本发明涉及一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，属于微波滤波技术领域。
背景技术：
液晶材料具有柔软、可连续调谐以及介电常数较小等优点，近年来在各个领域得到了广泛的应用。由于在微波波段下损耗较小，所以液晶材料在10ghz以上的微波波段有很好的应用前景。频率选择表面是一种对入射电磁波具有频率选择效应的平面结构。由于频率选择表面对具有不同工作频率、极化状态、入射角度的入射电磁波具有频率选择特性，所以在电磁学领域具有相当广泛的应用，如用作雷达的天线罩可以很大程度上提升其隐身性能。然而，现有的带阻频率选择表面只是对某个频段的电磁波存在带阻滤波特性，阻带频率是固定不可变的；而且现有的带阻频率选择表面的具有高反射系数的阻带带宽并不理想。因此，提供一种同时具有连续可调谐性能和带宽较宽的基于液晶的可调控带阻频率选择表面是十分必要的。
技术实现要素：
本发明为了解决现有带阻频率选择表面只是对某个频段的电磁波存在带阻滤波特性，阻带频率是固定不可变的，且现有的带阻频率选择表面的具有高反射系数的阻带带宽不理想的问题，提供一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构。
本发明的技术方案：
一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，由m×n个周期性分布的边长为a的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成；
所述的第一介质层、第二介质层和第三介质层均为边长为a的正方形结构；所述的a的取值范围为0.3λ﹤a﹤0.5λ，λ为滤波波长；
所述的第二介质层是厚度为hlc的液晶材料；所述的hlc取值范围为0.01λ﹤hlc﹤0.03λ。
进一步限定，所述的第一介质层和第三介质层均为厚度为h1的fr-4材料，所述的h1取值范围为0.004λ﹤h1﹤0.04λ，第一金属层与第二金属层的厚度均为h2。
进一步限定，所述的第一金属层包括结构i1，结构ii2、结构iii3、结构iv4、结构v5和结构vi6；所述的结构i1，结构ii2和结构iii3位于第二介质层一侧，结构ii2位于括结构i1和结构iii3之间，相邻单元的第一金属层的结构i1与结构iii3拼接后图形与结构ii2相同；所述的结构iv4、结构v5和结构vi6位于第二介质层的另一侧，结构v5位于结构iv4和结构vi6之间，相邻单元的第一金属层的结构iv4和结构vi6拼接后图形与结构v5相同；
所述的第二金属层包括结构vii7、结构viii8和结构ix9，所述的结构viii8由镜像的结构ii2和镜像的结构v5拼接构成，相邻单元的第二金属层的结构vii7和结构ix9拼接后图形与结构viii8相同；相邻单元的第一金属层的形状ii2和形状v5拼接后图形与镜像的结构viii8相同。
进一步限定，所述的结构ii2包括一个第一矩形10、两个第二矩形11和两个第三矩形12，所述的第一矩形10的一侧长边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形10的另一侧长边分别与两个第二矩形11的一端垂直连接，两个第二矩形11的另一端分别垂直连接两个第三矩形12，所述的两个第二矩形11的长边互相平行，两个第三矩形12的长边互相平行；
所述的结构v5包括一个第四矩形13、两个第五矩形14和两个第六矩形15，所述的第四矩形13的一侧长边与第二介质层的另一侧边沿重合，第四矩形13的另一侧长边分别与两个第五矩形14的一端垂直连接，两个第五矩形14的另一端分别垂直连接两个第六矩形15，所述的两个第五矩形14的长边互相平行，两个第六矩形15的长边互相平行。
进一步限定，所述的第一矩形10的长度为l1，宽度为d1；第二矩形11的长度为l3，宽度为d3；第三矩形12长度为l5，宽度为d5；两个第二矩形11之间的距离为g；两个第三矩形12之间距离为e，第二矩形11上边缘与第一矩形10上边缘的距离为f；第二矩形11下边缘与第三矩形12下边缘的距离为d；
