專(zhuān)利名稱(chēng)：一種極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器。
背景技術(shù)：
空間濾波器，又稱(chēng)頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces,FSS)是一種具有頻率選擇特性的二維周期結(jié)構(gòu)。作為一種新型的選頻器件，由于其在毫米波段及亞毫米波段具有比傳統(tǒng)濾波器更多的優(yōu)點(diǎn)，因而在軍事和民用領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)SS已經(jīng)成為近些年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著微波遙感技術(shù)的進(jìn)步，毫米波亞毫米波星載探測(cè)系統(tǒng)已成為一個(gè)主流趨勢(shì)，其工作頻率正向太赫茲方向發(fā)展，通過(guò)使用空間濾波器，可以實(shí)現(xiàn)多頻段復(fù)用，因而空間濾波器成為準(zhǔn)光學(xué)分頻網(wǎng)絡(luò)中的核心部件之一。用于準(zhǔn)光學(xué)分頻網(wǎng)絡(luò)中的空間濾波器應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下技術(shù)要求1、入射角固定根據(jù)分頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求，入射波的入射角限制為45°，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)考慮這一因素，以實(shí)現(xiàn)最佳選頻特性。2、低損耗空間濾波器的損耗來(lái)源較多，有熱損耗、插入損耗、柵瓣損耗等，因此在設(shè)計(jì)中要綜合考慮周期圖案單元的尺寸、形狀及介質(zhì)層的特性，以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的帶寬、工作頻率、透射系數(shù)和反射系數(shù)。3、極化穩(wěn)定 性空間濾波器在不同極化波的激勵(lì)下，應(yīng)具有穩(wěn)定的工作特性?？臻g濾波器的工作頻率與尺寸有關(guān)，工作頻率越高，尺寸越小。此外，空間濾波器的工作頻率還與其形狀有關(guān)。特定工作頻率下的空間濾波器具有特定的形狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)出工作頻率為424GHz的亞毫米波空間濾波器，從而為準(zhǔn)光學(xué)微波遙感探測(cè)設(shè)備的前段網(wǎng)絡(luò)提供可靠的分頻器件。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，對(duì)于TE和TM極化波，其中心頻率為保持在424GHz，45° TE波激勵(lì)下的3dB工作頻帶為412-435GHz，45° TM波激勵(lì)下的3dB工作頻帶為411_430GHz，該濾波器包括有多行，每一行包括多個(gè)周期單元；各行中的周期單元以相同的方式放置，行與行之間的周期單元交叉等間距排布，任一周期單元與其所在行的相鄰行的緊鄰的兩個(gè)周期單元呈60°排布；所述周期單元成正方形，每個(gè)單元的邊長(zhǎng)在295-305um之間；所述周期單元包括一層金屬層與兩層硅材料層，所述兩層硅材料層的物理特性和幾何參數(shù)完全一致，所述金屬層覆蓋于所述兩層的硅材料層的之間，三者緊密貼合；所述金屬層的厚度在3-5um之間，所述硅材料層的厚度均在370-374um之間；所述金屬層整體成平板型，其中央位置開(kāi)有“十”字形的縫隙，所述縫隙包括中間區(qū)域與上下左右的四個(gè)區(qū)域；其中，中間區(qū)域?yàn)樾≌叫?，其邊長(zhǎng)與其他四個(gè)區(qū)域的寬度相等；上下左右四個(gè)區(qū)域是四個(gè)臂，為矩形，外側(cè)呈圓角，圓角半徑為3-4um，臂長(zhǎng)為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的12%-13%之間，寬度為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的5%-6%，且這四個(gè)區(qū)域大小相等，形狀相同，位置相對(duì)于中間區(qū)域嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)；所述金屬層采用鍍金材料實(shí)現(xiàn)；所述的硅材料層采用熔融石英或Si02晶體制成，其相對(duì)介電常數(shù)在3. 7-4之間，損耗角正切在O. 0001-0. 0002之間。上述技術(shù)方案中，所述上下左右的四個(gè)區(qū)域?yàn)閳A角矩形。上述技術(shù)方案中，所述周期單元的邊長(zhǎng)為300um。上述技術(shù)方案中，所述金屬層的厚度為4um。上述技術(shù)方案中，所述硅材料層的厚度均為372um。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、單元結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，在工作頻段對(duì)于TE和TM極化波的頻率響應(yīng)穩(wěn)定；2、工作頻帶寬，3dB帶寬達(dá)20GHz以上；3、工作頻段的功率傳輸曲線(xiàn)陡峭，對(duì)帶外頻率的隔離度高，選擇性好；4、插入損耗小，濾波特 性好；5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工；6、所選用材料的物理特性穩(wěn)定，在加工成型后，實(shí)際應(yīng)用中特性漂移小。


