CN107146929A

CN107146929A - 宽带和角度稳定的有源频率选择表面

Info

Publication number: CN107146929A
Application number: CN201710206664.7A
Authority: CN
Inventors: 姜文; 张坤哲; 洪涛; 曹先博; 龚书喜
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-09-08

Abstract

本发明公开了一种宽带和角度稳定的频率选择表面，主要解决现有频率选择表面不能兼顾宽带和角度稳定的问题，其包括周期表面(1)和介质基板(2)，该周期表面印制在介质基板的上表面，它由M×N个有源谐振单元(11)周期排列而成，该有源谐振单元由圆形贴片(111)、变形X形贴片(112)和变容二极管(113)组成，且圆形贴片与变形X形贴片于中心位置相交，两者的几何中心点重合，该变形X形贴片由四个枝节构成，每个枝节由第一直线段、扇形发卡线和第二直线段依次连接构成，四个枝节的一端重合于一点，呈"X"形分布，每个第二直线段C的一端与变容二极管连接。本发明具有良好的宽带和角度稳定性，可用于反射面天线和卫星通信。

Description

宽带和角度稳定的有源频率选择表面

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种有源频率选择表面，可用于反射面天线、卫星通信等诸多对频率选择表面的宽带性和角度稳定性均有严格要求的场景。

背景技术

频率选择表面FSS，是一种二维的周期阵列结构。FSS本身不吸收能量，却能有效控制入射电磁波的传输和反射，因此可以将其看成一种空间滤波器。频率选择表面FSS因其对不同频率电磁波的反射能力不同，具有按频率特征过滤电磁波的特性，从而在电磁兼容、通信以及导航等领域发挥着重要作用。

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，相应的技术手段也随之出现，如有源频率选择表面，通过合理的结构设计，可以实现良好的带宽，以满足频率选择表面结构对于频率可调的要求，但该技术手段在满足对于频率选择表面结构的频率可调的要求同时，往往忽视了对于带宽的要求。

如中国专利申请，授权公布号为CN201110406342.X，名称为“超宽可调范围的有源频率选择表面”的发明专利，该专利公开了一种超宽可调范围的有源频率选择表面，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。该新型频率选择表面相对于现在的无源频率选择表面，在介质板的背面加载了背面馈电网络后对整体结构进行一体化仿真设计，可以通过改变加载变容二极管的电容值而实现大范围内改变谐振频率，也可以通过调节加载变容二极管的电容值来实现所需的谐振频率。通过结构的合理设计，可以实现较宽可调范围，上述结构可调范围为1.8GHz-2.3GHz，但该结构的变频比仅为1.3：1，同时在专利叙述中也没有谈及关于结构的角度稳定性问题。

随着通信系统对于频率选择表面使用要求的提高，虽然已有较多技术手段可以实现有源频率选择表面良好的带宽，但这些手段在实现良好带宽的同时，往往不能同时兼顾角度稳定性，随着来波方向发生变化，频率选择表面的性能也会随之受到影响，极大限制了频率选择表面的使用场合与实用性。因此，很需要能同时兼顾宽带和角度稳定性的有源频率选择表面。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种宽带和角度稳定的有源频率选择表面，在具备宽带特性的基础上实现频率选择表面性能基本不受来波方向改变造成的影响，以扩展与增强频率选择表面的使用场合与实用性。

为了实现上述的目的，本发明包括周期表面1和介质基板2，所述周期表面1均印制在介质基板2的上表面，其特征在于，所述周期表面1由M×N个有源谐振单元11周期排列而成，其中M≥5，N≥5，该有源谐振单元11由圆形贴片111、变形X形贴片112和变容二极管113组成，其中圆形贴片111与变形X形贴片112于中心位置相交，且两者的几何中心点重合，变形X形贴片112的四端连接有变容二极管113。