所述的l1的取值范围为0.15λ﹤l1﹤0.25λ，l3的取值范围为0.04λ﹤l3﹤0.1λ，d3的取值范围为0.002λ﹤d3﹤0.008λ，l5的取值范围为0.03λ﹤l5﹤0.06λ，d5的取值范围为0.008λ﹤d5﹤0.02λ，g的取值范围为0.05λ﹤g﹤0.1λ，e的取值范围为0﹤e﹤0.1λ，f的取值范围为0.02λ﹤f﹤0.06λ。
进一步限定，所述的第四矩形13的长度为l2，宽度为d2；第五矩形14的长度为l4，宽度为d4；第六矩形15的长度为l6，宽度为d6；两个第五矩形14之间的距离为k；两个第六矩形15之间的距离为n，第五矩形14上边缘与第四矩形13上边缘的距离为i；第五矩形14下边缘与第六矩形15的下边缘的距离为m；
所述的l2与l1长度相同，d2的取值范围为0.03λ﹤d2﹤0.06λ，l4的取值范围为0.02λ﹤l4﹤0.05λ，d4的取值范围为0.002λ﹤d4﹤0.008λ，l6的取值范围为0.02λ﹤l6﹤0.04λ，k的取值范围为0.05λ﹤k﹤0.1λ，n的取值范围为0﹤n﹤0.1λ，i的取值范围为0.02λ﹤i﹤0.06λ，m的取值范围为0﹤m﹤0.02λ。
进一步限定，所述的结构i1和结构iv4的形状为长方形；所述的结构i1的宽度为b，长度为d1；结构iv4的宽度为d2，长度为h；所述的b的取值范围为0.01λ﹤b﹤0.03λ，b的长度与h相同；所述的d1的取值范围为0.03λ﹤d1﹤0.05λ，所述的d2的取值范围为0.03λ﹤d2﹤0.06λ。
进一步限定，所述的第一矩形10与结构i1和结构iii3之间的距离均为w，第四矩形13与结构iv4和结构vi6之间的距离均为w；所述的w的取值范围为0.015λ﹤w﹤0.04λ。
进一步限定，第二金属层结构viii8与结构vii7和结构ix9之间距离均为w，结构vii7、结构viii8和结构ix9与第三介质层边缘的距离均为x，所述的w的取值范围为0.015λ﹤w﹤0.04λ，x的取值范围为x＝1/2a/2-d5。
进一步限定，工作频率在12.88ghz-14.18ghz，所述的单元参数为a＝8mm，l1＝3.6mm，l2＝3.6mm，l3＝1.02mm，l4＝0.7mm，l5＝0.925mm，l6＝0.6mm，d1＝0.88mm，d2＝1mm，d3＝0.05mm，d4＝0.05mm，d5＝0.2mm，d6＝0.5mm，w＝0.4mm，h1＝0.1mm，h2＝0.035mm，hlc＝0.24mm，b＝0.4mm，c＝3.2mm，d＝0.1mm，e＝2mm，f＝0.85mm，g＝1.95mm，h＝0.4mm，i＝0.85mm，k＝1.95mm，m＝0.275mm，n＝1.5mm。
本发明具有以下有益效果：本发明的频率选择表面，在工作频率范围为12.88ghz-14.18ghz频率范围内，频率选择表面具有较宽的-15db阻带带宽，以及较好的角度稳定性，在45°情况下滤波特性受到影响较小。并且通过改变频率选择表面的结构参数，可以进一步改变频率选择表面的可调工作频率范围。-15db相对带宽为16.38％，且具有较大的10.09％调谐范围。
附图说明
图1为第一金属层的单元结构示意图；
图2为第二金属层的单元结构示意图；
图3为结构ii的结构示意图；
图4为结构v的结构示意图；
图5为具体实施方式1的频率选择表面的传输系数图；
图6为具体实施方式1的频率选择表面的第二介质层的介电常数ε＝2.5时，电磁波从0°到45°斜入射所得到的传输系数仿真结果；
图7为具体实施方式1的频率选择表面的第二介质层的介电常数ε＝3.3时，电磁波从0°到45°斜入射所得到的传输系数仿真结果；
图8为第一金属层的结构示意图；
图9为第二金属层的结构示意图；
图中1-结构i，2-结构ii，3-结构iii，4-结构iv，5-结构v，6-结构vi，7-结构vii，8-结构viii，9-结构ix，10-第一矩形，11-第二矩形，12-第三矩形，13-第四矩形，14-第五矩形，15-第六矩形。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。
