CN107181028B - 一种频率选择表面结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率选择表面结构及其制作方法。该频率选择表面结构包括一块介质板，介质板的正反两面分别设有上导电层和下导电层，上导电层和下导电层均设置有周期排布的周期单元，上导电层和下导电层的周期单元的形状和尺寸相同，通过在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，环内包围的金属块与其四周的导电层之间通过多个变容二极管连接，各层金属块通过导电过孔与对侧的导电层连接。本发明通过加载变容二极管于频率选择表面结构中，实现具有双极化电调性能的频率选择表面结构，通过上下层错位设计，利用频率选择表面自身的金属结构实现对偏置信号的传输，消除了偏置网路对传输特性的影响。

Description

一种频率选择表面结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及电子设计技术领域，特别涉及一种频率选择表面结构及其制作方法。
背景技术
频率选择表面结构又称为“空间滤波器”，是由特定形状的单元结构通过周期排列构成，是对空间波进行滤波的器件，常用于反射面天线、雷达吸波和天线罩等场合。
频率选择表面的谐振频率与其周期单元的结构尺寸参数有关，对于特定的结构尺寸，其谐振频率往往是固定不变的。但是在跳频、认知无线电等一些应用场景下，需要频率选择表面的通带或阻带特性能够根据系统指标随时进行改变，即通过外部输入的控制信号(如偏置电压、偏置磁场等)，改变频率选择表面的通带或阻带频率，满足实际应用需求。
近年来，作为频率选择表面结构的一个重要研究内容，可调频率选择表面结构得到广泛的研究。根据可调方式不同，可调频率选择表面结构可以分为电可调、磁可调和机械可调。磁可调频率选择表面结构采用铁氧体等材料作为衬底，在外加磁场的影响下，实现衬底材料的磁导率变化，进而调谐中心频率，但是需要配套的外部额外部件提供的可变磁场，不仅增加体积和成本，也会带来性能的影响；机械可调频率选择表面结构通过改变谐振单元的形状结构来实现频率的可调，但是往往需要外加压力使其发生形变，故存在着调节速度和精度等问题；电可调频率选择结构采用半导体变容二极管、PIN管、BST变容二极管、MEMS开关、液晶等电压或电流可控元件或材料实现频率可调节，电可调元件往往需要采用直流偏置电路和直流/射频隔离元件构成偏置网络，这对于大规模阵列的频率选择结构来说，可能会引起性能的恶化，例如谐振频率的偏移、产生寄生频段以及极性的恶化等，但是由于电可调元件具有小尺寸、纳秒级的调节速度和低成本等优势，认识目前最常用的可调方式。
发明内容
鉴于现有技术中电可调频率选择表面结构中偏置网络会对传输性能产生恶化影响的问题，提出了本发明的一种频率选择表面结构及其制作方法，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
依据本发明的一个方面，提供了一种频率选择表面结构，包括一块介质板，所述介质板的正反两面分别设有上导电层和下导电层，所述上导电层和所述下导电层均设置有周期排布的周期单元，所述上导电层和所述下导电层的周期单元的形状和尺寸相同，每个所述周期单元为在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块，所述金属块与其四周的导电层之间通过多个变容二极管连接；
所述上导电层中，所述变容二极管的正极连接所述金属块，负极连接所述上导电层，所述金属块通过导电过孔与所述下导电层连接；
所述下导电层中，所述变容二极管的负极连接所述金属块，正极连接所述下导电层，所述金属块通过导电过孔与所述上导电层连接。
可选地，所述上导电层和所述下导电层的周期单元沿所述介质板正反两面的横向或纵向错位排布。
可选地，所述金属块为圆形或正多边形，所述刻蚀形成的环的外形与所述金属块的外形相同，且二者同心。
可选地，所述上导电层中，所述金属块的正中心通过导电过孔与所述下导电层连接；所述下导电层中，所述金属块的正中心通过导电过孔与所述上导电层连接。
可选地，所述上导电层和所述下导电层中，所述变容二极管围绕所述金属块四周呈中心对称分布。
依据本发明的另一个方面，提供了一种频率选择表面结构的制作方法，该方法包括：
在一块介质板的正反两面分别设置上导电层和下导电层；
在所述上导电层和所述下导电层上设置周期排布的周期单元，且所述上导电层和所述下导电层的周期单元的形状和尺寸相同，每个所述周期单元通过在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块；
在所述上导电层中，将多个变容二极管的正极连接所述金属块，负极连接所述上导电层，并通过导电过孔将所述金属块与所述下导电层连接；
在所述下导电层中，将所述变容二极管的负极连接所述金属块，正极连接所述下导电层，并通过导电过孔将所述金属块与所述上导电层连接。
可选地，所述在所述上导电层和所述下导电层上设置周期排布的周期单元包括：在所述上导电层和所述下导电层上，沿所述介质板正反两面的横向或纵向错位排布设置所述周期单元。
