一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法，选择多周期组合阵列或者不同密度组合阵列的单元阵列组合方式，以谐振频带为约束，确定参与嵌套组合的阵列单元的单元参数与相应单元阵列参数，确定参与嵌套组合的阵列单元的单元参数与相应单元阵列参数，然后调整各参与嵌套组合的阵列单元参数和阵列单元位置以满足拓扑完整性要求，并最终对所述阵列单元组合后形成的多周期组合阵列/不同密度组合阵列的带内性能计算验证，从而解决目前多谐振频带型频率选择结构面临的谐振频带分布频率范围窄、高频谐振频带的带内性能差问题。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法
本专利技术涉及通讯和电磁滤波领域，更具体地涉及一种高频率比和高带内透射率(反射率)的且具有多个谐振频带的频率选择结构的设计方法。
技术介绍
多谐振频带型频率选择结构是一类具有多个频率选择窗口的电磁元器件，能够实现多个频率的信号发生全反射或全透射，从而被广泛应用于多频天线、多频雷达罩、综合隐身桅杆、多频电磁滤波元器件等领域。一般来说，利用具有简单形状单元阵列的二维阵列结构可以获得单一的带通(阻)频率(也称谐振频带，带通即信号发生全透射，带阻即信号发生全反射)，而通过采用组合单元、复杂单元和多层频率选择结构复合等方法则可以获取多个谐振频带，其中通过简单形状单元阵列组合的方法获得多频段响应是最普遍、最基本的一种方法。通常认为将谐振频带差异显著的单元阵列组合在一起，只要能保证组合之后各单元阵列的缝隙(或导电区)相互独立就能获得多个谐振频带，而基于组合单元或多频复杂单元通过单一的周期分布或按一定密度分布形成阵列来获得多个谐振频带时，由于受到阵列周期所决定的栅瓣频率的限制，这种方式不能在较宽频率范围内获得多个高质量的谐振频带：且阵列周期对应着固定的栅瓣频率，高于栅瓣频率时频率选择结构会通过栅瓣向其它方向辐射相当一部分能量，从而导致较高频率的谐振频带内性能下降(即带通型频选结构的通带内电磁波透射率下降或带阻型的阻带内透射率增大)，从而影响多谐振频带型频率选择结构的性能。因此，谐振频带分布频率范围窄、高频谐振频带的带内性能差成为多谐振频带型频率选择结构普遍面临的重点技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决目前多谐振频带型频率选择结构面临的谐振频带分布频率范围窄、高频谐振频带的带内性能差问题。为实现上述目的，本专利技术应用的技术方案如下。一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法，包括以下步骤：步骤1、根据需要应用频率选择表面的结构特点，选择单元阵列的组合方式，即通过周期呈倍数关系的单元阵列的嵌套形成不同周期单元阵列组合(多周期组合阵列)或者通过不同密度的单元阵列的嵌套形成不同密度单元阵列组合(不同密度组合阵列)，如果需要应用频率选择表面的结构容易展开为平面或使用平面频率选择结构进行映射设计则采用多周期组合阵列，否则推荐采用不同密度组合阵列；步骤2、根据设计需求中的力学性能要求结合频响曲线、入射角、极化特性要求，确定多谐振频带型频率选择结构所采用的介质、介质加载形式和实现各频带所用的单元形式；优先选用容易嵌套的多边形、环型等平铺空间利用率高的阵列单元形式和方便填补多边形、环型阵列单元之间缝隙的分支型阵列单元；步骤3、对于多周期组合阵列，根据设计需求中的谐振频带中心频率、带宽、过渡带宽度和带外透/反射率要求确定各组成单元尺寸参数和阵列周期；对于不同密度组合阵列，根据设计需求中的谐振频带中心频率、带宽、过渡带宽度和带外透/反射率要求确定各组成单元尺寸参数和阵子密度；步骤4、对于多周期组合阵列，对组成单元阵列进行组合，同时调整拓扑结构以保证组合后形成的单元具备拓扑完整性；对于不同密度组合阵列，按照设计密度参数对阵子进行排布，在满足密度参数约束的前提下保证组合后每个阵子具备拓扑完整性；步骤5、对设计得到的多周期组合阵列/不同密度组合阵列的电性能进行仿真分析，如果满足设计需求则输出设计结果，否则回到步骤2。进一步地，所述步骤3中参与组合的单元阵列具有不同的谐振频带，中心频率之差>5％×中心频率，并且谐振频带重叠带<50％×较小频带宽。进一步地，所述步骤4中组合后形成的各单元阵列具备拓扑完整性的判断依据为：带通型单元阵列的导电层缝隙或三维立体单元阵列的腔体在嵌套组合后不连通或仅在缝隙或腔体磁流0点处连通，带阻型单元阵列的导电层或三维立体单元的导电体在嵌套组合后不连通或仅在表面电流0点处连通。进一步地，所述步骤5中多周期组合阵列的带内性能分析结果以其在高频下的栅瓣透射系数为依据；不同密度组合阵列的带内性能分析结果以阵列单元的局部密度为依据。本专利技术与现有技术相比，其有益的效果是：1、利用多周期组合阵列或不同密度组合阵列的频率选择结构实现栅瓣频率的限制的突破，可以方便地设计在较宽频率范围内具有多个高性能(高带内透射率/反射率、低栅瓣散射强度)谐振频带的多频频率选择结构。2、根据多谐振频带型频率选择结构应用的特点，提出多周期组合阵列/不同密度组合阵列两种可选择的结构，不仅适合二维表面的频率选择结构设计，还适用于三维立体的频率选择结构设计。3、新型频率选择结构在高于其栅瓣频率时，栅瓣带走的能量低于普通组合阵列，高频率的谐振频带内电性能良好。附图说明下面结合具体实施例及附图对本专利技术作进一步详细说明。所述实施的示例在附图中示出，通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术的技术方案，而不应当理解为对本专利技术的限制。