[发明专利]一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面及其设计方法

权利要求书

1.一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面，其由三层构成，其特征在于，分别为：第一金属贴片层、中间层及第二金属贴片层，三者依序压合在一起，该第一金属贴片层的单元为长宽相同的矩形，矩形的四角上分别设置开口向外的四分之一方环，单元中心为一个完整的矩形环，在平面周期延拓后，呈现交错排列的方环阵列；该第二金属贴片层，其单元为大小与上述第一金属贴片层的单元相同的矩形，中心为十字型金属线，在单元的各边中点位置均有矩形金属贴片与十字型金属线相连接，在平面周期延拓后，呈现十字型金属线和矩形金属贴片交替出现的类网格状阵列。

2.根据权利要求1所述的小型化低剖面超宽通带频率选择表面，其特征在于，所述的中间层采用高频微波电路板。

3.一种小型化低剖面超宽通带频率选择表面的设计方法，基于权利要求1所述的小型化低剖面超宽通带频率选择表面，其特征在于，包括如下：

1)根据所需频率选择表面的带宽和剖面要求，选择合适的微波滤波器，并给出等效电路；

2)遵循阻抗匹配原理，将微波滤波器的等效电路做近似变换至匹配频率选择表面设计的形式，并得出频率选择表面的基本结构；

3)通过分布参数电元件和集总参数电元件的转化公式以及平行电路谐振频率公式，推导出上述设计频率选择表面的基本结构中的参数范围；

4)利用频率选择表面中的金属贴片、介质层结构实现上述步骤2)的等效电路中电容、电感和传输线的电性能，明确具体频率选择表面结构；

5)选择加工材料，采用层压板技术生产所设计的频率选择表面成品。

4.根据权利要求3所述的小型化低剖面超宽通带频率选择表面的设计方法，其特征在于，上述步骤1)中的微波滤波器的工作带宽与相应频率选择表面结构应同属一个数量级，该微波滤波器的频率响应曲线阶数决定频率选择表面的结构厚度即剖面，微波滤波器的阶数越高，频率选择表面的剖面越高。

5.根据权利要求3所述的小型化低剖面超宽通带频率选择表面的设计方法，其特征在于，上述步骤2)中，首先，二端口网络的输入和输出阻抗用自由空间的自由阻抗Z₀＝377Ω代入，其次，忽略数值低的电容C₁、C₃和电感L₂，根据传输线理论，将原有的电感-电容-电感T型网络L₁-C₂-L₃变换为电容-电感-电容的π型网络C’-L’-C’；将短传输线的等效电路看作一个并联的电容-电感串联上特定电阻形成的回路，将π型网络中的一个电容C’用短传输线Z₁₂代替，同时修正网络中余下的电容C’和电感L’的元器件值为C和L以匹配π型网络C’-L’-C’电路的总体阻抗；将等效电路对应到频率选择表面中，电容C使用一层金属贴片实现其电容特性，传输线Z₁₂使用一层介质层实现其阻抗特性，电感L使用一层金属贴片实现其电感特性；得到第一、三层为薄金属贴片层，第二层为有一定厚度的介质层。

6.根据权利要求3所述的小型化低剖面超宽通带频率选择表面的设计方法，其特征在于，上述步骤3)电路中电元件的值通过以下公式对应到频率选择表面结构中得到贴片及介质层的具体参数范围：

其中，C为最终等效电路的电容值，L为最终等效电路的电感值，ε₀≈8.85*10^(-12)、μ₀≈1.26*10^(-6)及π≈3.14为恒定常数，ε_r为选用的介质层的介电常数，p为频率选择表面的单元周期尺寸，s为第一层金属贴片的间隔宽度，w为第二层金属栅格线宽度；s和w代表的为单元结构周期性延拓后的整体尺寸，不单独出现在单元的参数中；由公式(1)(2)可知，增大单元周期尺寸p、减小金属贴片间隔宽度s或金属栅格线宽w，提高C和L的值；根据平行电路谐振频率得到，谐振频率正比于单元周期尺寸p，反比于金属贴片间隔宽度s、金属栅格线宽w。