CN108110428B - 一种适用于电磁开关的有源频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，包含：介质基板、多个第一层结构单元、与第一层结构单元个数相同的第二层结构单元，多个第一层结构单元和第二层结构单元分别周期性设置在介质基板的上表面与下表面上；第一层结构单元与第二层结构单元分别包括有多个金属贴片，每一金属贴片的两端分别设有金属通孔，其用于连通所述第一层结构单元中的金属贴片与第二层结构单元中的金属贴片；每一金属贴片上设有一间隙，每一间隙处设有一PIN管；在介质基板的上表面或下表面上沿着介质基板的边缘设有对各PIN管进行偏置的边缘馈线。本发明具有加工容易、结构简单，操作简易，应用于智能隐身天线罩、智能滤波器等方面的优点。

Description

一种适用于电磁开关的有源频率选择表面
技术领域
本发明涉及雷达天线罩设计领域，特别涉及一种极化稳定且极化可调的对特定频段具有开关功能的有源频率选择表面。
背景技术
频率选择表面 (Frequency Slective Surface，FSS)是由大量谐振单元（金属贴片或缝隙）组成的周期性阵列结构，能够有效地控特定频率电磁波反射和传输，广泛地运用于空间滤波器和天线罩。与传统的天线罩相比，频率选择表面天线罩不仅能够提高雷达工作频带内的透波率，保证雷达正常工作，而且还能降低工作频带外的电磁波反射率，获得良好的隐身效果。然而，频率选择表面一旦加工完成，其电气特性即确定下来无法改变，当探测雷达频段正好在FSS带通范围内，FSS天线罩就失去隐身的作用。
有源频率选择表面(Active Frequency Slective Surface，AFSS)是在传统FSS上加入某种激励，然后通过人为控制激励，实现电气性能可变。目前实现有源FSS主要有三种方式：在无源FSS结构中加入有源器件（PIN管和变容二极管）、使用电磁特性可变的介质衬底和控制不同层间的耦合方式，其中以无源FSS结构中加入有源器件研究最为广泛。随着技术的发展，结构简单、频率可调性强、极化稳定、入射角稳定、馈电网络简易的有源频率选择表面需求迫切。
南京理工大学在专利“一种带通跳变有源频率选择表面”（申请号：201410251547.9）中，提出一种带通跳变有源频率选择表面结构，工作在X波段，单元为矩形结构，采用悬梁式MEMS开关，在频选单元多个位置进行布置，通过悬梁式MEMS开关的导通和断开以及调控不同位置的MEMS，改变了电磁波传输特性，实现了电磁波频率选择。该发明带通平坦度好，且对带外频率具有较好衰减效果。该发明并未涉及极化相关的问题。
厦门大学在专利“单元间强耦合超宽可调有源频率选择表面”（申请号：201410152972.2）中，提出一种新型有源频率选择表面，单元为一根竖直金属条以及二根长短不一的水平金属条组成，变容二极管加载水平金属条上，在不同单元的竖直金属条上加载电感进行连接，该发明利用单元间的强耦合，通过给变容二极管加载偏置电压改变二极管的电容值，实现了整个结构谐振频点超宽范围的移动。该发明金属单元、PIN管以及电感形成完整电路回路，无需额外偏置网络。该发明并未涉及电磁开关方面以及极化相关的问题。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在专利“有源频率选择表面的设计方法”（申请号：201510527244.X）中，在密级布阵的贴片频率选择表面上周期性加载电控集总元件，并通过电桥网络确定等电势线进行馈电。该发明提出的方法适用性强，且解决宽角度照射下寄生谐振现象的技术问题。该设计方法在天线罩、吸波材料、全向扫描天线以及相控阵雷达等领域具有广泛的应用背景，但其未考虑极化稳定的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，利用PIN管的电阻变化，实现单元谐振图案的变化，以及目标频段电磁波透过与屏蔽功能，并且巧妙利用金属贴片正交排布以及金属通孔，解决了不同极化之间的影响，实现极化单独控制以及极化稳定性的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种适用于电磁开关的有源频率选择表面包含：介质基板、多个第一层结构单元、与所述第一层结构单元个数相同的第二层结构单元，多个所述第一层结构单元和第二层结构单元分别周期性设置在所述介质基板的上表面与下表面上。所述第一层结构单元与第二层结构单元分别包括有多个金属贴片，每一所述金属贴片的两端分别设有金属通孔，其用于连通所述第一层结构单元中的金属贴片与所述第二层结构单元中的金属贴片。每一所述金属贴片上设有一间隙，每一间隙处设有一PIN管。在所述介质基板的上表面或下表面上沿着所述介质基板的边缘设有对各所述PIN管进行偏置的边缘馈线。
优选地，每一所述金属贴片呈直线段型，各个所述金属贴片之间横竖相间设置。
优选地，所述第一层结构单元与第二层结构单元分别设有四根呈直线段型的金属贴片，四根呈直线段型的金属贴片呈旋转对称设置，所述第一层结构单元中一个金属贴片对应与第二层结构单元中的一个金属贴片呈正交设置。
