CN108321546A - 一种改进型多功能有源频率选择表面及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型多功能有源频率选择表面及其控制方法，多功能有源频率选择表面包含介质基底和正交排布在介质基底两侧的由呈周期性排布的金属单元组成的金属周期阵列；金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属开槽T形结构和一个PIN二极管；金属开槽T形结构包含横边和T形结构；两个金属细线结构平行设置，两个金属开槽T形结构的横边和T形结构的横边平行设置，T形结构的竖边通过PIN二极管连成一条直线。相邻金属单元中两个金属开槽T形结构的横边之间加载变容二极管。本发明集电磁开关、极化选择和频率调谐三种电磁功能于一体，能更为主动操控电磁波，在智能建筑和通信系统中的多功能设备等方面都有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电磁超材料技术领域，具体涉及一种改进型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。有源器件通常具有串联型和并联型两种馈电形式。串联型馈电同时对一排有源器件进行馈电，其外加偏置电压值会随有源器件数量的增加而增大，更为严重的是，当某个有源器件损坏不工作时，其所在一整排的有源器件便都不能正常工作，从而影响整个有源频率选择表面的电磁特性。因此，有必要研究和设计有源器件的并联馈电形式。
尽管目前有很多具有电控可重构特性的AFSS见诸报道，但是由于其功能单一，使得这些设计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，有必要研究集电磁开关、极化选择和频率调谐等多种电磁功能于一体的多功能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，提供一种改进型多功能有源频率选择表面及其控制方法，首次将电磁开关、极化选择和频率调谐等三种电磁功能集成于同一结构，能有效解决现有有源频率选择表面功能单一等问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种改进型多功能有源频率选择表面，包括介质基底、设置在介质基底上侧的第一金属周期阵列、以及设置在介质基底下侧的第二金属周期阵列；
所述第一金属周期阵列、第二金属周期阵列均包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元；
所述金属单元呈中心对称的正方形，包含两个金属细线结构、两个金属开槽T形结构和一个PIN二极管；
所述两个金属开槽T形结构均包含一条横边和一个T形结构，所述T形结构包含一条长边和一条垂直于该长边的短边，所述横边、短边在长边的两侧，且所述横边和所述长边平行；其中，一个金属开槽T形结构中T形结构的短边通过所述PIN二极管和另一个金属开槽T形结构中T形结构的短边连成一条直线，两个金属开槽T形结构的横边和金属单元正方形其中两条平行的边平行；
所述两个金属细线结构位于所述两个金属开槽T形结构的长边之间，分别设置在金属单元正方形另外两条平行的边上；
PIN二极管所在直线的方向上，相邻金属单元之间通过变容二极管相连，即两个相邻金属单元中相互靠近的金属开槽T形结构的横边的中点通过变容二极管相连；
垂直于PIN二极管所在直线的直线方向上，相邻金属单元的两个金属开槽T形结构的横边、长边对应相连；
所述第一金属周期阵列、第二金属周期阵列中，所有PIN二极管加载方向一致且并联连接，通过各个T形结构的长边独立施加正向偏置电压；所有变容二极管加载方向一致且并联连接，通过金属开槽T形结构的横边独立施加反向偏置电压；
所述第一金属周期阵列和第二金属周期阵列呈正交排列。
本发明还公开了一种该改进型多功能有源频率选择表面的控制方法，包括以下步骤：
如果需要改进型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PIN二极管、介质基底下侧的PIN二极管上均不加载正向直流偏置电压；
如果需要改进型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PIN二极管、介质基底下侧的PIN二极管上均加载正向直流偏置电压；
如果需要改进型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PIN二极管加载正向直流偏置电压、在介质基底下侧的PIN二极管上不加载正向直流偏置电压；
如果需要改进型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PIN二极管上不加载正向直流偏置电压、在介质基底下侧的PIN二极管加载正向直流偏置电压。
作为本发明一种改进型多功能有源频率选择表面的控制方法进一步的优化方案，包括以下步骤：
当改进型多功能有源频率选择表面处在双极化带通状态时，通过控制介质基底上侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的通带工作频率或通过控制介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TE极化波的通带工作频率；
当改进型多功能有源频率选择表面处在双极化屏蔽状态时，通过控制介质基底上侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的阻带工作频率或通过控制介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TE极化波的阻带工作频率；