可选地，所述每个所述周期单元通过在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块包括：刻蚀掉圆形或正多边形的金属环，以形成圆形或正多边形的金属块，使刻蚀形成的环与所述金属块同心。
可选地，在所述上导电层和所述下导电层中，将所述导电过孔设置在所述金属块的正中心处，使所述金属块与对侧的导电层实现导电连接。
可选地，在所述上导电层和所述下导电层中，将所述变容二极管围绕所述金属块四周呈中心对称分布。
综上所述，本发明的有益效果是：通过在介质板的上、下导电层上刻蚀掉金属环，将完整的导电层分割成周期排列的周期单元，在周期单元的金属块与所在层的导电层之间加载变容二极管，实现偏置电压对电容值的调节，从而通过电可调方式实现可调的频率选择表面结构；且上、下导电层的周期单元错位排布，其金属块通过导电过孔与对侧的导电层连接，从而加载在上导电层的偏置电压可以经过导电过孔传输到下导电层的周期单元的金属块上，同时实现对上、下导电层周期单元中变容二极管的控制，消除偏置网络对传输特性的影响，并且该新型电调频率选择表面结构具有双极化方向性，能够满足多极化电子设备对电调频率选择表面结构的设计要求。
附图说明
图1为本发明一个实施例的频率选择表面结构的示意图；
图2为上导电层的周期单元结构示意图；
图3为下导电层的周期单元结构示意图；
图中：1、介质板；2、上导电层；20、周期单元；21、金属块；22、环；23、导电过孔；24、变容二极管3、下导电层；30、周期单元；31、金属块；32、环；33、导电过孔；34、变容二极管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的核心思想是在介质板的上下导电层上刻蚀掉金属环，形成周期排列的周期单元，周期单元的金属块与所在导电层之间加载变容二极管，且上下导电层的周期单元，错位排布，其金属块通过导电过孔与对侧的导电层连接，从而加载在上导电层的偏置电压经过导电过孔传输到下导电层的周期单元的金属块上，同时实现对上下导电层周期单元中变容二极管的控制，消除偏置网络对传输特性的影响。
图1为本发明一个实施例的频率选择表面结构的示意图，如图1所示，本发明的频率选择表面结构，包括一块介质板1，介质板1的正反两面分别设有上导电层2和下导电层3，上导电层2和下导电层3均设置有周期排布的周期单元20和周期单元30。
上导电层2的周期单元20与下导电层3的周期单元30的形状和尺寸相同，分别如图中上导电层2和下导电层3上的虚线框所示，每个周期单元为在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环(22和32)内留有金属块(21和31)，金属块(21和31)与其四周的导电层之间通过多个变容二极管(24和34)连接，具体可参见图2和图3所示的上、下导电层周期单元示意图。
如图2所示，在上导电层2中，变容二极管24的正极连接金属块21，负极连接上导电层2，金属块21通过导电过孔23与下导电层3连接。
如图3所示，在下导电层3中，变容二极管34的负极连接金属块31，正极连接下导电层3，金属块31通过导电过孔33与上导电层2连接。
通过在介质板的上、下导电层上刻蚀掉金属环，将完整的导电层分割成周期排列的周期单元，在周期单元的金属块与所在层的导电层之间加载变容二极管，实现偏置电压对电容值的调节，从而通过电可调方式实现可调的频率选择表面结构，且上、下导电层的周期单元错位排布，其金属块通过导电过孔与对侧的导电层连接，从而加载在上导电层的偏置电压可以经过导电过孔传输到下导电层的周期单元的金属块上，同时实现对上、下导电层周期单元中变容二极管的控制，消除偏置网络对传输特性的影响，并且该新型电调频率选择表面结构具有双极化方向性，能够满足多极化电子设备对电调频率选择表面结构的设计要求。
优选地，上、下导电层的金属块为圆形或正多边形，刻蚀形成的环的外形与金属块的外形相同，且二者同心。采用圆形或正多边形的周期单元，可以使得形成的频率选择表面结构在多个方向上结构相同，对称性好，从而在加载偏置电压进行频率调节时，各个方向的响应一致，提高对称性能，如图1所示实施例中，上导电层2的金属块21和环22同心，且均为正方形形状，下导电层3的金属块31和环32同心，且均为正方形形状，当然，如上所述，采用圆形、正六边形等多边形形状的周期单元也可，这里图1的正方形周期单元只是其中的一种示意性实施例。
优选地，如图1所示，上导电层2的周期单元20与下导电层3的周期单元30沿介质板1正反两面的横向或纵向错位排布，即沿图中所示的X轴或Y轴方向错位，从而在X轴方向或Y轴方向上结构对称，便于将上、下导电层的周期单元沿一条直线分布，结构整齐紧凑。
更优选地，上导电层2中，金属块21的正中心通过导电过孔23与下导电层3连接；下导电层3中，金属块31的正中心通过导电过孔33与上导电层2连接。将导电过孔23和33分别设置在金属块21和31的正中心处，使得周期单元的结构对称，各个方向对偏置电压的响应一致，从而性能更加稳定。
优选地，上导电层2和下导电层3中，变容二极管24和变容二极管34分别围绕金属块21和金属块31四周呈中心对称分布，从而提高周期单元的对称性。
