一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法

摘要

一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法，该结构由上、下介质层和中间的十字螺旋FSS结构层构成；该构建方法有六大步骤：一、用CST软件建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层的结构单元；二、将该结构单元向X、Y方向周期延拓得到一个6×6的完整十字螺旋FSS结构层；三、用CST软件建立十字螺旋FSS结构的介质层并将十字螺旋FSS结构层嵌入到介质的基片中；四、在CST软件中截取一个十字螺旋FSS结构单元进行入射波透射率分析，调整该结构单元的参量改变阻带的谐振频率，并将调整好的该结构单元替代原有的结构；五、根据已建好的十字螺旋FSS结构，设置其边界等参数，测试该结构的带宽稳定性和频率选择性；六：根据步骤四确定的最优尺寸，采用双面覆铜板加工制作十字螺旋FSS结构。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种应用于雷达系统和通信系统的十字螺旋频率选择表面结构(以下简称十字螺旋FSS结构)，尤其涉及一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法，该十字螺旋FSS结构可以减小天线雷达散射截面，设计多馈源多频复用的抛物面天线。它属于微波频段天线工程技术领域。

(二)背景技术

现代战争，很大程度取决于电子侦察技术，于是反侦察技术迫在眉睫。降低武器系统雷达反射截面(RCS)作为反侦察的重要手段受到重视。而天线的RCS对飞机或导弹的整体RCS贡献很大，如何设计一种天线罩，能有效的降低天线的RCS，这是隐身技术的研究方向之一。由于卫星距离地球遥远，电磁波空间传输损耗大，因此卫星通信中常使用具有高增益的抛物面天线。如何使同一部抛物面天线实现多馈源，多频段同时工作，有效提高卫星上的空间利用率，这也是天线工程中急需解决的难题之一。因此如何减小天线雷达散射截面和设计多馈源多频复用的抛物面天线是天线工程中遇到的两个主要问题。

将频率选择表面结构(FSS结构)用来设计天线罩降低天线系统的雷达散射截面，可以实现雷达隐身的目的。当平面波入射时，工作频段内的信号以最低的插入损耗透过天线罩进入本地天线，保证了本地天线的正常工作，而带外的电磁信号将被完全反射到远离来波的方向，阻止了其进入天线罩以至于在天线上产生感应电流而向外产生较大的散射，实现了雷达隐身的功能，同时也因为屏蔽掉了工作波段以外的有害电磁波而提高了抗干扰的能力。将频率选择表面用作抛物面天线的副反射面，提高天线的利用效率。FSS用于抛物面天线的副反射面，可将副反射面做成双曲面，双曲面的虚焦点与抛物面焦点重合，将不同频率的馈源分置于双曲面的虚实焦点，实现双频复用。这样有效的提高了抛物面的利用效率，从而降低天线系统的重量，体积和费用。

FSS结构的主要性能是频率选择特性，对于激励源的入射方向及极化的敏感程度以及带宽的稳定性。传统的单层平面FSS结构选择特性一般，对于平面波不同角度入射性能不稳定。为了提高选择特性，多层平面级联是最常采用的方法，但这样又导致制造成本高昂，而且结构比较复杂无法进行快速有效的设计。因此本发明设计了一种新型的中心连接复合频率选择表面新单元即十字螺旋FSS结构，它实现了多频带特性和相对入射波的角度稳定性。

(三)发明内容

1、发明目的

本发明的目的是提供一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法，它实现了多频带特性。该十字螺旋FSS结构与传统的单层平面FSS结构相比，克服了其平面波不同角度入射性能不稳定性的缺点并且能够实现双频的宽通带特性，它既可以用作反射也可以用作传输，在天线通信系统和雷达系统中具有广泛的应用前景。本发明中十字螺旋FSS结构的角度稳定性，也为双频带FSS的设计提供了有用的参考。

