设计一种新型微型频率选择表面基于2.5维耶路撒冷十字5 g的应用程序

文摘

紧凑的频率选择表面(FSS) 5 g应用设计了基于2.5维耶路撒冷十字。该元素包含两个主要部分:连续的金属痕迹交替放置两个表面的衬底和垂直通过连接痕迹。与之前发表的二维相比小型元素,传输曲线表明大规模减少(1/26波长共振频率)和展示良好的角和偏振稳定性。此外,建立了通用的等效电路模型提供直接的物理洞察这FSS的工作原理。提出了FSS的原型制作并测量了,结果验证此设计。

1。介绍

近年来,频率选择表面(模拟量)吸引了广泛的关注,因为他们的广泛应用在通信设备1,2]。FSSs总是旨在反映、传输或吸收电磁波,并应用于天线罩的设计,低调的天线反射器,电磁吸收等等(3- - - - - -7]。典型的FSS结构由二维(2 d)定期安排单位产生共鸣8- - - - - -10]。在实际设计中,FSS单元的数量限制的要求尺寸。5 g通信的天线非常小和天线罩覆盖应该是小11]。然而,当金融监督院被截断的无限周期,它必将产生重大影响金融监督院的性能。为了保持原始表演和妥协这个约束,紧凑的FSS元素是必需的。

目前,几种方法提出了实现小型化的fs。通过添加一些集总反应组件设计,FSS元素的大小减少,因为增加的电感和电容等效电路(12]。在[13),元件的小型化是意识到通过减少介质衬底的厚度,因此,各种金属层之间的电容增加。此外,引入了一个环线结构(14),它由金属贴片和电线的相反的衬底层提高电感和电容。金融监督院元素包括四个对称的螺旋金属曲流行模式已旨在提高谐振结构在给定周期的长度(15]。在[16),螺旋槽元素提出了一个紧凑的安排,有效地增加相应的等效电感。和相应的等效电容也可以通过调整每两槽之间的距离增加。最近,广场与垂直通过循环应用设计FSS元素(17]。在这个设计中,电容增加相邻通过电容耦合的墙,和电感交替使用针织结构增加了基质的不同层之间传递。这个设计的元素大小大约是1/16波长。5 g移动通信,进一步减少大小应该调查。

本文新颖的小型模拟基于2.5 d耶路撒冷十字元素设计,以及工作频率大约是3.3 GHz的潜在5 g通信频率。金融监督院元素使用41通过提供额外的电感和电容由于广泛的路径和通过壁相邻元素之间的耦合。比较与17),这种设计更有显著影响的大小减少达到fs元素约1/26波长共振频率。此外,这种提供良好的共振稳定性对各种偏振和入射角度。金融监督院的等效电路模型的分析也提出了性能。最后,验证的结果提出fs,原型制作并测量了。提出了2.5 d FSS可以很容易地使用低成本的PCB加工制作的。结果显示良好的全波模拟和测量之间的一致性。

2。元素的设计和性能分析

金融监督院元素可视为一个谐振电路当它被入射波。共振频率是由公式 ,在那里和分别代表等效电感和电容元件的。因此,小型化技术的方法是增加电感和电容的值。基于这一理论,提出了2.5 d微型元件的结构设计。

在图1的金属部分直线类型FSS元素交替放置在顶部和底部表面的衬底,然后通过金属通过连接。元素是印在介质衬底FR-4 (ε_r= 4.4;损耗角正切δ= 0.025),周期性的单位细胞p。平面元素的长度和导线的宽度 。每个部门和帽分为五和七段,分别。然后,输出连续段顶部和底部一侧通过通过或者衬底连接。所有通过的半径而附近通过中心间距年代。设计了FSS的尺寸表中列出1。

它可以看到从图25.5 GHz的直线类型元素共振与传统的耶路撒冷十字元素具有相同的设计参数共振频率为14.5 GHz。因此,该元素的大小减少从1/6到1/16波长。

