[發明專利]一種具有開關特性的頻率選擇表面和設計方法

有效

• 申請號: 201410725330.7
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN104409804A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 王正斌;高超;薛曼琳;陳進昌
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01P1/20
• 分類號: H01P1/20;H01P11/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種具有開關特性的全介質微波、毫米波頻率選擇表面，屬于光電技術領域。

背景技術

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構，相當于一個空間濾波器，廣泛應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域也有重要作用。

傳統的頻率選擇表面一般由周期排列的金屬貼片單元或導電金屬屏上周期排列的開孔單元構成，這種表面結構利用金屬結構的諧振來實現特定頻段的全反射(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構，設計相當復雜)，在高功率電磁波照射下金屬部分易產生電弧，而且金屬部分容易腐蝕。例如，申請號為201310088138，名稱為“基于分形結構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構的寬頻帶亞毫米波FSS，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，金屬層包括有多個周期單元，每個周期單元的中心位置開有“十”字形的縫隙，且在縫隙內部鑲嵌有“十”字分形金屬平板,所述多個周期單元呈規則的陣列排布。申請號為201310340225，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成，每個開孔單元的相鄰兩條或者四條周期邊界上設有條形孔，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。申請號為201310341419，名稱為“一種極化性能穩定的厚屏頻率選擇表面濾波器”，公開了一種極化性能穩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、Y孔單元、填充介質；其中在基底金屬屏上，Y孔單元先后順時針旋轉90°依次得出四個正方形排列的旋轉式Y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式Y孔組合單元的基底金屬屏；然后在所有Y孔單元的內部放置填充介質；最后以基底金屬屏為安裝基準，將層合介質熱壓膠合到基底金屬屏一端的側面上。申請號為201210570546，名稱為“一種具有開關功能的智能空間濾波器”，公開了一種具有開關功能的智能空間濾波器，該濾波器包括雙層頻率選擇表面、聚合物與固態電解質組成的混合物夾層、導線、電壓源和開關；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。

在檢索到的上述文獻中，頻率選擇表面都是在介質基板上印刷各種金屬結構，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構周期陣列的電磁諧振理論。

現有頻率選擇表面都是在介質基板上印刷各種金屬結構，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，設計復雜；而金屬層本身在高功率電磁波照射下容易產生電弧，大電流所產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境中還容易腐蝕。而本發明能夠很好地解決上面的問題。

發明內容

本發明目的在于提出了一種具有開關特性的頻率選擇表面，該頻率選擇表面為具有開關特性的全介質微波、毫米波頻率選擇表面，該頻率選擇表面是由兩層介質柱陣列構成，當兩層陣列合在一起就構成帶阻型FSS，而當兩層陣列分開則變成帶通型FSS，介質柱陣列為非金屬電磁諧振，工作頻帶寬，易于設計和實現，強電磁波輻射下也不會產生多少熱量，可應用于電磁脈沖炸彈防護。

本發明還提供了一種具有開關特性的頻率選擇表面的設計方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：根據頻率選擇表面工作頻段需求，選擇低損耗及合適介電常數的介質材料設計介質諧振器的形狀、尺寸；然后，通過電磁場全波仿真軟件觀察介質諧振器陣列構成的FSS的電磁波傳播特性。

步驟2：根據仿真所得S參數反演出該頻率選擇表面的等效電磁參數，判斷磁偶極子、電偶極子、四偶極矩的頻譜位置。然后微調介質柱尺寸來調節偶極子諧振位置，使其帶阻頻段符合設計要求。

步驟3：將該頻率選擇表面的所有介質柱從中間分裂成兩層，仿真、計算其工作頻段的帶通特性，確定兩層介質柱陣列的間距。

步驟4：根據步驟3所得結果，加工、制作兩層相同介質柱陣列，并用機械裝置對接相連，得到具有開關特性的全介質頻率選擇表面。

有益效果：

1、本發明使用純介質柱構建頻率選擇表面，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。