CN108767487B - 一种带通型宽阻带可重构频率选择表面 - Google Patents

一种带通型宽阻带可重构频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带通型宽阻带可重构频率选择表面,包括二极管开关结构和混合周期表面结构（4）；所述二极管开关结构包括第一介质层（2），第一介质层（2）的上表面设置有第一金属条带阵列（1），第一介质层（2）的下表面设置有第二金属条带阵列（3）；且所述第二金属条带阵列（3）与混合周期表面结构（4）的上表面固定。通过第一金属条带阵列（1）和第二金属条带阵列（3）中的PIN二极管通断控制，使得频率选择表面在传输和截止状态之间进行切换，天线工作时，天线辐射的能量能够以较小的损耗通过频率选择表面，天线不工作时，频率选择表面对外界电磁波照射表现为全反射，与传统的带通型频率选择表面相比，更具实用性和可控性。

Description

一种带通型宽阻带可重构频率选择表面
技术领域
本发明涉及周期结构中频率选择表面设计领域，特别是涉及一种带通型宽阻带可重构频率选择表面。
背景技术
随着现代雷达和通信系统的快速发展，无线电子系统得到广泛使用。天线作为无线收发系统中的必要组成部分，可以发射和接收所需的信号，因此在通信、雷达和飞行器中有重要作用。对于实际工作的天线，常常期望天线只接收工作频率范围内的信号，而对工作频带之外的来波无响应，即具有一定的抗干扰能力。为实现这一要求，通常采用周期结构中的频率选择表面制作成有一定外形的天线罩，安装在天线前方；通过适当的设计，使得频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)的通带和天线的工作频带吻合，因此，在天线工作频率范围内，天线辐射的能量能够以较小的损耗通过FSS天线罩，而在天线工作频带之外，外界电磁波被有效地反射，抑制了不需要频率的干扰信号。
此外，随着隐形飞行器的发展，飞行器的RCS (Radar Cross-Section)成为其性能的重要考量标准。飞行器上往往安装有很多副不同功能的天线，机载天线的散射是飞行器总RCS的重要来源。缩减机载天线的RCS首先需要确保天线的特性不受到较大影响，即RCS缩减应保证天线具有良好的辐射性能，能够正常发射和接收工作频带内的信号。因此，传统的散射缩减方法，如涂覆吸波材料，可能无法使用在天线RCS缩减之中。为实现飞行器较好的隐蔽性，在飞行过程中，其机头的火控雷达往往处于关机状态，需要使用时才打开。相应地，其前方的FSS天线罩需要能够实现两种状态，即传输和截止状态。在雷达开机时，FSS天线罩为传输状态，雷达中天线阵列辐射的电磁波能量以全透射方式通过天线罩。雷达关机时，FSS天线罩为截止状态，外界来波照射到天线罩上时表现为全反射，通过合理设计天线罩外形，可以使得回波方向偏离指定角域。目前FSS天线罩技术主要研究在天线工作频带内对辐射电磁波的插入损耗以及天线工作频带外对来波照射的反射率，FSS传输频带和反射频带的带宽均较窄。此外，目前研究中，通过开关控制FSS的传输和截止状态实现可重构FSS鲜有报道。因此，带通型宽阻带可重构频率选择表面是一个当前研究难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，能够在传输和截止状态之间进行切换，与传统的带通型频率选择表面相比，更能适应当代通信和雷达系统的要求，更具实用性和可控性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，包括二极管开关结构和混合周期表面结构；
所述二极管开关结构包括第一介质层，第一介质层的上表面设置有第一金属条带阵列，第一介质层的下表面设置有第二金属条带阵列；且所述第二金属条带阵列与混合周期表面结构的上表面固定。
其中，所述第一金属条带阵列均包括多个金属开关组一；各个金属开关组一并联在第一金属条带阵列的输入端和输出端之间；
所述的金属开关组一均包括多个开关金属单元一，开关金属单元一由第一PIN二极管和连接在第一PIN二极管两端的金属带线组成；每一个金属开关组一中，各个第一PIN二极管通过两端的金属带线依次串联；
