基于SIW的大角度双边陡降的频率选择表面单元及频率选择表面

基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元及频率选择表面
技术领域
1.本发明属于频率选择表面技术领域，具体涉及一种基于siw(基片集成波导，substrate integrated waveguide)的大角度双边陡降的频率选择表面单元及频率选择表面。


背景技术：

2.频率选择表面(frequency selective surface,fss)是一种由介质基底上相同的贴片或缝隙单元按二维或三维周期性排列所构成的无限大阵列。其本质是空间滤波器，可以对不同频率、不同极化方式、不同入射角度的电磁波进行选择。基于不同单元形式，频率选择表面广泛应用于微波、毫米波和太赫兹频段，可用作天线罩、反射器、偏振器等。将fss技术应用于天线罩上，就可以使天线罩获得频率选择的功能，进行选择性透波。此外，在一些fss的应用场景中，入射波的极化方向和入射角度在较大范围内波动，因此对fss的选择特性提出较为严格的要求。
3.随着无线通信技术的发展，频谱资源日益紧张，信号干扰现象严重，具有大角度稳定性、低损耗的高性能频率选择表面显得愈来愈重要。此外，频率选择表面也须具备高频率选择特性，以增强带外信号抑制能力。而目前关于fss的研究没有对诸如带内插损、带外抑制、入射波入射角和极化方式稳定性等性能指标引起足够的重视，使其在实际工程应用中受到很大限制。
4.基于基片集成波导(substrate integrated waveguide,siw)的频率选择表面相较于传统结构，可以将矩形波导的优势加载到fss上，例如siw腔的高q值，使其具备插损小，通带平坦和频率选择特性高等特点。利用fss单元中的槽谐振和siw腔体谐振，从而使通带范围内信号顺利通过。然而，在目前现有技术中的频率选择表面往往无法实现同时具有大角度入射下稳定性和通带双边陡降特性，进而限制了其在特殊需求领域中的应用。因此，如何基于siw谐振腔实现频率选择表面的大角度入射稳定和通带双边陡降成为了本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题或不足，为解决现有技术中基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性与高频率选择性无法同时兼顾的问题，本发明提供了一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元及频率选择表面，以同时实现频率选择表面的大角度入射稳定和通带双边陡。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，所述频率选择表面单元的水平截面呈方形，其包括从上往下依次层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层；
7.所述第一金属层上刻蚀有第一六边形槽和方环缝隙，所述第一六边形槽位于方环
缝隙内且两者中心重合；
8.所述第三金属层上刻蚀有与第一金属层相同且投影重合的图形；
9.所述第二金属层上刻蚀有与第一六边形槽中心重合且边平行的第二六边形槽，所述第二六边形槽外周设置有锯齿形方环缝隙；所述锯齿形方环缝隙的外周为方形，内周为方锯齿形，中心与第二六边形槽中心重合；
10.所述方环缝隙外周设置有多个贯穿第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层的通孔，所述通孔内表面设置有金属覆层形成金属通孔，所述金属通孔的圆心连线与所述方环缝隙的边平行；
11.所述金属通孔、第一金属层、第二金属层以及第三金属层共同构成基片集成波导腔。
12.第一介质层、第二介质层的材料为f4b。
13.所述方环缝隙的边长ls满足以下关系：
[0014][0015]
其中，f0为频率选择表面中心工作频率，εr为介质基板的相对介电常数；μ0和ε0分别表示真空磁导率和真空介电常数。
[0016]
所述金属通孔为圆心位于频率选择表面单元边缘线上的半圆形。
[0017]
所述金属通孔的直径为0.6～0.8mm，相邻两孔的圆心之间距离为0.9～1.1mm。
[0018]
第一六边形槽的两条对边与方环缝隙两个对边平行，第二六边形槽的两条对边与锯齿形方环缝隙的外周的两条对边平行。
[0019]
所述第一金属层、第二金属层、以及第三金属层的厚度为0.02～0.05mm，第一介质层、第二介质层的厚度为0.8～1.5mm。
[0020]
此外，本发明还提供了一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面，包括多个权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，所述频率选择表面单元呈a
×
b的矩阵紧密排布，其中a，b为大于1的正整数。
