窄帶通頻率選擇表面的制作方法
【專利摘要】一種窄帶通頻率選擇表面，構(gòu)成包括金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)、光窗介質(zhì)層和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)，所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)附于光窗介質(zhì)層的表面上或嵌入所述的介質(zhì)層內(nèi)部，所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)的周期為P，該金屬環(huán)結(jié)構(gòu)的周期P包含金屬環(huán)的邊長(zhǎng)L和相鄰金屬環(huán)之間的最短間隔g；所述的金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)的周期為d，所述的P為所述的d的整數(shù)倍。本發(fā)明可在保證可見(jiàn)/紅外窗口高通透性的同時(shí)，在1～18GHz雷達(dá)波段具有窄帶通濾波的頻率選擇特性，并具有通帶位置靈活可調(diào)，極化角度不敏感和超薄的特點(diǎn)。該方案適用于遙測(cè)遙感、醫(yī)療診斷、保密通訊、航天航空等領(lǐng)域的光學(xué)窗口的寬頻譜電磁屏蔽和濾波。
【專利說(shuō)明】窄帶通頻率選擇表面

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電磁屏蔽與濾波，特別是一種窄帶通頻率選擇表面。 技術(shù)背景
[0002] 伴隨著科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，空間電磁環(huán)境也日益復(fù)雜，遙測(cè)遙感，醫(yī)療診斷， 保密通訊，航空航天裝備等領(lǐng)域的光學(xué)窗口存在著嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題，不僅有來(lái)自宇宙 射線，衛(wèi)星通信，電視廣播等外部的電磁波信號(hào)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部工作器件產(chǎn)生干擾，內(nèi)部的電磁 信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生泄露，對(duì)外界產(chǎn)生影響。由于光學(xué)窗口對(duì)電磁波的通透性，在軍事應(yīng)用上將會(huì) 成為飛行器暴露的重要因素之一。同時(shí)，在雷達(dá)探測(cè)、電磁隱身等技術(shù)不斷突破的今天，對(duì) 電磁屏蔽、選擇性濾波等技術(shù)也提出了更高的要求，以適應(yīng)更加復(fù)雜的電磁環(huán)境下的雷達(dá) 探測(cè)與通訊、飛行器隱身等應(yīng)用需求。頻率選擇表面（FSS)是由特定形狀的單元圖形構(gòu)成 的一種二維周期陣列結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在微波、紅外直至可見(jiàn)光波段得到廣泛應(yīng)用及其深入研究。 采用FSS制作飛行兵器隱身雷達(dá)罩是目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。
[0003] 光學(xué)窗口的微波電磁屏蔽及濾波技術(shù)的解決方案主要基于光窗材料的周期金屬 結(jié)構(gòu)（即頻率選擇表面）。通過(guò)在窗口材料外部制作有周期陣列的導(dǎo)電金屬結(jié)構(gòu)，在特定的 周期尺寸和金屬線寬下可滿足光學(xué)窗口的高透過(guò)率和寬頻段微波電磁屏蔽及濾波的雙重 要求。因此，該結(jié)構(gòu)在光學(xué)窗口電磁屏蔽和電磁濾波【技術(shù)領(lǐng)域】獲得了廣泛的應(yīng)用：
[0004] 1、專利201310340225. 7 "混合單元頻率選擇表面"由導(dǎo)電金屬屏上周期排列的開(kāi) 孔單元構(gòu)成，每個(gè)開(kāi)孔單元的相鄰兩條或者四條周期邊界上設(shè)有條形孔，每個(gè)開(kāi)孔單元的 條形孔的開(kāi)孔位置，方向和尺寸一致，每個(gè)條形孔的長(zhǎng)邊等于條形孔開(kāi)孔位置的周期邊界 的長(zhǎng)度，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有技術(shù)中單屏頻率選擇表面的通帶和阻帶頻段很近時(shí)難以兼 顧通帶和阻帶的性能。但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用高占空比（占空比>4)的金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微波頻段 的帶通濾波功能，未考慮在光學(xué)窗口中的應(yīng)用，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)至紅外波段的高通透性，限 制了其應(yīng)用范圍。