2、技术方案

(1)见图1，本发明一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构，它由上、下两层介质层和中间的十字螺旋FSS结构层构成，它们之间的位置连接关系见图2：其中1和2为介质层，在上、下两面层，中间层3是十字螺旋FSS结构层。其中，该1和2介质层为两个厚度均为0.5毫米介电常数为3.0的介质材料。十字螺旋FSS结构层为金属表面。十字螺旋FSS结构金属层为周期结构，将组成十字螺旋FSS结构层的结构单元向X、Y方向周期延拓后得到一个6×6的完整十字螺旋FSS结构层，如图3所示。十字螺旋FSS结构层的结构单元由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个尺寸相对缩小一半的小尺寸十字螺旋结构组成，而大、小十字螺旋结构由十字形臂和十字形末端的S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移后得到，如图4所示。将十字螺旋FSS结构层结构单元的大、小尺寸的十字螺旋结构终端设计为S形，可以使结构耦合紧密，十字螺旋FSS结构层中使用两种同构但尺寸大小相异的十字螺旋结构使产生的通带具有双频带特性，如图5所示。

(2)本发明一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构的构建方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：使用仿真软件CST建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层的结构单元，该十字螺旋FSS结构层的结构单元由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个与其同形状结构的小尺寸十字螺旋结构组成(见图4)。该大、小十字螺旋结构由十字形臂和十字形末端的S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左和向下向右平移后得到；

步骤二：将步骤一得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元，使用仿真软件CST的建模工具建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层(见图3)。具体操作方法是将步骤一得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元向X、Y方向周期延拓后得到一个6×6的完整十字螺旋FSS结构层(见图6)。

步骤三：利用仿真软件CST建立十字螺旋FSS结构的介质层，将十字螺旋FSS结构层嵌入到介质的基片中。首先用软件作图工具画出一个长方体模型作为介质层，介质层下表面和十字螺旋FSS结构层的上表面重合，介质层材料选择介电常数ε_r＝3.0的介质。再作一个同样尺寸的长方体模型作为介质层，使介质层的上表面与十字螺旋FSS结构层的下表面重合。介质层材料同样选择介电常数ε_r＝3.0的介质(见图2)。

步骤四：在仿真软件CST软件中截取十字螺旋FSS结构的一个单元进行入射波透射率分析，根据实际的工程应用中对平坦通带带宽范围的要求，调整十字螺旋FSS结构单元的参量改变阻带的谐振频率，将调整好的十字螺旋FSS结构替代原来的该结构。

假设一平面波入射在如图2所示的十字螺旋FSS结构上(模型中间是理想金属层，位于xz平面内，金属层上周期分布着贴片单元结构，x方向和z方向的单元间距分别表示为D_x和D_z；两侧是介质层。)，该入射波的传播方向可以表示为s＝xs_x+ys_y+zs_z。

波通过十字螺旋FSS结构透射侧的电磁场分布为：

$E=\frac{Z}{2D_x{D}_z}\underset{k=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{n=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{e^{-\mathrm{j\beta }(R-R^{\left(1\right)})·r_{\pm }}}{r_y}{e}_{\pm }P---\left(1\right)$

式中$P=\int I\left(l\right)e^{\mathrm{j\beta lp}·r_{\pm }}\mathrm{dl}.$

如果电流分布I(l)未知，则可以采用矩量法，把线性方程式(1)中的未知函数即感应电流I(l)表示成一组基函数的线性组合，然后选用合适的检验函数在线性方程两边取内积生成一个线性方程组，求解该线性方程组就可求得未知函数，从而可以方便地求出电磁波经过十字螺旋FSS结构阵列后的透射电磁场。

步骤五：添加集总端口计算水平极化的入射波从不同角度入射时，各个入射角度下的频率响应特性。根据已经建好的十字螺旋FSS结构，设置该结构的边界，扫频频率以及入射波的角度，测试十字螺旋FSS结构的带宽稳定性和频率选择性。

步骤六：根据步骤四确定的最优尺寸，加工制作十字螺旋FSS结构。十字螺旋FSS结构的材料采用双面覆铜板。

3、优点及功效

1)在设计过程中，由于十字螺旋FSS结构包含两种尺寸的结构，通过两种不同谐振模式的耦合在其通带内实现了双频带特性的滤波。选择性能显著改善。并且每个通带的性能完全由其中一类尺寸的单元结构控制，这样每类单元的尺寸可以分别作修改，可以加快设计的进程。