圖1為本發(fā)明的空間濾波器的周期單元排列的俯視圖；圖2為本發(fā)明的空間濾波器整體分層結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為本發(fā)明的空間濾波器對(duì)于TE極化波和TM極化波的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)；圖4為本發(fā)明的空間濾波器對(duì)于TE極化波和TM極化波的相位特性曲線(xiàn)；
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本發(fā)明的頻率選擇表面包括多個(gè)周期單元，每一周期單元具有相同的結(jié)構(gòu)。下面首先對(duì)周期單元的結(jié)構(gòu)加以描述。圖1為本發(fā)明的空間濾波器的周期單元排列的俯視圖，圖2為本發(fā)明的空間濾波器整體分層結(jié)構(gòu)的示意圖(為了方便區(qū)分，在圖中將三層結(jié)構(gòu)分開(kāi)，實(shí)際應(yīng)用中三層結(jié)構(gòu)緊密貼合，沒(méi)有間隔)。從圖1和圖2可以看出，所述的周期單元成正方形，其邊長(zhǎng)H的取值在295-305um之間。所述周期單元包括一層金屬層與兩層硅材料層，兩層硅材料層的物理特性和幾何參數(shù)完全一致，所述金屬層覆蓋于所述兩層的硅材料層的之間，三者緊密貼合。所述金屬層的厚度T2的取值在3-5um之間。所述硅材料層的厚度Tl和T3取值在370_374um之間。作為一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式，在本實(shí)施例中，所述周期單元的邊長(zhǎng)為300um，所述金屬層的厚度為4um,可采用鍍金材料實(shí)現(xiàn)。所述娃材料層的厚度為372um。所述的金屬層采用“十”字形的縫隙構(gòu)型，即金屬層整體成平板狀，在其中央開(kāi)有“十”字形的縫隙，該縫隙包括五個(gè)區(qū)域，即中間區(qū)域與上下左右的四個(gè)區(qū)域；其中，中間區(qū)域?yàn)樾≌叫?，其邊長(zhǎng)與其他四個(gè)區(qū)域的寬度相等；上下左右四個(gè)區(qū)域是四個(gè)臂，為矩形，外側(cè)呈圓角，圓角半徑為R取3-4um，臂長(zhǎng)L的取值為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的12%_13%之間，寬度W2為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的5%-6%，且這四個(gè)區(qū)域大小相等，形狀相同，位置相對(duì)于中間區(qū)域嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。作為一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式，在本實(shí)施例中，圓角半徑為R取值為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的2. 0%，臂長(zhǎng)L的取值為為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的12. 4%，圓角一側(cè)的邊長(zhǎng)Wl取值為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的2. 3%，所述中間區(qū)域小正方形的邊長(zhǎng)W2取值為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的5. 6%。所述的硅材料層采用熔融石英或SiO2晶體制成，其相對(duì)介電常數(shù)在3. 7-4之間，損耗角正切在O. 0001-0. 0002之間，以保證空間濾波器的工作特性得到最大限度的優(yōu)化。以上是對(duì)本發(fā)明的空間濾波器的周期單元的描述。下面對(duì)所述周期單元的排布方式加以說(shuō)明。參考圖1，本發(fā)明的空間濾波器包括有多行，每一行中的周期單元都以相同的方式放置，行與行之間的周期單元交錯(cuò)排布，如某一周期單元左、右兩側(cè)的邊緣與相鄰行的周期單元的中心線(xiàn)對(duì)齊。