CN106329041A - 一种多功能有源频率选择表面及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能有源频率选择表面及其控制方法，有源频率选择表面包括介质基底和两个分别正交设置在介质基底上侧和下侧的金属周期阵列；金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元；金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属粗线结构和一个PIN二极管。工作时，对上下两层金属周期阵列外加直流偏置电压激励情况进行编码，通过改变编码状态实现电磁开关和极化选择功能中的一种，使得多功能有源频率选择表面处于双极化带通状态、双极化屏蔽状态、TE极化波选择状态或TM极化波选择状态中的一种。本发明集成多种功能于一体，制作简单，具有较好的角度稳定性，能够主动操控电磁波，具有重要的应用前景。

Description

一种多功能有源频率选择表面及其控制方法

技术领域

本发明涉及电磁超材料技术领域，具体涉及一种可调控的多功能有源频率选择表面及其控制方法。

背景技术

频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）是由周期性排布的金属贴片或缝隙组成，具有良好的空间滤波特性，能够在传输带内电磁波的同时反射带外电磁波。

传统的无源FSS在加工之后，其电磁性能就基本固定了，无法在随外部环境变化而改变。有源频率选择表面（Active Frequency Selective Surface, AFSS）能够通过改变外加激励（如电压大小、电场强度和光强度等）来主动改变FSS的电磁性能。电控AFSS能够通过加载有源器件（如PIN二极管、变容二极管等）来实现可重构的电磁特性，为了控制这些有源器件的状态，通常需要在AFSS阵列内添加偏置线。然而，额外的馈线会极大地影响AFSS的电磁特性（如频率偏移、插损增加和虚假信号响应等），同时会增加制作难度和制作成本。通过合理设计AFSS的拓扑结构，将金属周期结构本身作为馈线，能够去除AFSS阵列内部冗余的馈线，极大地减小馈电系统带来的负面影响。

尽管AFSS可以在一定程度上满足实际应用的需求，但由于其功能单一，在很多时候无法满足外部复杂电磁环境对电子设备的功能多样性和状态可调性等要求。因此，有必要研究具有多功能的AFSS，为电磁隐身、电磁兼容和可重构器件设计提供重要的技术支持，具有重要的军事和民用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种多功能有源频率选择表面及其控制方法，有效解决现有有源频率选择表面馈线冗余、功能单一的问题，能广泛应用于电磁隐身、电磁兼容和可重构器件设计等领域。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多功能有源频率选择表面，包括介质基底和分别设置在介质基底上侧和下侧的金属周期阵列；

所述金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元；

所述金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属粗线结构和一个PIN二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置；两个金属粗线结构通过PIN二极管连接成一条直线，平行设置在两个金属细线结构的中间；所述两个金属细线结构构成了金属单元正方形的两条边，所述两个金属粗线结构不和PIN二极管相连的一端分别设置在金属单元正方形的另外两条边上；

所述金属周期阵列中PIN二极管方向一致，且相邻金属单元之间对应相连；

所述介质基底上侧的金属周期阵列和介质基底下侧的金属周期阵列呈正交排列。

作为本发明一种多功能有源频率选择表面进一步的优化方案，所述介质基底采用F4B聚四氟乙烯高频微波板，厚度为0.8 mm。

作为本发明一种多功能有源频率选择表面进一步的优化方案，所述金属单元采用35μm厚度的铜。

作为本发明一种多功能有源频率选择表面进一步的优化方案，所述PIN二极管采用SOT-23封装的PIN二极管。

本发明还公开了一种基于该多功能有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：

如果需要多功能有源频率选择表面工作在双极化带通状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均不加载直流偏置电压；

如果需要多功能有源频率选择表面工作在双极化屏蔽状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；

如果需要多功能有源频率选择表面工作在TE极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压；

如果需要多功能有源频率选择表面工作在TM极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 采用一种特殊的拓扑结构，将金属粗线结构本身作为馈线连接PIN二极管，金属周期阵列内部无需额外的馈线，有效减小馈电系统对有源频率选择表面电磁特性产生的负面影响。

2. 通过分别调节上下两层金属周期阵列上的外加直流偏置电压的编码状态，独立控制上下两层PIN二极管的工作状态，能够在一块有源频率选择表面上实现电磁开关和极化选择两种功能，包括双极化带通、双极化屏蔽、TE极化波选择和TM极化波选择等四种不同的状态，器件结构简单，易于加工，角度稳定性较好。

