一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面和設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面和設(shè)計方法，該方法為：步驟1：根據(jù)頻率選擇表面工作頻段需求，選擇低損耗及合適介電常數(shù)的介質(zhì)材料設(shè)計介質(zhì)諧振器的形狀、尺寸；然后，通過電磁場全波仿真軟件觀察介質(zhì)諧振器陣列構(gòu)成的FSS的電磁波傳播特性；步驟2：根據(jù)仿真所得S參數(shù)反演出該頻率選擇表面的等效電磁參數(shù)，判斷磁偶極子、電偶極子、四偶極矩的頻譜位置；然后微調(diào)介質(zhì)柱尺寸來調(diào)節(jié)偶極子諧振位置，使其帶阻頻段符合設(shè)計要求；步驟3：將該頻率選擇表面的所有介質(zhì)柱從中間分裂成兩層，仿真、計算其工作頻段的帶通特性，確定兩層介質(zhì)柱陣列的間距；步驟4：根據(jù)步驟3所得結(jié)果，加工、制作兩層相同介質(zhì)柱陣列，并用機械裝置對接相連。
【專利說明】一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面和設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有開關(guān)特性的全介質(zhì)微波、毫米波頻率選擇表面，屬于光電技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 頻率選擇表面（即：Frequency Selective Surface -FSS)通常是一種具有頻率 選擇特性的二維周期結(jié)構(gòu)，相當于一個空間濾波器，廣泛應(yīng)用于飛行器雷達罩以縮減雷達 散射截面（RCS)，在微波通信及電磁防護等領(lǐng)域也有重要作用。
[0003] 傳統(tǒng)的頻率選擇表面一般由周期排列的金屬貼片單元或?qū)щ娊饘倨辽现芷谂帕?的開孔單元構(gòu)成，這種表面結(jié)構(gòu)利用金屬結(jié)構(gòu)的諧振來實現(xiàn)特定頻段的全反射（帶阻型 FSS)或全透射（帶通型FSS)特性。其缺點是：工作頻帶窄（如要獲得寬頻帶，則需要布置 多種諧振特性的單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計相當復雜），在高功率電磁波照射下金屬部分易產(chǎn)生電弧， 而且金屬部分容易腐蝕。例如，申請?zhí)枮?01310088138,名稱為"基于分形結(jié)構(gòu)的寬頻帶亞 毫米波頻率選擇表面"的專利文件，公開了一種基于分形結(jié)構(gòu)的寬頻帶亞毫米波FSS，該頻 率選擇表面包括第一娃材料層、金屬層和第二娃材料層，金屬層包括有多個周期單兀，每個 周期單元的中心位置開有"十"字形的縫隙，且在縫隙內(nèi)部鑲嵌有"十"字分形金屬平板，所 述多個周期單元呈規(guī)則的陣列排布。申請?zhí)枮?01310340225,名稱為"混合單元頻率選擇 表面"的專利文件，公開了一種混合單元頻率選擇表面，該表面由導電金屬屏上周期排列的 開孔單元構(gòu)成，每個開孔單元的相鄰兩條或者四條周期邊界上設(shè)有條形孔，每個條形孔的 長邊等于條形孔開孔位置的周期邊界的長度。申請?zhí)枮?01310341419,名稱為"一種極化 性能穩(wěn)定的厚屏頻率選擇表面濾波器"，公開了一種極化性能穩(wěn)定的厚屏頻率選擇表面濾 波器，該表面包括基底金屬屏、層合介質(zhì)、Y孔單元、填充介質(zhì)；其中在基底金屬屏上，Y孔單 元先后順時針旋轉(zhuǎn)90°依次得出四個正方形排列的旋轉(zhuǎn)式Y(jié)孔組合單元；以該組合單元為 陣列源得出具有若干個等周期分布的旋轉(zhuǎn)式Y(jié)孔組合單元的基底金屬屏；然后在所有Y孔 單元的內(nèi)部放置填充介質(zhì)；最后以基底金屬屏為安裝基準，將層合介質(zhì)熱壓膠合到基底金 屬屏一端的側(cè)面上。申請?zhí)枮?01210570546,名稱為"一種具有開關(guān)功能的智能空間濾波 器"，公開了一種具有開關(guān)功能的智能空間濾波器，該濾波器包括雙層頻率選擇表面、聚合 物與固態(tài)電解質(zhì)組成的混合物夾層、導線、電壓源和開關(guān)；所述雙層頻率選擇表面包括頻率 選擇表面基底層和頻率選擇表面金屬層。