這就使得一周期單元與其所在行的相鄰行的緊鄰的兩個(gè)周期單元成60°排布，S卩某一周期單元上邊緣的中心點(diǎn)、其下邊緣兩側(cè)的頂點(diǎn)、下一行中與該周期單元相鄰的兩個(gè)周期單元的上邊緣的中心點(diǎn)(共兩個(gè)點(diǎn))、下一行中與該周期單元相鄰的左邊的周期單元左側(cè)的頂點(diǎn)、下一行中與該周期單元相鄰的右邊的周期單元右側(cè)的頂點(diǎn)相連，形成一個(gè)等邊三角形。本發(fā)明的空間濾波器具有良好的工作特性，圖3為該空間濾波器對(duì)應(yīng)TE極化波和TM極化波激勵(lì)下的功率傳輸特性曲線(xiàn)，圖4為該空間濾波器對(duì)應(yīng)TE極化波和TM極化波激勵(lì)下的相位特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出，其對(duì)于兩種極化波，具有穩(wěn)定的頻率響應(yīng)特性。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利 要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，其特征在于，對(duì)于TE和TM 極化波，其中心頻率為保持在424GHz，45° TE波激勵(lì)下的3dB工作頻帶為412_435GHz， 45° TM波激勵(lì)下的3dB工作頻帶為411-430GHZ，該濾波器包括有多行，每一行包括多個(gè)周期單元；各行中的周期單元以相同的方式放置，行與行之間的周期單元交叉等間距排布，任一周期單元與其所在行的相鄰行的緊鄰的兩個(gè)周期單元呈60°排布；所述周期單元成正方形，每個(gè)單元的邊長(zhǎng)在295-305um之間；所述周期單元包括一層金屬層與兩層硅材料層，所述兩層硅材料層的物理特性和幾何參數(shù)完全一致，所述金屬層覆蓋于所述兩層的硅材料層的之間，三者緊密貼合；所述金屬層的厚度在3-5um之間，所述硅材料層的厚度均在370-374um之間；所述金屬層整體成平板型，其中央位置開(kāi)有“十”字形的縫隙，所述縫隙包括中間區(qū)域與上下左右的四個(gè)區(qū)域；其中，中間區(qū)域?yàn)樾≌叫?，其邊長(zhǎng)與其他四個(gè)區(qū)域的寬度相等； 上下左右四個(gè)區(qū)域是四個(gè)臂，為矩形，外側(cè)呈圓角，圓角半徑為3-4um，臂長(zhǎng)為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的12%_13%之間，寬度為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的5%-6%，且這四個(gè)區(qū)域大小相等，形狀相同，位置相對(duì)于中間區(qū)域嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)；所述金屬層采用鍍金材料實(shí)現(xiàn)；所述的硅材料層采用熔融石英或SiO2晶體制成，其相對(duì)介電常數(shù)在3. 7-4之間，損耗角正切在O. 0001-0. 0002之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，其特征在于，所述上下左右的四個(gè)區(qū)域?yàn)閳A角矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，其特征在于，所述周期單元的邊長(zhǎng)為300um。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，其特征在于，所述金屬層的厚度為4um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，其特征在于，所述娃材料層的厚度均為372um。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種極化穩(wěn)定的雙層介質(zhì)加載的亞毫米波空間濾波器，包括有多行，每一行包括多個(gè)周期單元；各行中的周期單元以相同的方式放置，行與行之間的周期單元交叉等間距排布，任一周期單元與其所在行的相鄰行的緊鄰的兩個(gè)周期單元呈60°排布；周期單元呈正方形，包括金屬層與硅材料層，金屬層分布于兩層硅材料層的之間，三者緊密貼合；金屬層的厚度在3-5um之間，硅材料層的厚度均在370-374um之間；金屬層整體成平板型，其中央位置開(kāi)有“十”字形的圓角縫隙，圓角半徑為取值為3-4um,十字縫隙的四個(gè)臂完全相同，各部分長(zhǎng)、寬、邊距等完全相等，位置相對(duì)于中間區(qū)域嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。
文檔編號(hào)H01P1/20GK103050749SQ201210581378
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者夏步剛, 張德海, 孟進(jìn), 黃健 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心