附图说明

图1是多功能有源频率选择表面的单元结构侧视图；

图2（a）、图2（b）分别是多功能有源频率选择表面的上下层金属单元的结构示意图；

图3是多功能有源频率选择表面的阵列结构示意图；

图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）分别是多功能有源频率选择表面在上下层直流偏置电压为编码“00”、 “11”、 “10”、 “01”状态下的电磁波透射系数与频率、入射角度的关系图。

图中：1-介质基底，2-上层金属周期阵列，3-下层金属周期阵列，4-金属单元，5-隔交通直射频电感，A1-上层第一金属细线结构，A2-上层第二金属细线结构，B1-上层第一金属粗线结构，B2-上层第二金属粗线结构，C1-上层PIN二极管，A3-下层第一金属细线结构，A4-下层第二金属细线结构，B3-下层第一金属粗线结构，B4-下层第二金属粗线结构，C2-下层PIN二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种多功能有源频率选择表面，包括介质基底和分别设置在介质基底上侧和下侧的金属周期阵列；

所述金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元；

所述金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属粗线结构和一个PIN二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置；两个金属粗线结构通过PIN二极管连接成一条直线，平行设置在两个金属细线结构的中间；所述两个金属细线结构构成了金属单元正方形的两条边，所述两个金属粗线结构不和PIN二极管相连的一端分别设置在金属单元正方形的另外两条边上；

所述金属周期阵列中PIN二极管方向一致，且相邻金属单元之间对应相连；

所述介质基底上侧的金属周期阵列和介质基底下侧的金属周期阵列呈正交排列。

如图1、图2（a）和图2（b）所示，本发明实施例的多功能有源频率选择表面包括介质基底1和正交排布于于介质基底1两侧的上层金属周期阵列2和下层金属周期阵列3。上层金属周期阵列2的金属单元中包括上层第一金属细线结构A1、上层第二金属细线结构A2、上层第一金属粗线结构B1、上层第二金属粗线结构B2和上层PIN二极管C1；下层金属周期阵列3的金属单元中包括下层第一金属细线结构A3、下层第二金属细线结构A4、下层第一金属粗线结构B3、下层第二金属粗线结构B4、和下层PIN二极管C2。

如图3所示，本发明实施例的多功能有源频率选择表面阵列包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元4和外加直流偏置电压。外加直流偏置电压包括上层外加直流偏置电压Vu+和下层外加直流偏置电压Vd+，多功能有源频率选择表面阵列和外加直流偏置电压之间可以设置隔交通直射频电感5。

本发明中，采用一种特殊的拓扑结构，通过合理设计金属粗线结构之间的间距（适合PIN二极管的加载），将金属粗线结构本身作为馈线连接PIN二极管，使有源频率选择表面阵列内部无需额外的馈线。PIN二极管在不同的偏置电压下，呈现不同的工作状态，当施加外部直流偏置电压时，PIN二极管导通，标记为“1”；当外部直流直流偏置电压为零时，PIN二极管断开，标记为“0”。对上下两层外加直流偏置电压激励情况进行编码（标记第一位为上层偏置电压，第二位为下层偏置电压），可以得到四种不同的外加偏置电压组合（“00”、“11”、“10”和“01”），在不同的编码状态下，PIN二极管的工作状态不同，有源频率选择表面的阻抗也不同，对电磁波的操控情况也随之改变。我们可以通过设置多功能有源频率选择表面外加偏置电压组合编码，实现不同的功能，比如电磁开关和极化选择等。

根据多功能有源频率选择表面具体的工作频段，介质基底1的材料可选择聚四氟乙烯、环氧树脂等，金属结构材料可选择导电性好、性质稳定的金属，如铜、金和铝等，半导体元件可选择PIN二极管、变容二极管等。

在本实施例中，多功能有源频率选择表面工作在微波波段，介质基底采用F4B聚四氟乙烯高频微波板，厚度为0.8 mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上制作20 ´ 20的金属周期阵列，总的尺寸为320 ´ 320 mm²，金属单元采用35μm厚度的铜，半导体元件采用SOT-23封装的低功耗PIN二极管，采用0603封装的射频电感隔交通直。