所述第一金属条带阵列中，每一个第一PIN二极管的导通方向均沿第一金属条带阵列的输入端指向第一金属条带阵列的输出端。
第一金属条带阵列中各个开关金属单元一以矩形栅格形式排布；
其中，所述第二金属条带阵列包括多个金属开关组二，各个金属开关组二并联在二金属条带阵列的输入端和输出端之间；
所述金属开关组二包括多个开关金属单元二，开关金属单元二由第二PIN二极管和连接在第二PIN二极管两端的金属带线组成，每一个金属开关组二中，各个第二PIN二极管通过两端的金属带线依次串联；
所述第二金属条带阵列中，每一个第二PIN二极管的导通方向均沿第二金属条带阵列的输入端指向第二金属条带阵列的输出端；
第二金属条带阵列中各个开关金属单元二以矩形栅格形式排布。
其中，所述混合周期表面结构包括由上至下逐层固定的第二介质层、细方环金属阵列、第三介质层、第一泡沫层、金属网栅阵列、第四介质层、第二泡沫层、第五介质层、粗方环金属阵列和第六介质层,所述第二金属条带阵列固定于第二介质层的上表面。
优选地，所述金属开关组一与金属开关组二的排布方向正交。
优选地，所述细方环金属阵列包括多个以矩形栅格形式排列的细方环金属单元；所述金属网栅阵列包括多个以矩形栅格形式排列的金属网栅单元；所述粗方环金属阵列包括多个以矩形栅格形式排列的粗方环金属单元。
优选地，所述细方环金属单元、金属网栅单元和粗方环金属单元均有90°旋转对称特性，故单元周期较小时，对于方位角变化不敏感。
优选地，所述第一金属条带阵列和第二金属条带阵列的两端均设置有直流偏置电压，用于控制第一金属条带阵列和第二金属条带阵列中PIN二极管的通断。
优选地，所述第一PIN二极管和第二PIN二极管工作频率为0-18GHz。
本发明的有益效果是：（1）PIN二极管未导通时，频率选择表面为传输状态，传输频带内插入损耗小，扫描角域大，对工作频带外的信号有宽频抑制效果；（2）PIN二极管导通时，频率选择表面为截止状态，在0-18GHz频率范围内对外来电磁波照射表现为全反射；（3）通过加载在第一金属条带阵列和第二金属条带阵列两端的直流电压控制PIN二极管的通断，简单易行，成本低；（4）频率选择表面能进行传输和截止特性的转换，与传统的带通型频率选择表面相比，更能适应当代通信和雷达系统的要求，更具实用性和可控性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为第一金属条带阵列的结构示意图；
图3为开关金属单元一的结构示意图；
图4为第二金属条带阵列的结构示意图；
图5为开关金属单元二的结构示意图；
图6为混合周期表面结构示意图；
图7为细方环金属阵列的结构示意图；
图8为金属网栅阵列的结构示意图；
图9为粗方环金属阵列的结构示意图；
图10为FSS传输状态下TE极化波传输系数示意图；
图11为FSS传输状态下TM极化波传输系数示意图；
图12为FSS截止状态下TE极化波反射和透射系数示意图；
图13为FSS截止状态下，TM极化波反射和透射系数示意图；
图中，1-第一金属条带阵列，2-第一介质层，3-第二金属条带阵列，4-混合周期表面结构，5-金属开关组一，6-第一PIN二极管，7-金属开关组二，8-第二PIN二极管，9-第二介质层，10-细方环金属阵列，11-第三介质层，12-第一泡沫层，13-金属网栅阵列，14-第四介质层，15-第二泡沫层，16-第五介质层，17-粗方环金属阵列，18-第六介质层，19-细方环金属单元，20-金属网栅单元，21-粗方环金属单元。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，包括二极管开关结构和混合周期表面结构4；
所述二极管开关结构包括第一介质层2，第一介质层2的上表面设置有第一金属条带阵列1，第一介质层2的下表面设置有第二金属条带阵列3；且所述第二金属条带阵列3与混合周期表面结构4的上表面固定。
如图2所示，所述第一金属条带阵列1均包括多个金属开关组一5；各个金属开关组一5并联在第一金属条带阵列1的输入端和输出端之间；