为了进一步使小型化元素的大小,2.5 d耶路撒冷十字弯折线的手臂,提出了如图3。与前面的结构相比,该元素插入额外的通过和金属痕迹电长度更长。因此,等效电感的值可以增加和共振频率可以减少。图4表明,拟议的FSS的传输系数。使用有限元方法模拟性能将与周期性边界条件。弯折线类型元素的共振的频率相同的3.3 GHz衬底厚度。相应地,曲折蜿蜒的线条元素的周期减少到1/26波长。因此,元素的大小已经大大减少。此外,传输响应各种衬底厚度进行了研究。衬底厚度的减少,减少共振频率降低由于电感和电容的金属通过。

在图5、角度和极化的稳定性提出了FSS元素进行了调查。从这个图中,可以看出入射角度之间的最大偏差约为0.3% 0°和60°TE和TM情况下,这表明在各种偏振和入射角度非常稳定的共振。

之间的大小比较提出了和先前的报道提供了模拟表2。对于一个公平的比较,采用相同的底物,在报纸上。可以看出,提出的FSS的大小非常小。虽然大小的FSS在[12)越小,它使用笨重的集总反应组件的小型化。同样,模拟量(13)two-dielectric层结构。而设计的单一介电层(15- - - - - -17],提出的FSS具有显著的规模减少。

3所示。等效电路模型验证和结果分析

提供直接的物理洞察力2.5 d耶路撒冷十字FSS的工作原理,本节提出了一个等效电路模型。传统的耶路撒冷十字是所描述的系列电路模型。2.5 d耶路撒冷十字、金属通过在底物可以被视为一个额外的电感器顶部和底部带链接在一起,和相邻的通过两个相邻单元可视为额外的电容器,分别。

如图6(一),和分别代表了等效电感产生的系列金属条和垂直通过,和分别代表了等效电容产生的相邻的金属条和垂直通过在两个邻居单位。金融监督院元素的等效电路如图6 (b)系列金属条的总贡献和电感是由通过和 。同样,相邻的金属条的总贡献和垂直通过电容为代表和 。通过结合电感和成并结合各和成 ,金融监督院元素可以被描述为一个更简单的等效电路,如图6 (c)。

这个电路的等效电感和电容模型依赖于给定的物理参数。等效电感可以通过添加衬底厚度增加或减少相邻通过之间的间距,因为越来越多的电长度。同样,等效电容可以增加了相邻元素之间的差距缩小。因此,共振频率可以调整调整金融监督院元素的相关参数。

为了验证提出的等效电路的方法,评估其性能对全波电磁仿真的结果。如图7、传输曲线的等效电路模型和电磁已经说明。它可以被观察到的频率响应等效电路与电磁仿真模型是准确的,尽管它的带宽变得略窄于电磁仿真评估。

4所示。制造和测量

为了验证所设计的结构在上面的部分中,提出的FSS是使用正常的PCB技术制作的测量和测试在一个空间环境。这些原型的设计参数中给出的相同部分2。捏造的FSS示例如图8。金融监督院捏造FR-4董事会和总大小是350×350毫米²,由100×100的元素。金融监督院微波测量消声室与矢量网络分析仪和两个标准喇叭天线放置在双方的FSS的传输和接收天线。

图9显示了透射系数在不同入射角度、TE和TM偏振。它可以观察到测量结果显然符合该模型。此外,测量结果证实,该FSS表现出稳定的共振频率。测量和模拟之间的差异主要是由细金属线和通过的制造公差和测量的不确定性。总的来说,实验结果可以证明提出的小型FSS的性能。

5。结论

一种新颖的小型FSS基于2.5 d耶路撒冷十字设计为应用程序到5 g天线罩体。受益于额外的电感和电容由于2.5 d结构,单位长度的FSS只有1/26波长在3.3 GHz的共振频率。此外,提出了FSS的共振频率表现出各种偏振和入射角度的稳定性好。共振频率的偏差小于0.3%,即使入射角是60°TE和TM病例。此外,提出了一个等效电路模型提供直接物理洞察力。实验的结果和这些结果验证该设计。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持中国国家重点研发项目的一部分在格兰特2017 yfb0203500,部分是由中国国家自然科学基金资助下61601163,61331007,61504033,和61411136003,在国家重点实验室的一部分在格兰特K201710毫米波段。

引用

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