当改进型多功能有源频率选择表面处在TE极化波选择状态时，通过控制介质基底上侧的或介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的阻带工作频率和TE极化波的通带工作频率；
当改进型多功能有源频率选择表面处在TM极化波选择状态时，通过控制介质基底上侧的或介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的通带工作频率和TE极化波的阻带工作频率。
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. 将电磁开关、极化选择和频率调谐三种不同的电磁功能集成于一体，该器件结构简单，稳定性较好，能有效降低加工成本、整体重量和尺寸。
2. PIN二极管和变容二极管的馈电系统相互独立，使得不同的功能可以被独立操控。通过操控上下两层PIN二极管的外加正向直流偏置，独立改变PIN二极管的工作状态，能够实现在某一固定工作频点处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极化波选择四种不同的状态；通过操控上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，独立改变变容二极管的工作状态，能够改变不同状态下器件的工作频率。
附图说明
图1是本发明改进型多功能有源频率选择表面的结构侧视图；
图2（a）、图2（b）分别是本发明改进型多功能有源频率选择表面中第一金属周期阵列、第二金属周期阵列种金属单元的结构示意图；
图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）分别是本发明改进型多功能有源频率选择表面在双极化带通、双极化屏蔽、TE极化波选择、TM极化波选择四种不同工作状态下进行频率调谐的传输系数结果示意图。
图中：1-介质基底，2-第一金属周期阵列，3-第二金属周期阵列，A1-第一金属周期阵列中金属单元的一个金属细线结构，A2-第一金属周期阵列中金属单元的另一个金属细线结构，B11-第一金属周期阵列中金属单元的一个金属开槽T形结构中的T形结构，B12-第一金属周期阵列中金属单元的一个金属开槽T形结构中的横边，B21-第一金属周期阵列中金属单元的另一个金属开槽T形结构中的T形结构，B22-第一金属周期阵列中金属单元的另一个金属开槽T形结构中的横边，C1-第一金属周期阵列中金属单元中加载的PIN二极管，D1-第一金属周期阵列中金属单元间加载的一个变容二极管，D2-第一金属周期阵列中金属单元间加载的另一个变容二极管，A3-第二金属周期阵列中金属单元的一个金属细线结构，A4-第二金属周期阵列中金属单元的另一个金属细线结构，B31-第一金属周期阵列中金属单元的一个金属开槽T形结构中的T形结构，B32-第一金属周期阵列中金属单元的一个金属开槽T形结构中的横边，B41-第一金属周期阵列中金属单元的另一个金属开槽T形结构中的T形结构，B42-第一金属周期阵列中金属单元的另一个金属开槽T形结构中的横边，C2-第二金属周期阵列中金属单元中加载的PIN二极管，D3-第二金属周期阵列中金属单元间加载的一个变容二极管，D4-第二金属周期阵列中金属单元间加载的另一个变容二极管。
具体实施方式
为了更加清楚明白地阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2（a）和图2（b）所示，本发明公开了一种改进型多功能有源频率选择表面，其特征在于，包括介质基底、设置在介质基底上侧的第一金属周期阵列、以及设置在介质基底下侧的第二金属周期阵列。
第一金属周期阵列、第二金属周期阵列均包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元。
金属单元呈中心对称的正方形，包含两个金属细线结构、两个金属开槽T形结构和一个PIN二极管；两个金属开槽T形结构均包含一条横边和一个T形结构，T形结构包含一条长边和一条垂直于该长边的短边，横边、短边在长边的两侧，且横边和长边平行；其中，一个金属开槽T形结构中T形结构的短边通过PIN二极管和另一个金属开槽T形结构中T形结构的短边连成一条直线，两个金属开槽T形结构的横边和金属单元正方形其中两条平行的边平行；两个金属细线结构位于两个金属开槽T形结构的长边之间，分别设置在金属单元正方形另外两条平行的边上。
PIN二极管所在直线的方向上，相邻金属单元之间通过变容二极管相连，即两个相邻金属单元中相互靠近的金属开槽T形结构的横边的中点通过变容二极管相连。
垂直于PIN二极管所在直线的直线方向上，相邻金属单元的两个金属开槽T形结构的横边、长边对应相连。
第一金属周期阵列、第二金属周期阵列中，所有PIN二极管加载方向一致且并联连接，通过各个T形结构的长边独立施加正向偏置电压；所有变容二极管加载方向一致且并联连接，通过金属开槽T形结构的横边独立施加反向偏置电压。
第一金属周期阵列和第二金属周期阵列呈正交排列。
本发明中，采PIN二极管和变容二极管的馈电系统相互独立，使得不同的功能可以被独立操控。通过操控上下两层PIN二极管的外加正向直流偏置，独立改变PIN二极管的工作状态，能够实现在某一固定工作频点处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极化波选择四种不同的状态；通过操控上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，独立改变变容二极管的工作状态，能够改变不同状态下器件的工作频率，将电磁开关、极化选择和频率调谐三种不同的电磁功能集成于一体，该器件结构简单，稳定性较好，能有效降低加工成本、整体重量和尺寸。