[0005] 2、專利201310385578. 9 "高性能雷達(dá)/紅外雙波段帶通頻率選擇表面"提供了一 種高性能雷達(dá)/紅外雙波段帶通FSS，包括兩層相同的光學(xué)透明FSS和兩層光學(xué)透明FSS中 間的耦合電介質(zhì)，兩層光學(xué)透明FSS平行且相對(duì)于耦合電介質(zhì)對(duì)稱，解決了現(xiàn)有技術(shù)中單 層光學(xué)透明FSS的光學(xué)透過(guò)率和屏蔽效率矛盾以及多層金屬網(wǎng)柵陣列結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/ 紅外雙波帶通功能的技術(shù)問(wèn)題。但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍較為復(fù)雜，紅外透過(guò)率僅為77%，且雙層網(wǎng) 柵結(jié)構(gòu)光學(xué)衍射效應(yīng)更加明顯，嚴(yán)重影響光窗波段的實(shí)際信號(hào)傳輸和接收效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種窄帶通頻率選擇表面，該結(jié)構(gòu)在保證可見(jiàn)/紅外光高通 透性的同時(shí)，在雷達(dá)波段具有窄帶通頻率選擇特性，并具有通帶位置靈活可調(diào)、極化角度不 敏感和超薄的特點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種窄帶通頻率選擇表面，其特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)、光窗介質(zhì)層 和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)，所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)附于光窗介質(zhì)層的表面 上或嵌入所述的介質(zhì)層內(nèi)部，所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)的周期為P，該金屬環(huán)結(jié)構(gòu)的周期P包 含金屬環(huán)的邊長(zhǎng)L和相鄰金屬環(huán)之間的最短間隔g ;所述的金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)的周期為d， 所述的P為所述的d的整數(shù)倍。
[0009] 所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)為方環(huán)、圓環(huán)或正八邊型環(huán)的周期結(jié)構(gòu)。
[0010] 所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)的材料為金、銀或銅。
[0011] 所述的光窗介質(zhì)層的材料為玻璃、聚合物介質(zhì)板、陶瓷材料或柔性塑料薄膜，厚度 為 150 ?300 μ m。
[0012] 所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)的厚度均為5?10 μ m，線寬均為 20?40 μ m ;所述的金屬環(huán)結(jié)構(gòu)的周期P為2?10mm,金屬環(huán)的邊長(zhǎng)或直徑為1. 9?9. 5mm, 相鄰金屬環(huán)之間的最短間隔g為200?500 μ m ;所述的金屬網(wǎng)柵周期d為500?1000 μ m。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0014] (1)本發(fā)明的窄帶通頻率選擇表面，采用長(zhǎng)徑比大于200的金屬線作為金屬周期 結(jié)構(gòu)的基本組成部分，具有低占空比特點(diǎn)（〈1 % )，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)窗口的高通透性，可見(jiàn)/紅外 光平均透過(guò)率大于85% ;
[0015] (2)本發(fā)明的窄帶通頻率選擇表面，能夠?qū)崿F(xiàn)1?18GHz雷達(dá)波段的窄帶通濾波特 性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶通頻點(diǎn)的位置靈活可調(diào)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的方型金屬環(huán)結(jié)構(gòu)2X2周期單元俯視圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的方型金屬環(huán)結(jié)構(gòu)2X2周期單元側(cè)視圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的方型金屬環(huán)結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的圓型金屬環(huán)結(jié)構(gòu)周期單元俯視圖。
[0021] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1、11的雷達(dá)波通帶傳輸仿真特性曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
[0023] 如圖1-4所示，本發(fā)明的窄帶通頻率選擇表面，為"金屬+介質(zhì)+金屬"的三層結(jié) 構(gòu)，包括金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)1、光窗介質(zhì)層2和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)3,其中光窗介質(zhì)層的厚度為 h〇
[0024] 如圖3所示，所述窄帶通頻率選擇表面的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)為方型金屬環(huán)周期結(jié) 構(gòu)，其周期為P，方型環(huán)的邊長(zhǎng)為L(zhǎng),線寬為wl。
[0025] 如圖4所示，所述窄帶通頻率選擇表面的金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)，金屬線寬為《2,周期 為d。