2)这种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构性能稳定，它的高选择性和带宽稳定性不随入射波的入射角度的变化而变化。

3)这种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构简单，该结构在普通的上下表面覆有金属的介质基片上就可以实现。在设计过程中只需要调节十字螺旋FSS结构层的结构单元形状和尺寸以及周期的大小就可以得到所需要的性能。该结构参数少，大大节省设计优化的时间。

4)这种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构制造简单方便，采用现有常规印刷电路板制造工艺就能够实现，成本较低。

(四)附图说明

图1是本发明中十字螺旋FSS结构的具体组成示意图

图2是本发明中十字螺旋FSS结构示意图

图3本发明中十字螺旋FSS结构层侧视图

图4是本发明中十字螺旋FSS结构层的结构单元俯视图

图5是本发明中大尺寸十字螺旋结构俯视图

图6是本发明中十字螺旋FSS结构层俯视图

图7是入射波从不同角度入射时十字螺旋FSS结构的透射系数曲线图。

图8是入射波入射角度为0°时使用HFSS和CST仿真十字螺旋FSS结构透射系数曲线对比图

图9是入射波入射角度为30°时使用HFSS和CST仿真十字螺旋FSS结构透射系数曲线对比图

图10是使用软件仿真时的仿真原理模型图。

图中符号说明如下：

A缝隙臂；B缝隙终端大圆弧；C缝隙终端小圆弧；

R1缝隙终端大圆弧的外圆半径；R2缝隙终端大圆弧的内圆半径；R3缝隙终端小圆弧的外圆半径；R4缝隙终端小圆弧的内圆半径；

1介质层；2介质层；3FSS层；CST仿真软件；HFSS仿真软件。

(五)具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明针对雷达系统和通信系统设计了一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构，它实现了多频带特性。该结构将十字螺旋FSS结构层结构单元的大、小尺寸的十字螺旋结构的终端设计为S形，可以使结构耦合紧密，十字螺旋FSS结构层中使用两种同构但尺寸大小相异的十字螺旋结构使产生的通带具有双频带特性，该十字螺旋FSS结构是由一个十字螺旋FSS结构单元在一个平面上周期延拓构成的。

如图2所示，本发明中的十字螺旋FSS结构计算模型由上、下两层介质层1、2和中间的十字螺旋FSS结构层3构成，它们之间的位置连接关系：其中1和2为介质层，在上、下两面层，中间层3是十字螺旋FSS结构层。其中，该上、下介质层1和2为两个厚度均为0.5毫米介电常数为3.0的介质材料。十字螺旋FSS结构层3为金属表面。

所述十字螺旋FSS结构层如图6所示。此结构为周期结构，周期单元形状是一个大尺寸的十字螺旋结构和四个尺寸相对缩小一半的小尺寸十字螺旋结构组成，十字螺旋结构由中心的十字形臂和十字形末端的S形臂组成。大尺寸的十字螺旋结构位于中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸的十字螺旋结构旋转45°后分别向上向左；向上向右；向下向左；向下向右平移后得到，如图4所示。将得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元横向纵向平移得到一个6×6的十字螺旋FSS层(见图6)。根据不同的工程应用需要，仿真计算模型具体的尺寸大小决定了相应周期新单元的数量。只要该周期新单元的数量横向和纵向超过三个就可以提供很好的频带选择作用。为了增强十字螺旋FSS结构的频率选择特性，在十字螺旋FSS结构层的上下表面加入介质层。如图2所示。