在使用本发明的频率选择表面结构时，在上导电层2上加载偏置电压，上导电层2的偏置电压通过可变电容二极管24传输至金属块21，进而通过导电过孔23传输至下导电层3的金属块31上，同时实现对上周期单元和下周期单元中变容二极管的控制，，通过改变加载的偏置电压的大小，即可实现对本发明频率选择表面结构的通带频率的控制。
本发明还公开了一种频率选择表面结构的制作方法，该方法包括：在一块介质板的正反两面分别设置上导电层和下导电层；在上导电层和下导电层上设置周期排布的周期单元，且上导电层和下导电层的周期单元的形状和尺寸相同，每个周期单元通过在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块；在上导电层中，将多个变容二极管的正极连接金属块，负极连接上导电层，并通过导电过孔将金属块与下导电层连接；在下导电层中，将变容二极管的负极连接金属块，正极连接下导电层，并通过导电过孔将金属块与上导电层连接。
优选地，在上导电层和下导电层设置周期单元，具体包括：在上导电层和下导电层上，沿介质板1正反两面的横向或纵向错位排布设置周期单元。
优选地，在对应的导电层上刻蚀形成周期单元时，刻蚀掉圆形或正多边形的金属环，以形成圆形或正多边形的金属块，使刻蚀形成的环与金属块同心。
优选地，在上导电层和下导电层中，将导电过孔设置在金属块的正中心处，将金属块与对侧的导电层实现导电连接。
优选地，在上导电层和下导电层中，将变容二极管围绕金属块四周呈中心对称分布。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种频率选择表面结构，包括一块介质板，所述介质板的正反两面分别设有上导电层和下导电层，所述上导电层和所述下导电层均设置有周期排布的周期单元，其特征在于，
所述上导电层和所述下导电层的周期单元的形状和尺寸相同，每个所述周期单元为在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块，所述金属块与其四周的导电层之间通过多个变容二极管连接；
所述上导电层中，所述变容二极管的正极连接所述金属块，负极连接所述上导电层，所述金属块通过导电过孔与所述下导电层连接，使用时，所述上导电层加载有偏置电压；
所述下导电层中，所述变容二极管的负极连接所述金属块，正极连接所述下导电层，所述金属块通过导电过孔与所述上导电层连接。
2.根据权利要求1所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述上导电层和所述下导电层的周期单元沿所述介质板正反两面的横向或纵向错位排布。
3.根据权利要求1所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述金属块为圆形或正多边形，所述刻蚀形成的环的外形与所述金属块的外形相同，且二者同心。
4.根据权利要求3所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述上导电层中，所述金属块的正中心通过导电过孔与所述下导电层连接；所述下导电层中，所述金属块的正中心通过导电过孔与所述上导电层连接。
5.根据权利要求3所述的频率选择表面结构，其特征在于，所述上导电层和所述下导电层中，所述变容二极管围绕所述金属块四周呈中心对称分布。
6.一种频率选择表面结构的制作方法，其特征在于，该方法包括：
在一块介质板的正反两面分别设置上导电层和下导电层；
在所述上导电层和所述下导电层上设置周期排布的周期单元，且所述上导电层和所述下导电层的周期单元的形状和尺寸相同，每个所述周期单元通过在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块；
在所述上导电层中，将多个变容二极管的正极连接所述金属块，负极连接所述上导电层，并通过导电过孔将所述金属块与所述下导电层连接；
在所述下导电层中，将所述变容二极管的负极连接所述金属块，正极连接所述下导电层，并通过导电过孔将所述金属块与所述上导电层连接。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述在所述上导电层和所述下导电层上设置周期排布的周期单元包括：在所述上导电层和所述下导电层上，沿所述介质板正反两面的横向或纵向错位排布设置所述周期单元。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述每个所述周期单元通过在对应的导电层上刻蚀掉金属环形成，刻蚀形成的环内留有金属块包括：刻蚀掉圆形或正多边形的金属环，以形成圆形或正多边形的金属块，使刻蚀形成的环与所述金属块同心。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述上导电层和所述下导电层中，将所述导电过孔设置在所述金属块的正中心处，使所述金属块与对侧的导电层实现导电连接。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述上导电层和所述下导电层中，将所述变容二极管围绕所述金属块四周呈中心对称分布。
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