[發明專利]基于分形結構的寬頻帶亞毫米波頻率選擇表面

有效

• 申請號: 201310088138.7
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN103151579A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 夏步剛;張德海;孟進;黃健
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: H01P1/20
• 分類號: H01P1/20
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明涉及電磁場與微波技術領域，特別涉及一種基于分形結構的寬頻帶亞毫米波頻率選擇表面。

背景技術

頻率選擇表面（Frequency?Selective?Surfaces，FSS）通常是一種具有頻率選擇特性的二維周期結構。作為一種新型的選頻器件，對其工作頻帶內的電磁波具有很好的透過或者抑制作用，具有空間濾波的功能。由于其在毫米波段及亞毫米波段具有比傳統濾波器更多的優點，因而在軍事和民用領域有十分廣泛的應用。

隨著微波遙感技術的進步，毫米波亞毫米波星載探測系統已成為一個主流趨勢，其工作頻率正向太赫茲方向發展，通過使用頻率選擇表面，可以實現多頻段復用，因而空間濾波器成為準光學分頻網絡中的核心部件之一。

用于準光學分頻網絡中的空間濾波器應當滿足以下技術要求：

1、寬頻帶特性：具有較好的頻率響應特性，實現第一級濾波，特別是消除低頻信號的干擾，為后續的分頻網絡做準備；

2、損耗低：空間濾波器的損耗來源較多，有熱損耗、插入損耗、柵瓣損耗等，因此在設計中要綜合考慮周期圖案單元的形狀、尺寸參數及介質特性，以達到設計指標要求的透波特性。

3、入射角條件：根據分頻網絡結構的要求，入射波的入射角限制為45°，這就要求在設計時考慮這一因素的影響，以實現最佳的選頻特性。

4、極化穩定性：空間濾波器在不同極化波的激勵下，應具有穩定的工作特性。

頻率選擇表面的工作頻率與受幾何參數的影響最大，工作頻率越高，幾何尺寸越小。此外，頻率選擇表面工作頻率還與其單元形狀有關。

現有技術中尚不存在針對中心頻率為340GHz的寬頻帶亞毫米波的頻率選擇表面。

發明內容

本發明的目的在于設計出中心頻率為340GHz的寬頻帶亞毫米波頻率選擇表面，從而為準光學微波遙感探測設備的前段網絡搭建可靠的無源分頻網絡。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基于分形結構的寬頻帶亞毫米波頻率選擇表面，其工作的中心頻率為340GHz，3dB工作頻帶為273-405GHz，具有超寬帶的頻率響應；該頻率選擇表面包括第一硅材料層、金屬層和第二硅材料層，這三層之間級聯并緊密貼合；其中，

所述第一硅材料層與第二硅材料層各自成平板型，兩者具有相同的物理特性和幾何參數，它們的厚度在370-375um之間；

所述金屬層整體上呈平板型，其厚度在2-4um之間，包括有多個周期單元，所述多個周期單元呈規則的陣列排布；

每一周期單元成正方形，其邊長L1的取值在215-225um之間；在每個周期單元中心位置開有“十”字形的縫隙，且在“十”字形縫隙內部嵌套有“十”字分形金屬平板；其中，

所述“十”字分形金屬平板包括中間區域與上下左右的四個區域，所述中間區域為正方形，其邊長W4與其他四個區域的寬度相等；上下左右四個區域是四個矩形的臂，這四個區域大小相等，形狀相同，位置相對于中間區域嚴格對稱；所述“十”分形金屬平板的臂的長度W2為中心頻率對應波長的5%-7%之間，所述“十”分形金屬平板的臂的寬度W4為中心頻率對應波長的2%-3%；

所述“十”字形縫隙包括中間區域與上下左右的四個區域，所述中間區域為正方形，其邊長W3與其他四個區域的寬度相等；上下左右四個區域是四個矩形的臂，這四個區域大小相等，形狀相同，位置相對于中間區域嚴格對稱；所述“十”字形縫隙的臂的長度W1為中心頻率對應波長的12%-13%之間，所述“十”字形縫隙的臂的寬度W3為中心頻率對應波長的5%-6%。

上述技術方案中，所述第一硅材料層與第二硅材料層的相對介電常數在3.7-4之間，損耗角正切在0.0001-0.0002之間。

上述技術方案中，所述第一硅材料層與第二硅材料層采用熔融石英或SiO₂晶體制成。

上述技術方案中，所述金屬層可采用鍍金或鋁材料實現。

上述技術方案中，所述周期單元的邊長為220um。

上述技術方案中，所述第一硅材料層與第二硅材料層的厚度為372um。

上述技術方案中，所述金屬層的厚度為3um。

本發明的優點在于：

1、單元結構完全對稱，采用分形結構設計，在亞毫米波段具有超寬帶頻率響應；

2、工作頻段的功率傳輸曲線陡峭，對工作帶外頻率的抑制高，頻率選擇性好；

3、插入損耗小，濾波特性好；

4、結構簡單，便于實際加工，受幾何參數的誤差影響小；