优选地，处于横向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从左至右，处于竖向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从上至下；或者，处于横向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从右至左，处于竖向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从下至上。
优选地，所有PIN管通过对应的所述边缘馈线进行控制，对所述边缘馈线施加电压偏置，PIN管为导通状态，电磁波透过，电磁开关为开状态；对所述边缘馈线不加电压偏置，PIN管为截止状态，电磁波屏蔽，电磁开关为关状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明利用PIN管的电阻变化，实现单元谐振图案的变化，以及目标频段电磁波透过与屏蔽功能，并且巧妙利用金属贴片正交排布以及金属通孔，解决了不同极化之间的影响，实现了极化单独控制以及极化稳定性。本发明具有加工容易、结构简单，操作简易，具有良好的应用前景，可以用于智能隐身天线罩、智能滤波器等方面的优点。
附图说明
图1为本发明一种适用于电磁开关的有源频率选择表面的上下面结构示意图；
图2为一种适用于电磁开关的有源频率选择表面结构俯视图；
图3为本发明单个单元上下面结构示意图；
图4为本发明中有源频率选择表面结构的金属通孔结构示意图；
图5a和5b为实施例所述的适用于电磁开关的有源频率选择表面仅水平方向开状态（PIN管导通）和仅竖直方向开状态（PIN管导通）时，垂直极化和水平极化电磁波垂直于表面结构传输系数图；
图6a和6b为实施例所述的适用于电磁开关的有源频率选择表面水平方向和竖直方向同时为开状态（PIN管导通）关状态时（PIN管关闭）时，垂直极化和水平极化电磁波垂直于表面结构传输系数图；
图7为实施例所述的适用于电磁开关的有源频率选择表面在5.9GHz~6.7GHz频段内，开状态与关状态下电磁波传输系数对比图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明提到的正面与反面皆以图1为准，其中图1的上表面为正面，图1的下表面为反面。
结合图1~3所示，本发明一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，包含：一介质基板、多个上层四条直线型贴片结构单元，多个下层四条直线型贴片结构单元，多个所述上层四条直线型贴片结构单元分别周期性蚀刻在所述介质基板的正面上；多个所述下层四条直线型贴片结构单元分别周期性蚀刻在所述介质基板的反面上。
如图3所示，在本实施例中，每个上层四条直线型贴片结构单元设有成中心对称的四条直线段型的金属贴片；每个下层四条直线型贴片结构单元设有成中心对称的四条直线段型的金属贴片；上层四条直线型贴片结构单元中的各直线段型的金属贴片对应与下层四条直线型贴片结构单元中的各直线段型的金属贴片正交。具体的为，上述上层与下层四条直线型贴片结构单元为大小相同的正方形结构。沿着所述正方形的两个正交的竖直对称轴与水平对称轴做一平面直角坐标系，其中，对于上层四条直线型贴片结构单元，两个对称轴的中心为坐标原点O，水平对称轴为x轴，竖直对称轴为y轴。则其中第一金属贴片1与第三金属贴片3分别位于第二与第四象限，且与x轴垂直；第二金属贴片2与第四金属贴片4分别位于第三与第一象限，且与y轴垂直。
则其中第八金属贴片8与第六金属贴片6分别位于第二与第四象限，且与y轴垂直；第五金属贴片5与第七金属贴片7分别位于第三与第一象限，且与x轴垂直。则第一至第四金属贴片1~4相对于坐标原点O旋转对称，第五至第八金属贴片相对于坐标原点O旋转对称。第一金属贴片1与第八金属贴片8正交，第二金属贴片2与第五金属贴片5正交、第三金属贴片3与第六金属贴片6正交以及第七金属贴片7与第四金属贴片4正交。
结合图1与图4所示，上述每一直线段型金属贴片的两端处分别设有金属通孔，其位于所述介质基板正面的每一直线段型金属贴片的一端通过对应的金属通孔与位于所述介质基板反面的对应的直线段型金属贴片的一端连接，即两个分别位于介质基板正面与反面的直线段型金属贴片通过金属通孔首尾连接。
如图3所示，每一直线段型金属贴片的中间处上设有一间隙，所述间隙处焊接有一PIN管，所述间隙的长度L与PIN管相匹配。位于介质基板正面的PIN管的焊接方向与位于介质基板反面的PIN管的焊接方向为成正交关系。
在本实施例中，所述介质基板的厚度为H，层与下层四条直线型贴片结构单元的边长为P，直线段型金属贴片长度P/2，宽度为W；金属通孔半径为R。选用的PIN管封装规格为0402，所述的PIN管工作频率能够覆盖5~7GHz频段。所述介质基板为Rogers5880基板，介质基板介电常数为2.2。
沿着所述介质基板的正面的边缘分别设有一边缘馈线，在本实施例中 ，所述边缘馈线为金属线，用以PIN管馈电。
通过在边缘4条馈线上加载高、低电平来调节上表面和下表面的PIN管的开关工作状态，实现对不同极化的入射电磁波的通过与不通过控制，从而实现电磁开关“开”与“关”功能。当需要特定频率的电磁波通过时，提供偏置电压，电磁开关为开状态；当不需要该特定频率的电磁波通过时，不提供偏置电压，电磁开关为关状态。
