專利名稱：基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的新型頻率選擇表面可以作為頻段多工器應(yīng)用于衛(wèi)星、雷達(dá)等通信系統(tǒng)的多頻天線，作為雷達(dá)天線罩用于隱身技術(shù)，制造毫米波/紅外復(fù)合遙感技術(shù)中復(fù)用天線的復(fù)用副面，以及光學(xué)和準(zhǔn)光系統(tǒng)的偏振器和波束分離裝置。本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頻率選擇表面(FSS)在工程應(yīng)用中十分廣泛。FSS對(duì)電磁波的透射和反射具有良好的選擇性，對(duì)于其通帶內(nèi)的電磁波呈現(xiàn)全通特性，而對(duì)其阻帶內(nèi)的電磁波則呈全反射特性，即具有空間濾波器功能。FSS在微波、毫米波、紅外直至光波的各個(gè)頻譜段得到了廣泛的應(yīng)用。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。在紅外和可見光譜段，F(xiàn)SS成功地應(yīng)用于太陽能裝置而大大提高了效率。在遠(yuǎn)紅外分子激光器中人們使用FSS反射鏡提高泵源的效率。此外FSS還可用來制作偏振器和波束分離裝置。FSS的主要性能是頻率選擇特性，對(duì)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。傳統(tǒng)的由周期性貼片或縫隙陣列形成的FSS性能較差。很多學(xué)者對(duì)于FSS性能改善做了很多研究。如介質(zhì)加載FSS，多層級(jí)連FSS，各種各樣不同結(jié)構(gòu)的周期性單元的FSS等等。盡管這些方法對(duì)于局部的某些特性有所改善，但受這種開放結(jié)構(gòu)低Q值諧振的局限，總體性能還是不盡如人意。特別時(shí)對(duì)于不同入射角度和不同極化狀態(tài)的入射波，性能不穩(wěn)定，限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面，這種頻率選擇表面在工作頻段插入損耗小，易于加工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。該頻率選擇表面與現(xiàn)有其他類型頻率選擇表面相比性能有明顯的改善和提高。
技術(shù)方案基于基片集成波導(dǎo)的新型頻率選擇表面是引入腔體的高品質(zhì)因素諧振來提高FSS的頻率選擇特性，增強(qiáng)它對(duì)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，利用矩形金屬腔體波導(dǎo)具有高Q值、低損耗的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上，基片為具有雙面金屬面的介質(zhì)基片，在雙面金屬面上刻有許多對(duì)應(yīng)的雙層周期性縫隙槽的單元，組成雙層周期性縫隙槽的陣列，在介質(zhì)基片上圍繞每個(gè)雙層周期性縫隙槽的單元以周期性的間隔設(shè)有一系列金屬化通孔，形成等效于傳統(tǒng)金屬腔體的基片集成波導(dǎo)腔體。用于耦合電磁波而在上下金屬表面蝕刻的縫隙為關(guān)于長(zhǎng)寬兩個(gè)方向完全對(duì)稱的“井”形縫隙。在X、Ku頻段中心頻率為12GHz時(shí)縫隙長(zhǎng)度為8毫米，寬度為1毫米。使用介質(zhì)基片為介電常數(shù)為2.65的F4B材料，其厚度為1毫米。上下表面金屬層的厚度在遠(yuǎn)小于基片厚度的情況下對(duì)于性能影響不大。金屬化通孔的直徑為1毫米，金屬化通孔陣列間兩個(gè)相鄰金屬化通孔的孔心距為1.5毫米，金屬化通孔直徑與孔心距的比值大于0.5。
這種頻率選擇表面結(jié)合了傳統(tǒng)周期性結(jié)構(gòu)和普通腔體結(jié)構(gòu)的傳輸特性和場(chǎng)分布。工作時(shí)周期性的縫隙將一定范圍內(nèi)的平面波耦合到腔體里面，再通過這種腔體的二次濾波作用將一更窄頻率范圍的波通過另一邊縫隙耦合出去，從而完成對(duì)空間平面波的選擇性傳輸。
工作原理為平面波入射到表面后周期性的縫隙將工作頻段的平面波耦合到腔體里面，再通過由金屬化通孔形成的腔體高選擇性濾波將工作頻段的波通過另一邊縫隙耦合出去，從而完成對(duì)空間平面波的高選擇性傳輸?；诨刹▽?dǎo)的頻率選擇表面既保留了周期性縫隙的頻率選擇特性，又引入了類似于腔體濾波器的頻率選擇特性。通過兩種不同諧振模式的互耦形成了頻率響應(yīng)曲線上的陡降特性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間平面波的高性能濾波。
有益效果基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的新型頻率選擇表面具有以下優(yōu)點(diǎn)a.這種頻率選擇表面與以往研究設(shè)計(jì)出來的頻率選擇表面相比性能明顯改善。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以及極化狀態(tài)的變化而變化。
b.這種新型頻率選擇表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全部結(jié)構(gòu)在一塊覆有金屬的介質(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)縫隙的形狀和尺寸，以及金屬通孔的周期性尺寸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)并優(yōu)化的時(shí)間。
c.這種新型頻率選擇表面制造簡(jiǎn)單方便，用普通的PCB工藝就可以實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低廉。


圖1是本發(fā)明一個(gè)局部單元的結(jié)構(gòu)示意圖。Dx、Dy為一個(gè)單元的長(zhǎng)度和寬度，L1、L2為縫隙的長(zhǎng)度，W1、W2為縫隙的寬度，dl、dw為兩個(gè)平行縫隙的距離，d為通孔直徑，dp為通孔的孔心距，h為基片厚度。