具体实施方式1：
本实施例的选择表面结构由m×n个周期性分布的边长为a＝8mm的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成，第一介质层、第二介质层和第三介质层均为边长为8mm的正方形结构，第一介质层和第三介质层均为厚度为0.1mm的相对介电常数ε1＝4.3、相对磁导率μ＝1的fr-4材料。第二介质层是厚度为0.24mm，相对介电常数为εε在2.5-3.3之间任意可调，相对磁导率μ＝1，电损耗角正切tanδ＝0.0143的gt3-23001液晶材料。
如图1至图4、图8和图9所示，第一金属层包括结构i1，结构ii2、结构iii3、结构iv4、结构v5和结构vi6，所述的结构i1，结构iii3、结构iv4和结构vi6分别位于第二介质层上表面的四角处，结构ii2位于括结构i1和结构iii3之间，结构v5位于结构iv4和结构vi6之间；相邻单元的第一金属层的结构i1与结构iii3拼接后图形与结构ii2相同，相邻单元的结构iv4和结构vi6拼接后图形与结构v5相同；
第二金属层包括结构vii7、结构viii8和结构ix9，结构viii8由镜像的结构ii2和镜像的结构v5拼接构成，相邻单元的第二金属层的结构vii7和结构ix9拼接后图形与结构viii8相同；相邻单元的第一金属层的形状ii2和形状v5拼接后图形与镜像的结构viii8相同。
结构i1的宽度为b，长度为d1的长方形，和结构iv4宽度为d2，长度为h的长方形。
结构ii2包括一个第一矩形10、两个第二矩形11和两个第三矩形12，所述的第一矩形10位于结构i1的下方，第一矩形10的一侧通过两个第二矩形11分别与两个第三矩形12连接，所述的第一矩形10与第二矩形11互相垂直，第二矩形11与第三矩形12互相垂直。
结构v5包括一个第四矩形13、两个第五矩形14和两个第六矩形15，所述的第四矩形13位于结构iv4的下方，第四矩形13的一侧通过两个第五矩形14分别与两个第六矩形15连接，所述的第四矩形13与第五矩形14互相垂直，第五矩形14与第六矩形15互相垂直。
第一矩形10的长度为l1，宽度为d1；第二矩形11的长度为l3，宽度为d3；第三矩形12长度为l5，宽度为d5；两个第二矩形11之间的距离为g；两个第三矩形12之间距离为e，第二矩形11上边缘与第一矩形10上边缘的距离为f；第二矩形11下边缘与第三矩形12下边缘的距离为d。第四矩形13的长度为l2，宽度为d2；第五矩形14的长度为l4，宽度为d4；第六矩形15的长度为l6，宽度为d6；两个第五矩形14之间的距离为k；两个第六矩形15之间的距离为n，第五矩形14上边缘与第四矩形13上边缘的距离为i；第五矩形14下边缘与第六矩形15的下边缘的距离为m。第一矩形10与结构i1和结构iii3之间的距离均为w，第四矩形13与结构iv4和结构vi6之间的距离均为w。第二金属层结构viii8与结构vii7和结构ix9之间距离均为w，结构vii7、结构viii8和结构ix9与第三介质层边缘的距离均为x。
其中单元结构参数为：l1＝3.6mm，l2＝3.6mm，l3＝1.02mm，l4＝0.7mm，l5＝0.925mm，l6＝0.6mm，d1＝0.88mm，d2＝1mm，d3＝0.05mm，d4＝0.05mm，d5＝0.2mm，d6＝0.5mm，w＝0.4mm，h1＝0.1mm，h2＝0.035mm，hlc＝0.24mm，b＝0.4mm，c＝3.2mm，d＝0.1mm，e＝2mm，f＝0.85mm，g＝1.95mm，h＝b＝0.4mm，j＝c＝3.2mm，i＝0.85mm，k＝1.95mm，m＝0.275mm，n＝1.5mm。
图4为本实施方式的频率选择表面的传输系数图。由图4可知，当第二介质层的相对介电常数为2.5时，液晶可调控带阻频率选择表面的-15db阻带中心频率为14.18ghz，而当液晶介电常数为3.3时，-15db阻带中心频率变为12.88ghz，相对低中心频率调谐率为10.09％。而当液晶介电常数由2.5变为3.3时，-15db绝对带宽由2.27ghz变化为2.21ghz，-15db相对带宽为16.38％。