所述的金属开关组一5均包括多个开关金属单元一，如图3所示，开关金属单元一由第一PIN二极管6和连接在第一PIN二极管6两端的金属带线组成；每一个金属开关组一5中，各个第一PIN二极管6通过两端的金属带线依次串联；
所述第一金属条带阵列1中，每一个第一PIN二极管6的导通方向均沿第一金属条带阵列1的输入端指向第一金属条带阵列1的输出端；
第一金属条带阵列1中各个开关金属单元一以矩形栅格形式排布。
如图4所示，所述第二金属条带阵列3包括多个金属开关组二7，各个金属开关组二7并联在二金属条带阵列3的输入端和输出端之间；
所述金属开关组二7包括多个开关金属单元二，如图5所示，开关金属单元二由第二PIN二极管8和连接在第二PIN二极管两端的金属带线组成，每一个金属开关组二7中，各个第二PIN二极管8通过两端的金属带线依次串联；
所述第二金属条带阵列3中，每一个第二PIN二极管8的导通方向均沿第二金属条带阵列3的输入端指向第二金属条带阵列3的输出端；
第二金属条带阵列3中各个开关金属单元二以矩形栅格形式排布。
如图6所示，所述混合周期表面结构4包括由上至下逐层固定的第二介质层9、细方环金属阵列10、第三介质层11、第一泡沫层12、金属网栅阵列13、第四介质层14、第二泡沫层15、第五介质层16、粗方环金属阵列17和第六介质层18,所述第二金属条带阵列3固定于第二介质层9的上表面。
在本申请的实施例中，各层介质板之间夹有半固化片，在高温炉中将各层介质牢固地结合在一起，从而实现混合周期表面结构的固定。而第二金属条带阵列3可以通过粘接的方式固定于第二介质层9的上表面。
在本申请的实施例中，所述金属开关组一5与金属开关组二7的排布方向正交。
如图7~9所示，在本申请的实施例中，所述细方环金属阵列10包括多个以矩形栅格形式排列的细方环金属单元19；所述金属网栅阵列13包括多个以矩形栅格形式排列的金属网栅单元20；所述粗方环金属阵列17包括多个以矩形栅格形式排列的粗方环金属单元21。该实施例中，所述细方环金属单元19、金属网栅单元20和粗方环金属单元21均有90°旋转对称特性，故单元周期较小时，对于方位角变化不敏感。该实施例中，所述开关金属单元一、开关金属单元二、细方环金属单元19、金属网栅单元20和粗方环金属单元21的单元周期均为4mm，细方环金属单元19的线宽为1.06mm，金属网栅单元20线宽0.3mm，粗方环金属单元21线宽1.48mm。
在本申请的实施例中，各个介质层均采用介质板的形式，第一金属条带阵列1、第二金属条带阵列3、细方环金属阵列10、金属网栅阵列13和粗方环金属阵列17可以通过PCB蚀刻的方式刻印于介质层（板）上，例如，第一金属条带阵列1、第二金属条带阵列3可以通过PCB蚀刻的方式刻印于第一介质层2的上下两面，细方环金属阵列10可以通过PCB蚀刻的方式刻印于第三介质层11的上表面，金属网栅阵列13可以通过PCB蚀刻的方式刻印于第四介质层14的上表面，粗方环金属阵列17可以通过PCB蚀刻的方式刻印于第六介质层18的上表面。
在本申请的实施例中，所述第一金属条带阵列1和第二金属条带阵列3的两端均设置有不同的直流电源，以提供直流偏置电压，用于控制第一金属条带阵列1和第二金属条带阵列3中PIN二极管的通断；具体地第一金属条带阵列1的输入端连接电源正极，输出端连接电源负极；第二金属条带的输入端连接电源正极，输出端连接电源负极；频率选择表面（FSS）为传输状态时，PIN二极管未导通，两组电压源均设置适当的反偏电压使得PIN二极管截止。FSS为截止状态时，两组电压源均设置适当的正偏电压使得PIN二极管导通。
在本申请的实施例中，所述第一PIN二极管6和第二PIN二极管8工作频率为0-18GHz。