图1是多周期组合阵列的单元与传统单一周期组合阵列的单元的对比，图中a为可获得多个谐振频带的传统组合阵列的单元形式，图中b为本专利技术所述多周期组合阵列的单元形式，b中小环型单元在两个方向上的周期均是大环型单元的1/2。图2为多周期组合阵列的原理图，其中将多周期组合阵列的单元分解为两个周期成2倍关系的子阵列单元。图3是一对设计参数完全相同的多周期组合阵列与传统组合阵列多频带频率选择结构的传输特性计算结果对比，a给出了多周期组合阵列与传统单一周期组合阵列的缝隙单元定义，即大正方形环的外侧边长为19mm，小正方形环的外侧边长为5mm，缝宽均为0.25mm，阵列的基础周期两个方向上均为20mm；b是a中两种周期阵列在无介质加载、正入射条件下，栅瓣带走的能量系数和透射率随频率变化情况的对比，其中3b-1是多周期组合阵列的结果，3b-2是传统单一周期组合阵列的结果。图4是图3a中两种周期阵列嵌在一层厚度为2mm、介电常数εr＝3.8、正切损耗tanδ＝0.015的介质中时，正入射条件下，栅瓣带走的能量系数和透射率随频率变化情况的对比，其中4-1是多周期组合阵列的结果，4-2是传统单一周期组合阵列的结果。图5是一种不同密度组合阵列之示意图，其中小环型单元与大环型单元的面密度之比约为7.1。图6是本专利技术所述多谐振频带型频率选择结构的设计方法之流程图。图7是一种双层频率选择表面结构剖面示意图，由两层厚度均为1mm的高密度介质夹一层30mm厚的低密度介质组成，周期阵列嵌在高密度介质正中间；高密度介质的介电常数εr＝4.0、正切损耗tanδ＝0.015；低密度介质的介电常数εr＝1.1、正切损耗tanδ＝0.002。图8是一种矩形环型单元与十字型单元组成的多周期组合阵列单元示意图；图中，矩形环型单元外侧的长和宽分别为L和W，两个周期方向正交，周期分别为Du和Dv；十字型单元的展长为l，两个周期分别为Du1和Dv1；单元缝隙宽度均为w。图9是一种双谐振频带带通型频率选择结构在15°入射角、TE极化平面电磁波照射条件下的频率响应特性曲线，图中阴影部分为设计要求的频带。具体实施方式：下面结合具体实施例及附图对本专利技术作进一步详细说明。所述实施例的示例在附图中示出，通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术的技术方案，而不应当理解为对本专利技术的限制。设计需求：某隐身桅杆上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1、根据需要应用频率选择表面的特点，选择多周期组合阵列或者不同密度组合阵列的单元阵列组合方式，如果需要应用频率选择表面的结构容易展开为平面或使用平面频率选择结构进行映射设计则采用多周期组合阵列，否则推荐采用不同密度组合阵列；步骤2、根据设计需求中的力学性能要求结合频响曲线、入射角、极化特性要求，确定多谐振频带型频率选择结构所采用的介质、介质加载形式和实现各频带所用的单元形式；优先选用容易嵌套的多边形、环型等平铺空间利用率高的阵列单元形式和方便填补多边形、环型阵列单元之间缝隙的分支型阵列单元；步骤3、对于多周期组合阵列，根据设计需求中的谐振频带中心频率、带宽、过渡带宽度和带外透/反射率要求确定各组成单元尺寸参数和阵列周期；对于不同密度组合阵列，根据设计需求中的谐振频带中心频率、带宽、过渡带宽度和带外透/反射率要求确定各组成单元尺寸参数和阵子密度；步骤4、对于多周期组合阵列，对组成单元阵列进行组合，同时调整拓扑结构以保证组合后形成的单元具备拓扑完整性；对于不同密度组合阵列，按照设计密度参数对阵子进行排布，在满足密度参数约束的前提下保证组合后每个阵子具备拓扑完整性；步骤5、对设计得到的多周期组合阵列/不同密度组合阵列的电性能进行仿真分析，如果满足设计需求则输出设计结果，否则回到步骤2。...

【技术特征摘要】
1.一种具有超高频率比的多频带频率选择结构设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1、根据需要应用频率选择表面的特点，选择多周期组合阵列或者不同密度组合阵列的单元阵列组合方式，如果需要应用频率选择表面的结构容易展开为平面或使用平面频率选择结构进行映射设计则采用多周期组合阵列，否则推荐采用不同密度组合阵列；步骤2、根据设计需求中的力学性能要求结合频响曲线、入射角、极化特性要求，确定多谐振频带型频率选择结构所采用的介质、介质加载形式和实现各频带所用的单元形式；优先选用容易嵌套的多边形、环型等平铺空间利用率高的阵列单元形式和方便填补多边形、环型阵列单元之间缝隙的分支型阵列单元；步骤3、对于多周期组合阵列，根据设计需求中的谐振频带中心频率、带宽、过渡带宽度和带外透/反射率要求确定各组成单元尺寸参数和阵列周期；对于不同密度组合阵列，根据设计需求中的谐振频带中心频率、带宽、过渡带宽度和带外透/反射率要求确定各组成单元尺寸参数和阵子密度；步骤4、对于多周期组合阵列，对组成单元阵列进行组合，同时调整拓扑结构以保证组合后形成的单元具备拓扑完整性；对于不同密度组合阵列，按照设计密度参数对阵子进行排布，在满足密度参数约束的前提下保证组合后每个阵子具备拓扑完整性；步骤5、对设计得到的多周期组合阵列/不...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄敏杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11