圖2是本發(fā)明一個(gè)局部單元的側(cè)視圖。圖中有介質(zhì)基片1，雙面金屬面2，雙層周期性縫隙槽的單元3，金屬化通孔4。
圖3是應(yīng)用于X、Ku波段的頻率選擇表面的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的新型頻率選擇表面在垂直入射時(shí)仿真和測(cè)試結(jié)果的比較。其中(a)為電場(chǎng)垂直于y-z平面。其中(b)為電場(chǎng)垂直于x-z平面。
圖5是本發(fā)明在TE極化平面波斜入射時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
圖6是本發(fā)明在TM極化平面波斜入射時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的制造過程為首先在介質(zhì)基片的雙面金屬面上刻槽實(shí)現(xiàn)一個(gè)普通的介質(zhì)填充的雙層周期性縫隙陣列的頻率選擇表面，然后在基片上圍繞每個(gè)周期性縫隙單元以周期性的間隔打一系列金屬化通孔形成等效于傳統(tǒng)金屬腔體的基片集成波導(dǎo)腔體。由于所需要腔體時(shí)在介質(zhì)基片上打一系列的金屬通孔陣列來實(shí)現(xiàn)，因此注意選擇合適的孔徑和孔間距，避免腔體間產(chǎn)生能量泄露。這種頻率選擇表面結(jié)合了傳統(tǒng)周期性結(jié)構(gòu)和普通腔體結(jié)構(gòu)的傳輸特性和場(chǎng)分布。由于基片厚度遠(yuǎn)小于腔體的寬邊，它對(duì)于腔體的諧振影響很小，主要影響縫隙的諧振特性。選擇合適的基片厚度，使得兩種不同諧振模式的諧振頻率靠近，從而形成低插損的優(yōu)異通帶性能。整個(gè)頻率選擇表面完全由普通的PCB工藝實(shí)現(xiàn)。腔體結(jié)構(gòu)由金屬化通孔陣列所實(shí)現(xiàn)，制作簡(jiǎn)單，成本低廉。
我們?cè)赬、Ku波段所實(shí)現(xiàn)了以上介紹的基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面(實(shí)物照片見圖3)。介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)εr和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)(見圖1、2)如下

圖4到圖6為其測(cè)試結(jié)果以及和仿真結(jié)果的對(duì)比。(由于測(cè)試中采用的喇叭天線工作頻段為X波段，所以測(cè)試頻率范圍局限為8-15GHz。)基于基片集成波導(dǎo)的頻率選擇表面既保留了周期性縫隙的頻率選擇特性，又引入了類似于腔體濾波器的頻率選擇特性。我們所設(shè)計(jì)的頻率選擇表面充分利用了這一特性，并通過兩種不同諧振模式的互耦形成了頻率響應(yīng)曲線上的陡降特性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間平面波的高性能濾波。
權(quán)利要求
1.一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面，其特征在于基片為具有雙面金屬面的介質(zhì)基片(1)，在雙面金屬面(2)上刻有許多對(duì)應(yīng)的雙層周期性縫隙槽的單元(3)，組成雙層周期性縫隙槽的陣列，在介質(zhì)基片(1)上圍繞每個(gè)雙層周期性縫隙槽的單元(3)以周期性的間隔設(shè)有一系列金屬化通孔(4)，形成等效于傳統(tǒng)金屬腔體的基片集成波導(dǎo)腔體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面，其特征在于用于耦合電磁波而在上下金屬表面蝕刻的縫隙為關(guān)于長(zhǎng)寬兩個(gè)方向完全對(duì)稱的“井”形縫隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面，其特征在于在“X、Ku”頻段中心頻率為12GHz時(shí)縫隙長(zhǎng)度為8毫米，寬度為1毫米。使用介質(zhì)基片為介電常數(shù)為2.65的F4B材料，其厚度為1毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面，其特征在于金屬化通孔(4)的直徑為1毫米，金屬化通孔(4)陣列間兩個(gè)相鄰金屬化通孔(4)的孔心距為1.5毫米，金屬化通孔(4)直徑與孔心距的比值大于0.5。
全文摘要
基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的頻率選擇表面可以作為頻段多工器應(yīng)用于衛(wèi)星、雷達(dá)等通信系統(tǒng)的多頻天線，作為雷達(dá)天線罩用于隱身技術(shù)，制造毫米波/紅外復(fù)合遙感技術(shù)中復(fù)用天線的復(fù)用副面，以及光學(xué)和準(zhǔn)光系統(tǒng)的偏振器和波束分離裝置。該結(jié)構(gòu)是在具有雙面金屬面的介質(zhì)基片(1)上，在雙面金屬面(2)上刻有許多對(duì)應(yīng)的雙層周期性縫隙槽的單元(3)，組成雙層周期性縫隙槽的陣列(4)，在基片上圍繞每個(gè)雙層周期性縫隙槽的單元(3)以周期性的間隔設(shè)有一系列金屬化通孔(5)，形成等效于傳統(tǒng)金屬腔體的基片集成波導(dǎo)腔體。與普通的貼片型或者縫隙型頻率選擇表面相比具有更好的通帶，更高的選擇性能以及更好的對(duì)于入射波的角度和極性的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01P1/20GK1825678SQ20061003896
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者羅國清, 洪偉 申請(qǐng)人:東南大學(xué)