图5和图6分别为本实施方式的频率选择表面液晶介电常数ε＝2.5和ε＝3.3时，电磁波从0°到45°斜入射所得到的传输系数仿真结果。由图5和图6可知，本具体实施方式的频率选择表面在不同入射波角度下，无论液晶沿电磁波传播方向介电常数ε＝2.5还是ε＝3.3，随着斜入射角度的增加，fss的中心谐振频点基本保持不变，-15db带宽略有增大，中心谐振点基本保持不变，传输系数图像发生微小改变，但并不影响其滤波性能。
综上可知，本发明的频率选择表面，在工作频率范围为12.88ghz-14.18ghz频率范围内，频率选择表面具有较宽的-15db阻带带宽，以及较好的角度稳定性，在45°情况下滤波特性受到影响较小。并且通过改变频率选择表面的结构参数，可以进一步改变频率选择表面的可调工作频率范围。-15db相对带宽为16.38％，且具有较大的10.09％调谐范围。
此外，本发明的思想同样适用于其他工作频率范围，只需针对于不同的工作频率，利用商业电磁仿真软件(如cst微波工作室)，对本液晶可调控带阻频率选择表面进行建模仿真，调整参数，以适应所需频率即可。
1.一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，由m×n个周期性分布的边长为a的单元构成，每个单元从上到下依次由第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层层叠构成；
所述的第一介质层、第二介质层和第三介质层均为边长为a的正方形结构；所述的a的取值范围为0.3λ﹤a﹤0.5λ，λ为滤波波长；
所述的第二介质层是厚度为hlc的液晶材料；所述的hlc取值范围为0.01λ﹤hlc﹤0.03λ。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的第一介质层和第三介质层均为厚度为h1的fr-4材料，所述的h1取值范围为0.004λ﹤h1﹤0.04λ，所述的第一金属层与第二金属层的厚度均为h2。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的第一金属层包括结构i(1)，结构ii(2)、结构iii(3)、结构iv(4)、结构v(5)和结构vi(6)；所述的结构i(1)，结构ii(2)和结构iii(3)位于第二介质层一侧，结构ii(2)位于括结构i(1)和结构iii(3)之间，相邻单元的第一金属层的结构i(1)与结构iii(3)拼接后图形与结构ii(2)相同；所述的结构iv(4)、结构v(5)和结构vi(6)位于第二介质层的另一侧，结构v(5)位于结构iv(4)和结构vi(6)之间，相邻单元的第一金属层的结构iv(4)和结构vi(6)拼接后图形与结构v(5)相同；
所述的第二金属层包括结构vii(7)、结构viii(8)和结构ix(9)，所述的结构viii(8)由镜像的结构ii(2)和镜像的结构v(5)拼接构成，相邻单元的第二金属层的结构vii(7)和结构ix(9)拼接后图形与结构viii(8)相同；相邻单元的第一金属层的形状ii(2)和形状v(5)拼接后图形与镜像的结构viii(8)相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的结构ii(2)包括一个第一矩形(10)、两个第二矩形(11)和两个第三矩形(12)，所述的第一矩形(10)的一侧长边与第二介质层的一侧边沿重合，第一矩形(10)的另一侧长边分别与两个第二矩形(11)的一端垂直连接，两个第二矩形(11)的另一端分别垂直连接两个第三矩形(12)，所述的两个第二矩形(11)的长边互相平行，两个第三矩形(12)的长边互相平行；
所述的结构v(5)包括一个第四矩形(13)、两个第五矩形(14)和两个第六矩形(15)，所述的第四矩形(13)的一侧长边与第二介质层的另一侧边沿重合，第四矩形(13)的另一侧长边分别与两个第五矩形(14)的一端垂直连接，两个第五矩形(14)的另一端分别垂直连接两个第六矩形(15)，所述的两个第五矩形(14)的长边互相平行，两个第六矩形(15)的长边互相平行。