[0021]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0022]
1、本发明提供了一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元及频率选择表面，其结构具有对称特征，使得整体具有双极化特性，而且，实验证实，在不同极化下当入射角从0
°
增大到80
°
，其中心谐振频率基本不变。该结构共产生两个传输极点和两个传输零点，具有平坦通带和双边陡降特性。
[0023]
2、本发明基于siw技术与三层级联的方式，在保证良好传输特性的同时，具有双侧陡截止和带外抑制的特性，有效抑制带外电磁波的干扰，保证了复杂环境下的高选择性。
[0024]
3、本发明结构具有简单化、制作成本低等优点，且结合siw技术的优势，易于与平面电路集成。
附图说明
[0025]
图1为本发明的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元三维结构示意图，图中阴影表示被刻蚀的部分；
[0026]
图2为本发明实施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元结构侧视
图，图中阴影表示有金属覆层的金属通孔；
[0027]
图3为本发明实施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元结构俯视图；
[0028]
图4为本发明实施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元结构第二层金属结构俯视图；
[0029]
图5为本发明实施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元的等效电路图；
[0030]
图6为本发明施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元透射系数和反射系数曲线图；
[0031]
图7为本发明施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元在te极化方式下不同入射角度的透射系数曲线图；
[0032]
图8为本发明施例的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元在tm极化方式下不同入射角度的透射系数曲线图；
[0033]
图中，1为第一金属层、2为第一介质层、3为第二金属层、4为第二介质层、5为第三金属层、6为金属通孔、11为方环缝隙、12为第一六边形槽、31为锯齿形方环缝隙、32为第二六边形槽。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
实施例一
[0036]
如图1～4所示，本发明实施例一提供了一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，所述频率选择表面单元的水平截面呈方形，其包括从上往下依次层叠的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4以及第三金属层5。
[0037]
具体地，所述第一金属层1上刻蚀有第一六边形槽12和方环缝隙11，所述第一六边形槽12位于方环缝隙11内且两者中心重合；所述第三金属层5上刻蚀有与第一金属层1相同且投影重合的图形。第一六边形槽12和方环缝隙11的刻蚀深度等于第一金属层1的厚度。
[0038]
具体地，所述第二金属层3上刻蚀有与第一六边形槽12中心重合且边平行的第二六边形槽32，所述第二六边形槽32外周刻蚀设置有锯齿形方环缝隙31；所述锯齿形方环缝隙31的外周为方形，内周为方锯齿形，中心与第二六边形槽32中心重合。第一六边形槽12和锯齿形方环缝隙31的刻蚀深度等于第二金属层3的厚度。
[0039]
具体地，所述方环缝隙11外周设置有多个贯穿第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4以及第三金属层3的通孔，所述通孔内表面设置有金属覆层形成金属通孔6，所述金属通孔6的圆心连线与所述方环缝隙11的边平行；所述金属通孔6、第一金属层1、第二金属层3以及第三金属层5共同构成基片集成波导腔。
[0040]
具体地，本实施例中，第一介质层2、第二介质层4的材料为f4b。
[0041]
具体地，本实施例中，所述方环缝隙11的边长ls满足以下关系：
[0042][0043]
其中，f0为频率选择表面单元的中心工作频率，εr为介质基板的相对介电常数；μ0和ε0分别表示真空磁导率和真空介电常数。
[0044]
本实施例中，siw腔的谐振腔模式谐振频率为：
[0045][0046]
其中，p
eff
是siw腔体的有效长度，εr为介质基板的相对介电常数；c0是自由空间中的光速。m表示tm波沿x方向的半波个数，n表示tm波沿y方向的半波个数。
