CN103904388A - 单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面，涉及频率选择表面。提供通过直接给变容二极管加载偏置电压，改变变容二极管电容值，同时利用单元间的强耦合实现整个结构谐振频率超宽范围内移动的单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面。设有介质板、金属层、变容二极管和电感；金属层、变容二极管和电感设在介质板正面，金属层为竖直条状金属层，在竖直条状金属层水平方向上加载两根长短不等的水平条状金属层，竖直条状金属层与两根长短不等的水平条状金属层二者间距为两根长短不等的水平条状金属层中长条状金属层的一半；两根长短不等的水平条状金属层用变容二极管连接，竖直条状金属层由电感连接，竖直条状金属层与水平条状金属层无缝隙连接。

Description

单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面
技术领域
本发明涉及频率选择表面，尤其是涉及一种单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面。
背景技术
频率选择表面（FSS）对空间传输的电磁波具有良好的滤波性，在工程中应用十分广泛，主要应用于军事与民用通信，例如雷达、天线罩、飞行器等，其独特的电性能也在卫星通信领域得到广泛应用，例如电磁兼容、军事通信、电子对抗等领域。
无源频率选择表面一旦加工成型，其谐振频率、带宽等特性将无法改变，因此无法适应多变的电磁环境，发挥其良好的谐振特性。为了克服这一缺陷，有研究人员提出了有源频率选择表面，提供了一种新的解决方案。传统的有源频率选择表面为了得到比较陡峭的频带边沿，往往追求单元间的隔离，即减小单元间耦合。但是相应的频率调节范围受到了限制。
中国专利CN102496754A公开超宽可调范围的有源频率选择表面，属于有源频率选择表面技术领域。它解决了无源频率选择表面被加工成型后，其谐振频率和带宽等特性均无法改变，因而无法适应多变的电磁环境的问题。它包括介质板、正面上金属层、正面下金属层、加载变容二极管、四个加载电感和两个背面馈电网络，正面上金属层和正面下金属层的开口相对呈镜像对称设置在介质板的正面，两个背面馈电网络的结构相同并分布在介质板背面的左右两侧，每个背面馈电网络均由水平金属馈线和竖直金属馈线组成，水平金属馈线与竖直金属馈线呈直角连接，通过改变加载变容二极管的电容值可实现在大范围内改变谐振频率。
发明内容
本发明的目的是提供通过直接给变容二极管加载偏置电压，改变所加变容二极管的电容值，同时利用单元间的强耦合来实现整个结构谐振频率超宽范围内的移动的一种单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面。
本发明设有介质板、金属层、变容二极管和电感；金属层、变容二极管和电感设在介质板正面，所述金属层为竖直条状金属层，在竖直条状金属层水平方向上加载两根长短不等的水平条状金属层，竖直条状金属层与两根长短不等的水平条状金属层二者间距为两根长短不等的水平条状金属层中长条状金属层的一半；两根长短不等的水平条状金属层用变容二极管连接，竖直条状金属层由电感连接，竖直条状金属层与水平条状金属层无缝隙连接。
本发明的有益效果如下：
本发明通过直接给两旁垂直的金属片加载偏置电压，改变变容二极管的电容值，实现谐振频率的移动。由于本发明中水平方向相邻的金属片之间存在强电磁耦合，当变容二极管电容值稍有变化时，谐振频率会有相对较明显的变化，因此谐振频率的移动范围超宽。同时，本发明实现了无独立偏置网络，既利用频率选择表面自身结构为变容二极管供电，又无需额外的偏置网络结构。
本发明正是利用单元间的强耦合来增加频率调节范围，以使其可以应用到超宽带滤波等场合。本发明加载电容可调的变容二极管，在改变变容二极管的电容值时，频率选择表面的特征频率相应变化。本发明利用单元间的强耦合来加强通过变容二极管的感应电流，从而实现超宽的特征频率可调范围。
附图说明
图1是本发明实施例的正面结构示意图。
图2是本发明实施例的尺寸参数。