[0026] 如圖1-4所示，方型金屬環(huán)的周期P為金屬網(wǎng)柵的周期d的整數(shù)倍，在整體結(jié)構(gòu) 的單個(gè)周期內(nèi)金屬環(huán)邊緣與最外側(cè)金屬網(wǎng)柵線的水平距離為f，兩層金屬結(jié)構(gòu)的厚度均為 10 μ m〇
[0027] 實(shí)施例1
[0028] 當(dāng) P = 4mm, L = 3. 8mm, d = 0· 8mm, wl = w2 = 30 μ m, f = 300 μ m, N = 5, h = 200 μ m,每個(gè)整體結(jié)構(gòu)周期單兀有一個(gè)方型金屬環(huán)和5 X 5根金屬網(wǎng)柵線，方環(huán)邊緣與最外 側(cè)金屬網(wǎng)柵線的水平距離為300 μ m。光窗介質(zhì)層的材料為石英玻璃（介電常數(shù)約為4. 3)， 金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)的金屬選為金（電導(dǎo)率為4X107S/m)時(shí)，依據(jù)約束條 件，得到如圖1?4所示的周期結(jié)構(gòu)示意圖，依據(jù)該結(jié)構(gòu)的低占空比和石英玻璃的透過(guò)率 (>90 % )，結(jié)果表明，本發(fā)明窄帶通頻率選擇表面的光學(xué)窗口的透過(guò)率大于85 %。
[0029] 對(duì)得到的窄帶通頻率選擇表面的雷達(dá)波帶通傳輸特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6中曲 線a所示，從圖中可以看出，本發(fā)明的雷達(dá)波段頻率選擇表面具有窄帶通（7. 66GHz處峰值 透過(guò)率-1. 28dB)、截止波段屏蔽效率高（<-20dB)的濾波特性。
[0030] 當(dāng)改變實(shí)施例1中金屬結(jié)構(gòu)中方型金屬環(huán)的邊長(zhǎng)、線寬、周期和金屬網(wǎng)柵周期結(jié) 構(gòu)的線寬、周期以及光窗介質(zhì)層厚度時(shí)，得到表1所列實(shí)施例2?10,窄帶通頻率選擇表面 的雷達(dá)波帶通傳輸曲線仍保持相似特性，只是最大帶通頻點(diǎn)處的峰值透過(guò)率及頻率發(fā)生相 應(yīng)變化，結(jié)果如表1所示。
[0031] 表 1
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種窄帶通頻率選擇表面，其特征在于其構(gòu)成包括金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)（1)、光窗介質(zhì) 層（2)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)（3)，所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)（1)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)（3)附 于光窗介質(zhì)層的表面上或嵌入所述的介質(zhì)層（2)內(nèi)部，所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)（1)的周期 為P，該金屬環(huán)結(jié)構(gòu)的周期P包含金屬環(huán)的邊長(zhǎng)L和相鄰金屬環(huán)之間的最短間隔g ;所述的 金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)（3)的周期為d，所述的P為所述的d的整數(shù)倍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的窄帶通頻率選擇表面，其特征在于所述的金屬環(huán)周期結(jié)構(gòu)為 方環(huán)、圓環(huán)或正八邊型環(huán)的周期結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的窄帶通頻率選擇表面，其特征在于所述的金屬 環(huán)周期結(jié)構(gòu)（1)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)（3)的材料為金、銀或銅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的窄帶通頻率選擇表面，其特征在于所述的光窗介質(zhì)層的材料 為玻璃、聚合物介質(zhì)板、陶瓷材料或柔性塑料薄膜，厚度為150?300 μ m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的窄帶通頻率選擇表面，其特征在于所述的金屬環(huán) 周期結(jié)構(gòu)（1)和金屬網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)（3)的厚度均為5?10 μ m，線寬均為20?40 μ m;所述 的金屬環(huán)結(jié)構(gòu)的周期P為2?10mm，金屬環(huán)的邊長(zhǎng)或直徑為1. 9?9. 5mm，相鄰金屬環(huán)之間 的最短間隔g為200?500 μ m ;所述的金屬網(wǎng)柵周期d為500?1000 μ m。
【文檔編號(hào)】H01P1/20GK104269586SQ201410500094
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】張龍, 白正元, 居永鳳, 姜雄偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所