参见图2所示，本发明一种具有双频带特性十字螺旋FSS结构，需要用到一台可以运行CST软件和HFSS的电脑进行建模和仿真计算。本发明一种具有双频带特性十字螺旋FSS结构的构建方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：建立一个零厚度的十字螺旋FSS结构层的结构单元。首先使用CST仿真软件中的作图工具建立一个大尺寸的十字螺旋结构，其中缝隙臂长A为2.0mm，宽0.187mm，臂终端为两段圆弧，大圆弧B的外半径为1.5mm，内半径为1.3mm大圆弧B和缝隙臂A在缝隙臂A右端垂直相交；小圆弧C的外半径为0.737mm，内半径为0.55mm，大圆弧B圆心向右移动1.7mm，向下移动1.1mm为小圆弧C的圆心。十字螺旋结构的其它三个缝隙臂依次为缝隙臂A逆时针旋转90度、180度和270度得到。将得到的大尺寸十字螺旋结构顺时针旋转6°，得到如图5所示的大尺寸的十字螺旋结构。然后利用CST软件的建模功能将图5所示的结构缩小一倍，旋转45°后使用CST软件建模功能中的平移功能向X、Y方向作平移，X，Y方向的平移距离均为4.5mm。最后得到X，Y两个方向四个小尺寸的十字螺旋结构，大尺寸的十字螺旋结构在四个小尺寸十字螺旋结构的中心，如图4所示。

步骤二：将步骤一得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元沿X，Y方向做周期延拓得到十字螺旋FSS结构层。使用CST仿真软件建模中的图形平移功能，将步骤一中得到的十字螺旋FSS结构层的结构单元沿X，Y方向做周期延拓，X和Y方向图形的平移距离均为9mm，平移后的十字螺旋FSS结构层为6×6的结构平面，如图6所示。

步骤三：建立十字螺旋FSS结构的介质层。将十字螺旋FSS结构层嵌入到介质的基片中。首先用CST仿真软件中的作图工具作一个61mm×61mm×0.5mm的长方体，长方体底面和十字螺旋FSS结构层的上表面重合。长方体材料设置为介电常数为3.0，磁导率为1，损耗角正切为0.025。然后再用CST软件中的作图工具作一个61mm×61mm×0.5mm的长方体，长方体顶面和十字螺旋FSS结构层的下表面重合。长方体材料设置为介电常数为3.0，磁导率为1，损耗角正切为0.025。这样就得到一个添加介质层的十字螺旋FSS结构，如图2所示。

步骤四：在CST仿真软件中截取十字螺旋FSS结构一个单元进行入射波透射率分析。由于在实际应用中入射波照射在十字螺旋FSS结构上的角度范围大，水平极化的入射波入射角度θ分别取0°、30°、45°和60°(见图10)，利用HFSS软件设置十字螺旋FSS结构的仿真边界条件和入射波的端口激励，对十字螺旋FSS结构阵列进行计算和分析，得到各个入射角度下的频率响应特性曲线如图7所示。两种十字螺旋结构组合的十字螺旋FSS结构表现出了一种兼具高通和阻带的特性。对于TE极化的入射电磁波，该十字螺旋FSS结构的第一个阻带的中心频率稳定在5GHz，通带的中心频率稳定在10GHz，第二个阻带的中心频率即使在0°和60°大角度入射时的漂移量仍很小，仅为0.3GHz，因此该十字螺旋FSS结构具有很好的角度稳定性。不同入射角度对十字螺旋FSS结构的阻带中心频率的影响见下表：

在实际的工程应用中，对平坦通带带宽范围的要求不同。由于阻带的谐振频率主要受贴片阵列的影响，因此可以通过调整贴片的参量改变阻带的谐振频率，从而调整十字螺旋FSS结构透波系数曲线的带宽。对于TE极化的入射电磁波，入射角度越大十字螺旋FSS结构的带宽越窄。这两个通带的距离以及带宽可以通过改变大小十字螺旋FSS结构贴片单元尺寸的比值和相对位置来调节。入射角θ对十字螺旋FSS结构的通带带宽特性的影响见下表：

步骤五：进一步验证对十字螺旋FSS结构仿真结果的准确性。将十字螺旋FSS结构使用CST仿真软件做波透射率分析。当波入射角度为0°时，得到的HFSS和CST波透射系数对比曲线如图8所示，当波入射角度为45°时，得到的HFSS和CST波透射系数对比曲线如图9所示。

步骤六：根据以上确定的十字螺旋FSS结构最优尺寸，加工制作十字螺旋FSS结构。使用激光刻蚀的工艺加工本发明的十字螺旋FSS结构。这里选用介电常数为3.0，上下两层介质的厚度均为0.5mm，中间十字螺旋FSS结构层用上下表面覆有金属铜膜的金属片即可。