作为优选，所述圆形贴片111位于有源谐振单元11的中心位置

作为优选，所述变形X形贴片112由四个枝节构成，每个枝节由第一直线段A、扇形发卡线B和第二直线段C依次连接而成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的有源谐振单元由于采用单层介质基板结构，在介质基板的上表面印制有有源谐振单元，从而加工制作简单易行；同时由于有源谐振单元以中心位置呈对称形式排布，且其中变形X形贴片通过弯曲回折的形式，延长了电流的传输路径，从而实现了小型化的设计目标；此外由于在实现小型化设计的同时，也有效保证了角度稳定性的特性；

本发明与现有有源频率选择表面相比，结构简单，可以降低频率选择表现设计的复杂性和成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的有源谐振单元整体结构示意图；

图3是本发明中的有源谐振单元平面俯视示意图；

图4是本发明实施例1的传输系数示意图；

图5是本发明实施例1的传输系数的角度稳定性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例1

参照图1和图2，本发明包括：

周期表面1和介质基板2，周期表面1位于介质基板2的上表面，其由M×N个边长p＝20mm的正方形有源谐振单元11以其边长p为周期排列而成，其中M＝15，N＝15，介质基板2的相对介电常数ε'＝2.20，电损耗角正切tanδ_D＝0.0007，厚度t＝0.8mm。

每个有源谐振单元11由圆形贴片111、变形X形贴片112和变容二极管113组成，其中圆形贴片111与变形X形贴片112位于中心位置，且圆形贴片111和变形X形贴片112的中心点重合，变形X形贴片112的四端各连接一个变容二极管113，圆形贴片111的半径为r＝1mm。

参照图3，所述变形X形贴片112由四个枝节构成，每个枝节由第一直线段A、扇形发卡线B和第二直线段C依次连接构成，四个枝节的一端重合于一点，呈“X”形分布，每个枝节为“X”形的一个“臂”，即以“X”形中心点为起点向外分布四条均由依次连接的第一直线段A、扇形发卡线B以及第二直线段C构成的臂。其中：扇形发卡线B为一段以弯折角β、间隔dr弯折4次的连续往返弯折弧线，呈“大肠”状，4个弯折点a、b、c、d依次分别位于以“X”形中心点为顶点、张角为θ的两条边上，第一弯折点a和第三弯折点c同位于一边，第二弯折点b和第四弯折点d同位于另一边；扇形发卡线B的两端分别连接第一直线段A和第二直线段C，变容二极管113连接在第二直线段C的另一端。

扇形发卡线B的宽度w1＝0.4mm，扇形发卡线B的弯折间隔dr＝0.3mm，张角θ＝60°，弯折角β＝180°；第一直线段A的长度k＝3.5mm，宽度w＝0.6mm；第二直线段C的长度k1＝0.9mm，宽度与第一直线段A相同；变容二极管的电容为0.1pf～1.0pf，变化步进为0.3pf，长度g＝1mm，宽度w2＝0.6mm。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：

介质基板2的厚度t＝0.75mm，第一直线段A的长度k＝3.4mm，宽度w＝0.5mm；扇形发卡线的张角为θ＝60^°，弯折角为β＝175°，扇形发卡线的宽度w1＝0.4mm，扇形发卡线的弯折间隔dr＝0.2mm；第二直线段B的长度k1＝0.7mm，宽度与第一直线段A相同；变容二极管的电容为0.1pf～1.0pf，变化步进为0.15pf，长度g＝0.8mm，宽度w2＝0.4mm。

实施例3

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：

介质基板2的厚度t＝1.05mm，第一直线段A的长度k＝3.6mm，宽度w＝0.7mm；扇形发卡线的张角为θ＝65°，弯折角为β＝185°，扇形发卡线的宽度w1＝0.6mm，扇形发卡线的弯折间隔dr＝0.4mm；第二直线段B的长度k1＝1.1mm，宽度与第一直线段A相同；变容二极管的电容为0.1pf～1.0pf，变化步进为0.45pf，长度g＝1.2mm，宽度w2＝0.6mm。