[0004] 在檢索到的上述文獻中，頻率選擇表面都是在介質(zhì)基板上印刷各種金屬結(jié)構(gòu)，或 者在導電金屬屏上進行周期排列的開孔，這類頻率選擇表面的工作原理基于金屬結(jié)構(gòu)周期 陣列的電磁諧振理論。
[0005] 現(xiàn)有頻率選擇表面都是在介質(zhì)基板上印刷各種金屬結(jié)構(gòu)，或者在導電金屬屏上進 行周期排列的開孔，主要工作機理是電磁諧振，所以其工作帶寬較窄，設(shè)計復雜；而金屬層 本身在高功率電磁波照射下容易產(chǎn)生電弧，大電流所產(chǎn)生的歐姆損耗會導致溫度升高；工 作于高頻電磁波時其表面波損耗會增加；金屬層在惡劣工作環(huán)境中還容易腐蝕。而本發(fā)明 能夠很好地解決上面的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提出了一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面，該頻率選擇表面為具 有開關(guān)特性的全介質(zhì)微波、毫米波頻率選擇表面，該頻率選擇表面是由兩層介質(zhì)柱陣列構(gòu) 成，當兩層陣列合在一起就構(gòu)成帶阻型FSS，而當兩層陣列分開則變成帶通型FSS，介質(zhì)柱 陣列為非金屬電磁諧振，工作頻帶寬，易于設(shè)計和實現(xiàn)，強電磁波輻射下也不會產(chǎn)生多少熱 量，可應(yīng)用于電磁脈沖炸彈防護。
[0007] 本發(fā)明還提供了一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面的設(shè)計方法，該方法包括如下 步驟：
[0008] 步驟1 :根據(jù)頻率選擇表面工作頻段需求，選擇低損耗及合適介電常數(shù)的介質(zhì)材 料設(shè)計介質(zhì)諧振器的形狀、尺寸；然后，通過電磁場全波仿真軟件觀察介質(zhì)諧振器陣列構(gòu)成 的FSS的電磁波傳播特性。
[0009] 步驟2 :根據(jù)仿真所得S參數(shù)反演出該頻率選擇表面的等效電磁參數(shù)，判斷磁偶極 子、電偶極子、四偶極矩的頻譜位置。然后微調(diào)介質(zhì)柱尺寸來調(diào)節(jié)偶極子諧振位置，使其帶 阻頻段符合設(shè)計要求。
[0010] 步驟3 :將該頻率選擇表面的所有介質(zhì)柱從中間分裂成兩層，仿真、計算其工作頻 段的帶通特性，確定兩層介質(zhì)柱陣列的間距。
[0011] 步驟4:根據(jù)步驟3所得結(jié)果，加工、制作兩層相同介質(zhì)柱陣列，并用機械裝置對接 相連，得到具有開關(guān)特性的全介質(zhì)頻率選擇表面。
[0012] 有益效果：
[0013] 1、本發(fā)明使用純介質(zhì)柱構(gòu)建頻率選擇表面，不存在歐姆損耗，能夠有效防護強電 磁輻射，而且不存在金屬腐蝕的問題。
[0014] 2、本發(fā)明的介質(zhì)柱在電磁波照射下同時產(chǎn)生頻譜分離的磁偶極子和電偶極子諧 振，工作頻帶很寬，而且通過設(shè)計介質(zhì)柱尺寸就可調(diào)節(jié)偶極子諧振位置，設(shè)計簡單。
[0015] 3、發(fā)明構(gòu)成簡單，只需要簡單機械操控結(jié)構(gòu)使得兩層介質(zhì)柱合在一起（帶阻 FSS)，或者分開極小的距離（帶通FSS)。設(shè)計簡單、加工方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1 (a)為TEM電磁波垂直入射介質(zhì)柱單元的示意圖。
[0017] 標識說明：d為邊長。
[0018] 圖1 (b)為由立方體介質(zhì)柱陣列構(gòu)建的FSS，電磁波沿著z軸方向垂直入射于該表 面示意圖。
[0019] 標識說明：d為邊長；p為介質(zhì)柱陣列的周期長度
[0020] 圖2 (a)為TEM電磁波垂直入射介質(zhì)柱FSS時的S參數(shù)示意圖。
[0021] 圖2(b)為根據(jù)S參數(shù)反演得到該全介質(zhì)柱FSS的等效介電常數(shù)和等效磁導率的 實部和（c)虛部示意圖。
[0022] 圖3 (a)為f = 29. 82GHz時介質(zhì)柱內(nèi)的磁偶極子示意圖。
[0023] 圖3 (b)為f = 38. 28GHz時介質(zhì)柱內(nèi)的電偶極子示意圖。