[0047]
本实施例中，每个频率选择表面单元中，所述金属通孔6为圆心位于频率选择表面单元边界线上的半圆形，此时，位于四个角的金属通孔6为1/4圆形。此时，相邻的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元上的金属通孔6共同构成圆形，四个相邻单元的对应角处的四个1/4圆形金属通孔6也构成圆形。相邻的基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元之间的共用金属通孔6，使得整体结构更加简单。所述金属通孔6的直径为0.6～0.8mm，相邻两孔的圆心之间距离为0.9～1.1mm。优选地，所述金属通孔6的直径为0.7mm，相邻两孔的圆心之间距离为1mm。
[0048]
此外，本实施例中，所述金属通孔6也可以为圆形，其位于频率选择表面单元的边界线内部。
[0049]
具体地，本实施例中，第一六边形槽12的两条对边与第一方环缝隙11两个对边平行，第二六边形槽32的两条对边与锯齿形方环缝隙31的外周的两条对边平行。进一步地，第二六边形槽32的六条边与第一六边形槽12平行。
[0050]
本实施例中，所述第一金属层1、第二金属层3、以及第三金属层5的厚度为0.02～0.05mm，第一介质层2、第二介质层4的厚度为0.8～1.5mm。
[0051]
通过上述结构，对本实施例的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元的参数进行具体设置，设定中心频率为9ghz；选用的介质层2和介质层4为f4b，介电常数为2.65，损耗角正切为0.0025，厚度为1mm；第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3、第三金属覆铜层5的厚度均为0.035mm；基片集成波导腔体边长p为10mm，即单元尺寸为10mm
×
10mm；方环形缝隙11宽度为0.7mm，其内周边长为7mm，外周边长为8.4mm，锯齿形方环缝隙31无锯齿处的宽度为0.3mm，单个锯齿的长度为1mm，宽度为0.8mm，相邻两锯齿的距离为0.8mm；第一六边形槽12的半径(边长)为2.8mm；六边形槽32的半径(边长)为2.6mm。
[0052]
本实施例的频率选择表面的等效电路图如图5所示，将等效电路对应到频选中，z0为自由空间阻抗，第一金属覆铜层1和第三金属覆铜层5等效为电感l1、电容c1、电感l2，其中电容c1、电感l2形成的串联谐振器l2c1与电感l1并联；第二金属覆铜层3等效为电感l
m1
、电容cm、电感lm，其中电容cm、电感lm形成的串联谐振器l
mcm
与电感lm1并联；第一介质层2等效为电感l
s1
和电容c
s1
组成的串联谐振器l
s1cs1
，第二介质层4等效为电感l
s2
和电容c
s2
组成的串联谐振器l
s2cs2
；通过ads电路模拟仿真软件进行曲线拟合，拟合出来的参数值分别为：电容c1取值在0.005pf-0.006pf，电容cm取值在0.016pf-0.00163pf，电容c
s1
取值在0.009pf-0.011pf，电容c
s2
取值在0.09pf-0.11pf，电感l1取值在43pf-43.05pf，电感l2取值在43.9pf-44pf，电感l
m1
取值在39.5pf-40.5pf，电感lm取值在29.5pf-30.5pf，电感l
s1
取值在
6.7pf-6.75pf，电感l
s2
取值在5.8pf-5.85pf。
[0053]
基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面采用商业软件cst进行电磁全部仿真。如图6所示，缝隙模式和腔体主模谐振频率分别为8.74ghz和9.42ghz，二者共同形成平坦传输通带，其3db通带带宽从8.1到9.6ghz(16.7％)。矩形系数k＝1.38(10db与3db通带带宽比值)接近于1，较为陡峭。通带两侧的传输零点分别为7.5ghz和10.17ghz，因此该频率选择表面在工作通带两端均有陡降特性。
[0054]
另外，如图7～图8所示，本实施例的频率选择表面单元可在80
°
斜入射下工作，虽然在te极化方式下80
°
时插入损耗较大，但中心偏移率为1.1％，tm极化方式下80
°
时中心偏移率为0.3％。
[0055]
本发明的工作原理为：线极化电磁波经顶层方环缝隙11和第一六边形槽12耦合激励起基片集成波导腔体主模tm120，然后经中间层锯齿形方环缝隙31、第二六边形槽32以及底层的方环形缝隙、六边形槽耦合出去，形成传输响应。基片集成波导腔结构完整，不受方环缝隙和六边形槽影响，因此缝隙模式和腔体主模能够分布独立控制，最大程度拓展工作带宽。
[0056]
实施例二
[0057]
本发明实施例二提供了一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面，包括多个权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，所述频率选择表面单元呈a