根据改进型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，半导体元件可选择变容二极管、PIN二极管等。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的多功能有源频率选择表面进行详细说明。
在本实施例中，改进型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16 ´16的金属周期阵列，总的尺寸为300 ´ 300 mm2，金属结构厚度采用35 μm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SC-79封装的变容二极管。
基于该改进型多功能有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：
操控上下两层PIN二极管的外加正向直流偏置，独立改变PIN二极管的工作状态，能够实现在某一固定工作频点处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极化波选择四种不同的状态，即如果需要改进型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PIN二极管、介质基底下侧的PIN二极管上均不加载正向直流偏置电压；如果需要改进型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PIN二极管、介质基底下侧的PIN二极管上均加载正向直流偏置电压；如果需要改进型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PIN二极管加载正向直流偏置电压、在介质基底下侧的PIN二极管上不加载正向直流偏置电压；如果需要改进型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PIN二极管上不加载正向直流偏置电压、在介质基底下侧的PIN二极管加载正向直流偏置电压。操控上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，独立改变变容二极管的工作状态，能够改变不同状态下器件的工作频率，即当处在双极化带通状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TE极化波和TM极化波的通带工作频率；当处在双极化屏蔽状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TE极化波和TM极化波的阻带工作频率；当处在TE极化波选择状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TM极化波的阻带工作频率和TE极化波的通带工作频率；当处在TM极化波选择状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TM极化波的通带工作频率和TE极化波的阻带工作频率。
图3（a）至图3（d）给出了改进型多功能有源频率选择表面分别在双极化带通、双极化屏蔽、TE极化波选择和TM极化波选择四种不同工作状态下进行频率调谐的传输系数结果。其中：
（a）为改进型多功能有源频率选择表面在双极化带通状态下的频率调谐功能；
（b）为改进型多功能有源频率选择表面在双极化屏蔽状态下的频率调谐功能；
（c）为改进型多功能有源频率选择表面在TE极化波选择状态下的频率调谐功能；
（d）为改进型多功能有源频率选择表面在TM极化波选择状态下的频率调谐功能。
当上下两层PIN二极管都关闭时，改进型多功能有源频率选择表面处在双极化带通状态，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TE极化波和TM极化波的通带工作频率；当上下两层PIN二极管都打开时，改进型多功能有源频率选择表面处在双极化屏蔽状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TE极化波和TM极化波的阻带工作频率；当上层PIN二极管打开而下层PIN二极管关闭时，改进型多功能有源频率选择表面处在TE极化波选择状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TM极化波的阻带工作频率和TE极化波的通带工作频率；当上层PIN二极管关闭而下层PIN二极管打开时，改进型多功能有源频率选择表面处在TM极化波选择状态时，通过控制上下两层变容二极管的外加反向直流偏置，能够分别连续改变TM极化波的通带工作频率和TE极化波的阻带工作频率。