[0024] 圖3(c)為f = 41. 82GHz時介質(zhì)柱內(nèi)的磁四偶極子示意圖。
[0025] 圖4(a)邊長為d的介質(zhì)柱立方體沿z方向在中間劈裂，間隔為t的示意圖。
[0026] 圖4(b)是由劈裂的介質(zhì)柱在xy平面內(nèi)以周期p排列成兩層FSS的示意圖。
[0027] 圖4(c)為電磁波沿著z軸方向垂直入射于該表面，得到的S參數(shù)的示意圖。
[0028] 圖5(a)為根據(jù)S參數(shù)反演得到兩層介質(zhì)柱陣列構(gòu)成的FSS的等效介電常數(shù)和等 效磁導率的實部的示意圖。
[0029] 圖5(b)為根據(jù)S參數(shù)反演得到兩層介質(zhì)柱陣列構(gòu)成的FSS的等效介電常數(shù)和等 效磁導率的虛部的示意圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的作進一步說明。
[0032] 實施例一
[0033] 如圖3所示，介質(zhì)柱陣列在平面電磁波照射下會產(chǎn)生磁偶極子和電偶極子諧振， 用2000年左右發(fā)展起來的人工電磁（Metamaterial)理論來解釋，就是該介質(zhì)柱陣列等效 于單負（負磁導率或者負介電常數(shù)）電磁材料，當電磁波在這樣的材料中傳播時，其場分布 呈指數(shù)衰減，無法傳播，而介質(zhì)材料中的位移電流損耗又很低，吸收甚少，所以電磁波幾乎 被全反射。
[0034] 目前THz和微波頻段的介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)（e J可以很大，、> 1〇〇的介質(zhì) 材料也已經(jīng)能加工，這就可以使得介質(zhì)柱陣列在微波段也可以做得很薄，從而可用來制備 頻率選擇表面（FSS)。眾所周知，單個介質(zhì)諧振器的電偶極子和磁偶極子的諧振頻譜位置可 以通過改變諧振器的幾何尺寸來進行調(diào)節(jié)，若將介質(zhì)諧振器排列成二維周期陣列的表面， 其也有相似的電磁特性。所以，通過設(shè)計、調(diào)節(jié)介質(zhì)諧振單元的幾何尺寸，就可以設(shè)計FSS 的帶通或者帶阻特性。以圓柱形介質(zhì)諧振器為例，其諧振頻率可以通過數(shù)值求解式（1)的 超越方程來估算：

【權(quán)利要求】
1. 一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面，其特征在于：所述頻率選擇表面為全介質(zhì)微 波、毫米波的頻率選擇表面；所述頻率選擇表面是由兩層介質(zhì)柱陣列構(gòu)成，當兩層陣列合在 一起就構(gòu)成帶阻型FSS，而當兩層陣列分開則變成帶通型FSS。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面，其特征在于：所述的介 質(zhì)柱陣列為非金屬電磁諧振，工作頻帶寬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面，其特征在于：所述的頻 率選擇表面具有開關(guān)特性。
4. 一種具有開關(guān)特性的頻率選擇表面的設(shè)計方法，所述方法包括如下步驟： 步驟1 :根據(jù)頻率選擇表面工作頻段需求，選擇低損耗及合適介電常數(shù)的介質(zhì)材料設(shè) 計介質(zhì)諧振器的形狀、尺寸；然后，通過電磁場全波仿真軟件觀察介質(zhì)諧振器陣列構(gòu)成的 FSS的電磁波傳播特性。 步驟2 :根據(jù)仿真所得S參數(shù)反演出該頻率選擇表面的等效電磁參數(shù)，判斷磁偶極子、 電偶極子、四偶極矩的頻譜位置。然后微調(diào)介質(zhì)柱尺寸來調(diào)節(jié)偶極子諧振位置，使其帶阻頻 段符合設(shè)計要求。 步驟3 :將該頻率選擇表面的所有介質(zhì)柱從中間分裂成兩層，仿真、計算其工作頻段的 帶通特性，確定兩層介質(zhì)柱陣列的間距。 步驟4 :根據(jù)步驟3所得結(jié)果，加工、制作兩層相同介質(zhì)柱陣列，并用機械裝置對接相 連，得到具有開關(guān)特性的全介質(zhì)頻率選擇表面。
【文檔編號】H01P1/20GK104409804SQ201410725330
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】王正斌, 高超, 薛曼琳, 陳進昌 申請人:南京郵電大學