在本申请的实施例中，根据本发明的技术方案设计出带通型宽阻带可重构频率选择表面，中心频率为2.17GHz，传输频带为1.96-2.38GHz，工作角域为0~45°。单元周期4mm（约为0.029λ0，λ0为中心频率对应的自由空间波长），单元厚度10mm（约为0.072λ0）。图10为PIN二极管未导通，即FSS传输状态下，TE极化波传输系数。图11为PIN二极管未导通，即FSS传输状态下，TM极化波传输系数。可以从图10~图11中看出，传输状态下FSS对TE和TM极化波均有良好的透射效果，通带内插入损耗小于1dB。在4.1-18GHz频率范围内，带外抑制大于20dB。图12为PIN二极管导通，即FSS截止状态下，TE极化波反射和透射系数。图13为PIN二极管导通，即FSS截止状态下，TM极化波反射和透射系数。从图12~图13中可以看出，截止状态下FSS对外来电磁波呈现全反射。TE极化波入射时，在4.5GHz处入射波能量被PIN二极管内部等效电阻吸收。TM极化波入射时，在5GHz附近处入射波能量被PIN二极管内部等效电阻吸收。因此在这些频率上，反射和透射系数均较小。
由上述结果可知，本发明是一种能够实现传输和截止特性切换的带通型宽阻带可重构频率选择表面。采用本发明，可以设计一种新型天线罩，在天线不工作时，设置正偏电压使得PIN二极管导通，天线罩处于截止状态，等效于金属板；而天线工作时，设置反偏电压使得PIN二极管截止，工作频带内天线罩处于传输状态，工作频带外天线罩仍处于截止状态。
综上，本发明频率选择表面能进行传输和截止特性的转换，与传统的带通型频率选择表面相比，更能适应当代通信和雷达系统的要求，更具实用性和可控性。
最后需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，其特征在于：包括二极管开关结构和混合周期表面结构（4）；
所述二极管开关结构包括第一介质层（2），第一介质层（2）的上表面设置有第一金属条带阵列（1），第一介质层（2）的下表面设置有第二金属条带阵列（3）；且所述第二金属条带阵列（3）与混合周期表面结构（4）的上表面固定；
所述第一金属条带阵列（1）包括多个金属开关组一（5）；各个金属开关组一（5）并联在第一金属条带阵列（1）的输入端和输出端之间；
所述的金属开关组一（5）均包括多个开关金属单元一； 开关金属单元一由第一PIN二极管（6）和连接在第一PIN二极管（6）两端的金属带线组成；每一个金属开关组一（5）中，各个第一PIN二极管（6）通过两端的金属带线依次串联；
所述第一金属条带阵列（1）中，每一个第一PIN二极管（6）的导通方向均沿第一金属条带阵列（1）的输入端指向第一金属条带阵列（1）的输出端；
所述第二金属条带阵列（3）包括多个金属开关组二（7），各个金属开关组二（7）并联在第二金属条带阵列（3）的输入端和输出端之间；
所述金属开关组二（7）包括多个开关金属单元二，开关金属单元二由第二PIN二极管（8）和连接在第二PIN二极管两端的金属带线组成，每一个金属开关组二（7）中，各个第二PIN二极管（8）通过两端的金属带线依次串联；
所述第二金属条带阵列（3）中，每一个第二PIN二极管（8）的导通方向均沿第二金属条带阵列（3）的输入端指向第二金属条带阵列（3）的输出端；
所述金属开关组一（5）与金属开关组二（7）的排布方向正交；
所述混合周期表面结构（4）包括由上至下逐层固定的第二介质层（9）、细方环金属阵列（10）、第三介质层（11）、第一泡沫层（12）、金属网栅阵列（13）、第四介质层（14）、第二泡沫层（15）、第五介质层（16）、粗方环金属阵列（17）和第六介质层（18）,所述第二金属条带阵列（3）固定于第二介质层（9）的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，其特征在于：所述细方环金属阵列（10）包括多个以矩形栅格排列的细方环金属单元（19）。
3.根据权利要求1所述的一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，其特征在于：所述金属网栅阵列（13）包括多个以矩形栅格排列的金属网栅单元（20）。
4.根据权利要求1所述的一种带通型宽阻带可重构频率选择表面，其特征在于：所述粗方环金属阵列（17）包括多个以矩形栅格排列的粗方环金属单元（21）。
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