结果表明，通过独立控制改进型多功能有源频率选择表面上下层PIN二极管的外加正向直流偏置，能够实现电磁开关和极化选择两种功能，实现双极化带通、双极化屏蔽、TE极化波选择和TM极化波选择四种电磁状态；当改进型多功能有源频率选择表面处在以上一种电磁状态中，通过独立控制改进型多功能有源频率选择表面上下层变容二极管的外加反向直流偏置，能够实现频率调谐功能，对该状态的工作频率进行调谐。这体现了本发明的改进型多功能有源频率选择表面具有功能多样性和状态可调性，且该器件结构简单，稳定性较好，能有效降低加工成本、整体重量和尺寸。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，并不用以限制本发明。应当指出：凡在本发明精神和原则之内所做出任何改进和润饰，均应视为本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种改进型多功能有源频率选择表面，其特征在于，包括介质基底、设置在介质基底上侧的第一金属周期阵列、以及设置在介质基底下侧的第二金属周期阵列；
所述第一金属周期阵列、第二金属周期阵列均包括若干个呈周期性阵列分布的金属单元；
所述金属单元呈中心对称的正方形，包含两个金属细线结构、两个金属开槽T形结构和一个PIN二极管；
所述两个金属开槽T形结构均包含一条横边和一个T形结构，所述T形结构包含一条长边和一条垂直于该长边的短边，所述横边、短边在长边的两侧，且所述横边和所述长边平行；其中，一个金属开槽T形结构中T形结构的短边通过所述PIN二极管和另一个金属开槽T形结构中T形结构的短边连成一条直线，两个金属开槽T形结构的横边和金属单元正方形其中两条平行的边平行；
所述两个金属细线结构位于所述两个金属开槽T形结构的长边之间，分别设置在金属单元正方形另外两条平行的边上；
PIN二极管所在直线的方向上，相邻金属单元之间通过变容二极管相连，即两个相邻金属单元中相互靠近的金属开槽T形结构的横边的中点通过变容二极管相连；
垂直于PIN二极管所在直线的直线方向上，相邻金属单元的两个金属开槽T形结构的横边、长边对应相连；
所述第一金属周期阵列、第二金属周期阵列中，所有PIN二极管加载方向一致且并联连接，通过各个T形结构的长边独立施加正向偏置电压；所有变容二极管加载方向一致且并联连接，通过金属开槽T形结构的横边独立施加反向偏置电压；
所述第一金属周期阵列和第二金属周期阵列呈正交排列。
2.基于权利要求1所述的改进型多功能有源频率选择表面的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
如果需要改进型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PIN二极管、介质基底下侧的PIN二极管上均不加载正向直流偏置电压；
如果需要改进型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PIN二极管、介质基底下侧的PIN二极管上均加载正向直流偏置电压；
如果需要改进型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PIN二极管加载正向直流偏置电压、在介质基底下侧的PIN二极管上不加载正向直流偏置电压；
如果需要改进型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PIN二极管上不加载正向直流偏置电压、在介质基底下侧的PIN二极管加载正向直流偏置电压。
3.基于权利要求2所述的改进型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：
当改进型多功能有源频率选择表面处在双极化带通状态时，通过控制介质基底上侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的通带工作频率或通过控制介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TE极化波的通带工作频率；
当改进型多功能有源频率选择表面处在双极化屏蔽状态时，通过控制介质基底上侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的阻带工作频率或通过控制介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TE极化波的阻带工作频率；
当改进型多功能有源频率选择表面处在TE极化波选择状态时，通过控制介质基底上侧的或介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的阻带工作频率和TE极化波的通带工作频率；
当改进型多功能有源频率选择表面处在TM极化波选择状态时，通过控制介质基底上侧的或介质基底下侧的变容二极管的外加反向直流偏置改变TM极化波的通带工作频率和TE极化波的阻带工作频率。
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| CN201810047132.8A CN108321546A (zh) | 2018-01-18 | 2018-01-18 | 一种改进型多功能有源频率选择表面及其控制方法 |
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| CN201810047132.8A CN108321546A (zh) | 2018-01-18 | 2018-01-18 | 一种改进型多功能有源频率选择表面及其控制方法 |
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- 2018-01-18 CN CN201810047132.8A patent/CN108321546A/zh active Pending
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