在本实施例中，金属粗线结构本身作为馈线连接PIN二极管，同层金属阵列中加载的PIN二极管同向，同排金属周期单元中的两个金属粗线结构间的PIN二极管串联，在串联结构的两端外加直流偏置电压，通过改变直流偏置电压来改变PIN二极管的工作状态。对上下两层外加直流偏置电压激励情况进行编码，可以得到四种不同的外加偏置电压组合（“00”、“11”、“10”和“01”），在不同的编码下，PIN二极管的工作状态不同，有源频率选择表面的阻抗也不同，对电磁波的操控情况也随之改变。当外加偏置电压编码为“00”和“11”状态时，多功能有源频率选择表面具有电磁开关功能，其中，“00”工作在双极化带通状态，“11”工作在双极化屏蔽状态；当外加偏置电压编码为“10”和“01”状态时，多功能有源频率选择表面具有极化选择功能，其中，“10”工作在TE极化波选择状态，“01”工作在TM极化波选择状态。

图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）给出了外加直流偏置电压在不同编码状态下时，对本实施例的多功能有源频率选择表面透射系数S21的实测结果，其中：

图4（a）为多功能有源频率选择表面在编码“00”状态下的透射系数；

图4（b）为多功能有源频率选择表面在编码“11”状态下的透射系数；

图4（c）为多功能有源频率选择表面在编码“10”状态下的透射系数；

图4（d）为多功能有源频率选择表面在编码“01”状态下的透射系数。

当编码为“00”状态时，上下两层的外加直流偏置电压均为0 V，PIN二极管全部工作在断开状态，多功能有源频率选择表面在2.1 GHz呈现双极化带通特性（即TE和TM极化电磁波都能透射过去），插入损耗小于2 dB；当编码为“11”状态时，上下两层的外加直流偏置电压均为22 V，PIN二极管全部工作在导通状态，多功能有源频率选择表面在2.1 GHz呈现双极化屏蔽特性（即TE和TM极化电磁波都不能透射过去），与“00”状态相比在工作频点的隔离度大于15 dB；当编码为“10”状态时，上层和下层的外加直流偏置电压分别为22 V和0 V，PIN二极管分别工作在导通和断开状态，多功能有源频率选择表面在2.1 GHz呈现明显的TE极化选择特性（即仅有TE极化电磁波能够透射过去）；编码为“01”状态时，上层和下层的外加直流偏置电压分别为0 V和22 V，PIN二极管分别工作在断开和导通状态，多功能有源频率选择表面在2.1 GHz呈现明显的TM极化选择特性（即仅有TM极化电磁波能够透射过去）。

测试结果表明，通过独立控制多功能有源频率选择表面上下层阵列的外加直流偏置状态，能够在一块板子上实现多种电磁功能，这体现了本发明的多功能有源频率选择表面具有功能多样性和状态可调性，且设计灵活、方便。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多功能有源频率选择表面，其特征在于，包括介质基底和分别设置在介质基底上侧和下侧的金属周期阵列；

所述金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元；

所述金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属粗线结构和一个PIN二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置；两个金属粗线结构通过PIN二极管连接成一条直线，平行设置在两个金属细线结构的中间；所述两个金属细线结构构成了金属单元正方形的两条边，所述两个金属粗线结构不和PIN二极管相连的一端分别设置在金属单元正方形的另外两条边上；

所述金属周期阵列中PIN二极管方向一致，且相邻金属单元之间对应相连；

所述介质基底上侧的金属周期阵列和介质基底下侧的金属周期阵列呈正交排列。

2. 根据权利要求1所述的多功能有源频率选择表面，其特征在于，所述介质基底采用F4B聚四氟乙烯高频微波板，厚度为0.8 mm。

3.根据权利要求1所述的多功能有源频率选择表面，其特征在于，所述金属单元采用35μm厚度的铜。

4.根据权利要求1所述的多功能有源频率选择表面，其特征在于，所述PIN二极管采用SOT-23封装的PIN二极管。

5.基于权利要求1所述的多功能有源频率选择表面的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

如果需要多功能有源频率选择表面工作在双极化带通状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均不加载直流偏置电压；

如果需要多功能有源频率选择表面工作在双极化屏蔽状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；

如果需要多功能有源频率选择表面工作在TE极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压；

如果需要多功能有源频率选择表面工作在TM极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压。