在本实施例中，金属贴片与金属通孔均可通过PCB加工工艺实现。
每条直线段型金属贴片的长度相同和宽度相同。
自由空间的任意电磁波可以分解为水平极化（TM极化）和垂直极化（TE极化）两个极化分量。电磁波照射时，只有与电磁场极化方向（电场方向）相同的直线贴片和PIN管起作用，与极化方向呈正交关系的贴片和PIN管作用可以忽略不计，因此本发明设计的电磁开关可以实现单极化可控。PIN管不导通时，可以等效为大阻值电阻；导通时，可以等效为极小阻值电阻。利用此特性，当PIN管不导通时，对应该直线段型金属贴片被隔断，此电磁开关可以视为十字型贴片频率选择表面，表现为带阻特性，带阻频率与十字贴片长度相关；当PIN管导通时，该直线段型金属贴片通过该PIN管相连，不同面的直线通过金属通孔相连，同一方向上直线贴片首尾相连，此时电磁开关可以视为金属网栅，表现为高通特性。通过合理设计周期长度、直线段型金属贴片长度P/2、焊接PIN管的间隙长度L，调节 PIN管不导通时带阻频点落在PIN管导通时的高通区域内，对此频点便实现了电磁开关的功能。
在本实施例中，相关的几何参数分别为P=40mm，W=1mm，L=1mm，R=0.5mm，H=0.508mm。
其能够在微波频段的5~7GHz产生响应，中心频点为6.3GHz，并在并在该频段实现对水平极化和垂直极化波一致的频响特性。通过调节PIN管的通断，实现在电磁波在该频段带通特性和屏蔽特性，起到电磁开关的作用。PIN管关闭对应于带阻特性，电磁开关为关状态，PIN管打开对应于带通特性，电磁开关为开状态。
本实施例可以实现电磁波单极化控制，其各PIN管馈电方式均如图2所示，当第一边缘馈线1为高电平和第三边缘馈线3为低电平时，水平方向PIN管导通，垂直方向PIN管截止，此时电磁开关对水平极化电磁波透过，表现为开状态，对垂直极化电磁波屏蔽，表现为关状态。当第二边缘馈线2为高电平和第四边缘馈线4为低电平时，电磁开关对水平极化为关状态，对垂直极化为开状态；当第一与第二边缘馈线1、2同时高电平，第三与第四边缘馈线3、4同时低电平，电磁开关对垂直和水平极化电磁波均为开状态；当所有边缘馈线均为低电平，电磁开关对垂直和水平极化电磁波均为关状态。
本实施例的幅频特性仿真结果如图5a、5b、6a与6b和图7所示，电磁 开关可以实现单极化控制，水平和垂直极化传输特性一致，具有较好极化稳 定性。在频段5.9GHz～6.7GHz内，PIN管导通电磁开关为开状态时插入损耗 约为1dB，PIN管截止电磁开关为闭状态时插入损耗大于11dB，传输相差 10dB以上，中心频点6.3GHz传输相差近18dB，具有较好的“开关”特性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，其特征在于，包含：介质基板、多个第一层结构单元、与所述第一层结构单元个数相同的第二层结构单元，多个所述第一层结构单元和第二层结构单元分别周期性设置在所述介质基板的上表面与下表面上；
所述第一层结构单元与第二层结构单元分别包括有多个金属贴片，每一所述金属贴片呈直线段型，各个所述金属贴片之间横竖相间设置，每一所述金属贴片的两端分别设有金属通孔，其用于连通所述第一层结构单元中的金属贴片与所述第二层结构单元中的金属贴片；
每一所述金属贴片上设有一间隙，每一间隙处设有一PIN管；
在所述介质基板的上表面或下表面上沿着所述介质基板的边缘设有对各所述PIN管进行偏置的边缘馈线。
2.如权利要求1所述的一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，其特征在于，所述第一层结构单元与第二层结构单元分别设有四根呈直线段型的金属贴片，四根呈直线段型的金属贴片呈旋转对称设置，所述第一层结构单元中一个金属贴片对应与第二层结构单元中的一个金属贴片呈正交设置。
3.如权利要求1所述的一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，其特征在于，处于横向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从左至右，处于竖向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从上至下；或者，处于横向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从右至左，处于竖向设置的金属贴片的所有PIN管导通方向为从下至上。
4.如权利要求1所述的一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，其特征在于，所有PIN管通过对应的所述边缘馈线进行控制，对所述边缘馈线施加电压偏置，PIN管为导通状态，电磁波透过，电磁开关为开状态；对所述边缘馈线不加电压偏置，PIN管为截止状态，电磁波屏蔽，电磁开关为关状态。
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