5.根据权利要求4所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的第一矩形(10)的长度为l1，宽度为d1；第二矩形(11)的长度为l3，宽度为d3；第三矩形(12)长度为l5，宽度为d5；两个第二矩形(11)之间的距离为g；两个第三矩形(12)之间距离为e，第二矩形(11)上边缘与第一矩形(10)上边缘的距离为f；第二矩形(11)下边缘与第三矩形(12)下边缘的距离为d；
所述的l1的取值范围为0.15λ﹤l1﹤0.25λ，l3的取值范围为0.04λ﹤l3﹤0.1λ，d3的取值范围为0.002λ﹤d3﹤0.008λ，l5的取值范围为0.03λ﹤l5﹤0.06λ，d5的取值范围为0.008λ﹤d5﹤0.02λ，g的取值范围为0.05λ﹤g﹤0.1λ，e的取值范围为0﹤e﹤0.1λ，f的取值范围为0.02λ﹤f﹤0.06λ。
6.根据权利要求4所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的第四矩形(13)的长度为l2，宽度为d2；第五矩形(14)的长度为l4，宽度为d4；第六矩形(15)的长度为l6，宽度为d6；两个第五矩形(14)之间的距离为k；两个第六矩形(15)之间的距离为n，第五矩形(14)上边缘与第四矩形(13)上边缘的距离为i；第五矩形(14)下边缘与第六矩形(15)的下边缘的距离为m；
所述的l2与l1长度相同，d2的取值范围为0.03λ﹤d2﹤0.06λ，l4的取值范围为0.02λ﹤l4﹤0.05λ，d4的取值范围为0.002λ﹤d4﹤0.008λ，l6的取值范围为0.02λ﹤l6﹤0.04λ，k的取值范围为0.05λ﹤k﹤0.1λ，n的取值范围为0﹤n﹤0.1λ，i的取值范围为0.02λ﹤i﹤0.06λ，m的取值范围为0﹤m﹤0.02λ。
7.根据权利要求6所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的结构i(1)和结构iv(4)的形状为长方形；所述的结构i(1)的宽度为b，长度为d1；结构iv(4)的宽度为d2，长度为h；所述的b的取值范围为0.01λ﹤b﹤0.03λ，b的长度与h相同；所述的d1的取值范围为0.03λ﹤d1﹤0.05λ，所述的d2的取值范围为0.03λ﹤d2﹤0.06λ。
8.根据权利要求7所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的第一矩形(10)与结构i(1)和结构iii(3)之间的距离均为w，第四矩形(13)与结构iv(4)和结构vi(6)之间的距离均为w；所述的w的取值范围为0.015λ﹤w﹤0.04λ。
9.根据权利要求8所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，所述的第二金属层结构viii(8)与结构vii(7)和结构ix(9)之间距离均为w，结构vii(7)、结构viii(8)和结构ix(9)与第三介质层边缘的距离均为x，所述的w的取值范围为0.015λ﹤w﹤0.04λ，x的取值范围为x＝1/2(a/2-d5)。
10.根据权利要求9所述的一种基于液晶的可调控带阻宽带频率选择表面结构，其特征在于，工作频率在12.88ghz-14.18ghz，所述的单元参数为a＝8mm，l1＝3.6mm，l2＝3.6mm，l3＝1.02mm，l4＝0.7mm，l5＝0.925mm，l6＝0.6mm，d1＝0.88mm，d2＝1mm，d3＝0.05mm，d4＝0.05mm，d5＝0.2mm，d6＝0.5mm，w＝0.4mm，h1＝0.1mm，h2＝0.035mm，hlc＝0.24mm，b＝0.4mm，c＝3.2mm，d＝0.1mm，e＝1.075mm，f＝0.85mm，g＝1.95mm，h＝0.4mm，i＝0.85mm，k＝1.95mm，m＝0.275mm，n＝1.5mm。
技术总结