图3是本发明实施例在不同电容值下的传输特性。
图4是本发明谐振时表面电流路径和磁场分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1～4，本发明实施例设有介质板1、金属层、变容二极管3和电感4；金属层、变容二极管3和电感4设在介质板1正面，所述金属层为竖直条状金属层，在竖直条状金属层水平方向上加载两根长短不等的水平条状金属层，竖直条状金属层与两根长短不等的水平条状金属层二者间距为两根长短不等的水平条状金属层中长条状金属层的一半；两根长短不等的水平条状金属层用变容二极管连接，竖直条状金属层由电感连接，竖直条状金属层与水平条状金属层无缝隙连接。
本发明包括介质板以及位于介质板上的加载有变容二极管和电感的金属层频率选择表面结构。图2所示是该结构各部分的尺寸参数，通过调整这些参数的具体尺寸可以调整其阻带中心谐振频率、阻带宽度等特性参数。竖直条状金属层2-1与2-2之间用电感4连接，水平条状金属层2-3与2-4之间用变容二极管3连接。竖直条状金属层与水平条状金属层是无缝隙连接的。水平条状金属层2-3与2-4的竖直距离约为水平条状金属层2-3的一半。整个结构形如木手扶梯，具有旋转对称性。
本发明的结构中没有独立的偏置网络。加载变容二极管的有源频率选择表面都需要控制变容二极管的偏置电压来控制单元谐振频率。因此，在有源频率选择表面中常常设计与之相对应的偏置网络来控制变容二极管的电压。本发明的结构在两侧的金属条中加载了电感，由于电感具有通高频阻低频的特性，因此谐振时产生的高频电流将全部通过变容二极管形成回路，而无法穿过电感。而用来控制变容二极管偏置的控制信号频率很低，可以通过电感。这样就可以在该结构左右两侧加载电压来控制变容二极管而无需独立的偏置网络。
一般来说，频率选择表面单元之间的耦合较强的话会导致频率选择表面的通带或阻带边沿变缓，频率选择特性变差。但是对于有源频率选择表面来说，只要其可调范围超过阻带或通带带宽，就可以实现在整个可调范围内的选通特性的变换，从而克服该不足。本发明中的变容二极管所在的水平方向的条状金属层之间会产生强耦合，与此同时几乎全部感应电流都会通过变容二极管，因此变容二极管的调节作用得到充分发挥，因此可以实现超宽可调范围。用全波仿真软件对本发明结构进行整体仿真分析，证明该整体结构可以实现超宽范围谐振频率的可调性能。对于给定的参数（X=25mm,Y=4mm,L=6mm,M=3mm,H=0.2mm,V=0.2mm,W=0.508mm,G=1.492mm,P=9.5mm）当电容值由C1=0.3pF变到C2=3pF时，谐振频率由4.5GHz降低到1.8GHz,频率调节范围达到2.7GHz，与中心频率3.15GHz相比其调节范围达到85.7%。此外，通过调整该有源FSS图1结构的变量尺寸可以调整其阻带宽度，阻带中心频率等。同时设计者可以通过调节变容二极管来实现需要的谐振频率。在图3中，标记5为频率选择表面谐振时磁场分布，6为频率选择表面谐振时表面电流路径。
从等效电路理论的角度分析，该种FSS结构可以等效为一个串联的LC谐振电路，条状金属层中间加载的变容二极管等效于在原LC谐振电路中串联电抗，通过改变偏置电压或电流，改变变容二极管的电容值，从而使整个电路的谐振特性发生变化，随着电容值C的逐渐变大，谐振频率就会不断的降低。条状金属层中间的电感等效于在原LC谐振电路中的串联感抗，与加载的变容二极管相连，以此使得整个FSS平面形成一个连通的电流回路。

Claims (1)

1.单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面，其特征在于设有介质板、金属层、变容二极管和电感；金属层、变容二极管和电感设在介质板正面，所述金属层为竖直条状金属层，在竖直条状金属层水平方向上加载两根长短不等的水平条状金属层，竖直条状金属层与两根长短不等的水平条状金属层二者间距为两根长短不等的水平条状金属层中长条状金属层的一半；两根长短不等的水平条状金属层用变容二极管连接，竖直条状金属层由电感连接，竖直条状金属层与水平条状金属层无缝隙连接。
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