×
b的矩阵紧密排布，距离为零；其中a，b为大于1的正整数。
[0058]
本发明通过在每个频率选择表面单元中，通过开设在第一金属层、第二金属层与第三金属层上的方环缝隙构成完整的基片集成波导腔。腔体是完整的，不受缝隙尺寸的影响，从而使得该结构的腔体主模和缝隙模式耦合零点的调整，完成双边陡降的设计，依次实现高选择特性。解决了现有技术中基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性与高选择特性无法同时兼顾的问题，在保证入射角度稳定的同时，大幅度的提高了频率选择特性。
[0059]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，所述频率选择表面单元的水平截面呈方形，其包括从上往下依次层叠的第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)以及第三金属层(5)；所述第一金属层(1)上刻蚀有第一六边形槽(12)和方环缝隙(11)，所述第一六边形槽(12)位于方环缝隙(11)内且两者中心重合；所述第三金属层(5)上刻蚀有与第一金属层(1)相同且投影重合的图形；所述第二金属层(3)上刻蚀有与第一六边形槽(12)中心重合且边平行的第二六边形槽(32)，所述第二六边形槽(32)外周设置有锯齿形方环缝隙(31)；所述锯齿形方环缝隙(31)的外周为方形，内周为方锯齿形，中心与第二六边形槽(32)中心重合；所述方环缝隙(11)外周设置有多个贯穿第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)以及第三金属层(5)的通孔，所述通孔内表面设置有金属覆层形成金属通孔(6)，所述金属通孔(6)的圆心连线与所述方环缝隙(11)的边平行；所述金属通孔(6)、第一金属层(1)、第二金属层(3)以及第三金属层(5)共同构成基片集成波导腔。2.根据权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，第一介质层(2)、第二介质层(4)的材料为f4b。3.根据权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，所述方环缝隙(11)的边长l
s
满足以下关系：其中，f0为频率选择表面中心工作频率，ε
r
为介质基板的相对介电常数；μ0和ε0分别表示真空磁导率和真空介电常数。4.根据权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，所述金属通孔(6)为圆心位于频率选择表面单元边缘线上的半圆形。5.根据权利要求4所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，所述金属通孔(6)的直径为0.6～0.8mm，相邻两孔的圆心之间距离为0.9～1.1mm。6.根据权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，第一六边形槽(12)的两条对边与第一方环缝隙(11)两个对边平行，第二六边形槽(32)的两条对边与锯齿形方环缝隙(31)的外周的两条对边平行。7.根据权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，其特征在于，所述第一金属层(1)、第二金属层(3)、以及第三金属层(5)的厚度为0.02～0.05mm,第一介质层(2)、第二介质层(4)的厚度为0.8～1.5mm。8.一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面，其特征在于，包括多个权利要求1所述的一种基于siw的大角度双边陡降的频率选择表面单元，所述频率选择表面单元呈a
×
b的矩阵紧密排布，其中a，b为大于1的正整数。

技术总结
本发明公开了一种基于SIW的大角度双边陡降的频率选择表面及单元，属于频率选择表面技术领域。频率选择表面单元包括5层结构，从上往下依次层叠的第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层、第三金属覆铜层；第一、第三金属覆铜层上刻蚀有相同尺寸的方环缝隙和六边形槽，第二金属层上刻蚀有类似结构，其上刻蚀有锯齿形方环缝隙和六边形槽。该结构共产生两个传输极点和两个传输零点，具有平坦通带和双边陡降特性。解决了现有技术中基片集成波导频率选择表面高入射角稳定性与高选择特性无法同时兼顾的问题。特性无法同时兼顾的问题。特性无法同时兼顾的问题。


技术研发人员：赵珍珍 李佳颖 裴丹怡 刘建霞
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/9/26