以下结合仿真结果对本发明的技术效果作进一步描述：

仿真1，基于商业仿真软件HFSS_16.0对上述实施例1的传输系数进行仿真计算，结果如图4所示；图4(a)为TE极化状态下的传输特性，图4(b)为TM极化状态下的传输特性。

从图4可以看出，当变容二极管电容值c由0.1pF变化到1.0pF时，本实例的传输系数特性曲线可以在2.8GHz～1.2GHz频率范围内实现调频特性，变频比为2.3：1，且调频特性不受极化状态影响。

仿真2，基于商业仿真软件HFSS_16.0对上述实施例1的传输系数角度稳定性进行仿真计算，结果如图5所示。其中图5(a)为变容二极管电容值c＝0.1pF时，TE极化状态下的角度特性，图5(b)为变容二极管电容值c＝0.1pF时，TM极化状态下的角度特性；图5(c)为变容二极管电容值c＝0.4pF时，TE极化状态下的角度特性，图5(d)为变容二极管电容值c＝0.4pF时，TM极化状态下的角度特性；图5(e)为变容二极管电容值c＝1.0pF时，TE极化状态下的角度特性，图5(f)为变容二极管电容值c＝1.0pF时，TM极化状态下的角度特性。

从图5可以看出，本实例的传输系数特性曲线在频率为2.8GHz～1.2GHz、入射角为0°～80°范围内能保持谐振特性基本不变，且基本不受极化状态影响。

以上仿真结果表明，本发明可以实现同时兼顾宽带和角度稳定性的特性。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围之内。

Claims

1.一种宽带和角度稳定的有源频率选择表面，包括周期表面(1)和介质基板(2)，所述周期表面(1)均印制在介质基板(2)的上表面，其特征在于，所述周期表面(1)由M×N个有源谐振单元(11)周期排列而成，其中M≥5，N≥5，该有源谐振单元(11)由圆形贴片(111)、变形X形贴片(112)和变容二极管(113)组成，其中圆形贴片(111)与变形X形贴片(112)于中心位置相交，且两者的几何中心点重合，变形X形贴片(112)的四端连接有变容二极管(113)。

2.根据权利要求1所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于所述介质基板(2)采用相对介电常数2.00≤ε'≤2.40、电损耗角正切0.0005≤tanδ_D≤0.0009的矩形板材，其厚度为S波段低频频率对应波长的0.005～0.007倍。

3.根据权利要求1所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：所述有源谐振单元(11)采用边长为p的正方形，20mm≤p≤24mm。

4.根据权利要求1所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：所述圆形贴片(111)位于有源谐振单元(11)的中心位置，其半径为r，1mm≤r≤3mm。

5.根据权利要求1所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：所述变形X形贴片(112)由四个枝节构成，每个枝节由第一直线段A、扇形发卡线B和第二直线段C依次连接构成，四个枝节的一端重合于一点，呈“X”形分布。

6.根据权利要求5所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：扇形发卡线B采用一段等间隔弯折n次的连续往返弯折弧线，呈“大肠”状分布，且每个弯折点依次分别位于以“X”形中心点为顶点、张角为θ的两条边上，n≥1，55°≤θ≤65°。

7.根据权利要求6所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：弯折弧线的宽度为w1、弯折角为β，弯折间隔为dr，这些参数的取值范围为：

0.4mm≤w1≤0.6mm，175°≤β≤185°，0.2mm≤dr≤0.4mm。

8.根据权利要求5所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：第一直线段A的长度为k，宽度为w；第二直线段C的长度为k1，宽度与第一直线段A相同，其中：3.4mm≤k≤3.6mm，0.5mm≤w≤0.7mm，0.7mm≤k1≤1.1mm。

9.根据权利要求1所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：所述变容二极管(113)的电容值为c，长度为g，宽度为w2，其中：

0.1pF≤c≤1pF，0.8mm≤g≤1.2mm，0.5mm≤w2≤0.7mm。

10.根据权利要求1所述的宽带和角度稳定的有源频率选择表面，其特征在于：所述M×N个有源谐振单元(11)的排列周期为20mm～24mm。