表 面在平面波以不同角度入射時(shí)性能穩(wěn)定，選擇性好。
權(quán)利要求1、一種基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面，包括介質(zhì)基片，其特征在于介質(zhì)基片的兩面鍍有金屬層，分別是上金屬層和下金屬層；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層周期性地開有多組金屬化通孔；每組金屬化通孔排列為兩個(gè)相鄰的正方形，分別構(gòu)成高頻基片集成波導(dǎo)腔體和低頻基片集成波導(dǎo)腔體，高頻基片集成波導(dǎo)腔體的邊長小于低頻基片集成波導(dǎo)腔體的邊長；高頻基片集成波導(dǎo)腔體中心點(diǎn)和低頻基片集成波導(dǎo)腔體中心點(diǎn)的連線與高頻基片集成波導(dǎo)腔體以及低頻基片集成波導(dǎo)腔體對應(yīng)的邊平行；對應(yīng)高頻基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)的上、下金屬層分別對應(yīng)蝕刻有完全相同的兩個(gè)正方環(huán)形的高頻縫隙，高頻縫隙與高頻基片集成波導(dǎo)腔體的中心重合、四邊分別平行；對應(yīng)低頻基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)的上、下金屬層分別對應(yīng)蝕刻有完全相同的兩個(gè)正方環(huán)形的低頻縫隙，低頻縫隙與低頻基片集成波導(dǎo)腔體的中心重合、四邊分別平行；高頻縫隙的邊長小于低頻縫隙的邊長；對應(yīng)的一個(gè)高頻基片集成波導(dǎo)腔體、高頻縫隙、低頻基片集成波導(dǎo)腔體、低頻縫隙組成頻率選擇表面的一個(gè)周期單元，多個(gè)周期單元順序排列，構(gòu)成周期單元的矩形網(wǎng)格陣列。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于相鄰單元微擾的三頻段高性能頻率選擇表面。傳統(tǒng)頻率選擇表面選擇性低、性能穩(wěn)定性差、體積大。本實(shí)用新型在介質(zhì)基片的兩面鍍有金屬層，貫穿整個(gè)介質(zhì)基片開有排列為多組不同大小正方形的金屬化通孔，形成多組相鄰高頻、低頻基片集成波導(dǎo)腔體。對應(yīng)腔體內(nèi)的上、下金屬層蝕刻相同的高頻、低頻正方環(huán)形縫隙。本實(shí)用新型由于引入了腔體諧振模式，實(shí)現(xiàn)了通帶的單邊陡降特性，大大提高了通帶的選擇特性，同時(shí)可以很方便的實(shí)現(xiàn)具有超窄頻率間隔的多通帶頻率選擇表面，而且其性能對于入射波的角度和極化性的穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)H01P1/20GK201117774SQ200720191629
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者孫玲玲, 羅國清 申請人:杭州電子科技大學(xué)