CN109103603A - 基于变容二极管的有源频率选择表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，包括介质板，以及分别设置在介质板上、下表面的顶层金属层、底层金属层；介质板上设置有贯穿该介质板并与顶层金属层和底层金属层相连通的金属通孔；底层金属层包括一竖直居中设置的第一金属片，以及沿该第一金属片对称设置的两个第二金属片，且每个第二金属片均呈水平居中分布；顶层金属层包括一中心金属片，以及四个环绕设置在该中心金属片四周、呈中心对称分布的金属片；相邻两个金属片之间形成金属缝隙，变容二极管加载在金属缝隙之间。该结构基于变容二极管的加载，结构简单、馈电方式简便，谐振频率可调且移动范围宽，且保持了谐振频率对极化的不敏感性，适用于复杂电磁环境。

Description

基于变容二极管的有源频率选择表面结构

技术领域

本发明涉及一种频率选择表面结构，具体涉及一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，属于电磁波技术领域。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS) 是一种二维周期阵列结构，就其本质而言是一个空间滤波器，与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。频率选择表面具有特定的频率选择作用，因此被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。此外，由于其对空间传输的电磁波具有良好的滤波性，使其在军事与民用通信，特别是雷达、天线罩、飞行器隐身等方面受到广泛应用，同时也被应用于电磁隐身、电磁兼容、电子对抗等领域。

目前研究较多、应用广泛的频率选择表面均为无源频率选择表面，但加工成型后，成品的无源频率选择表面因其谐振频率、工作带宽等电磁特性固定，无法调整或改变，因而无法快速适应多变的电磁环境并最大化发挥其滤波特性。因此，结构简单的有源频率选择表面结构受到广泛重视，同时，如何在现有有源频率选择表面结构的基础上进行改进，设计出一种馈电方式简便、工作带宽及谐振频率可调及能够适应复杂电磁环境的有源频率选择表面结构，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，该结构简单、馈电方式简便，工作带宽及谐振频率可调且移动范围宽，适用于复杂电磁环境。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，包括介质板，以及分别设置在该介质板上、下表面的顶层金属层、底层金属层；所述介质板上设置有贯穿该介质板并与所述顶层金属层和底层金属层相连通的金属通孔；所述底层金属层包括一竖直居中设置的第一金属片，以及沿该第一金属片对称设置的两个第二金属片，且每个所述第二金属片均呈水平居中分布；所述顶层金属层包括一中心金属片，以及四个环绕设置在该中心金属片四周、呈中心对称分布的金属片；相邻两个所述金属片之间形成金属缝隙，变容二极管加载在所述金属缝隙之间。

进一步地，所述金属通孔包括位于所述介质板四边中点位置处的半圆形通孔，以及位于所述中心金属片两端的圆形通孔。

进一步地，所述第一金属片的两端分别与两个所述半圆形通孔贯穿连接，所述第二金属片在靠近所述第一金属片的一端设有一圆形通孔、另一端与一半圆形通孔贯穿连接。

进一步地，所述半圆形通孔与所述圆形通孔的孔径相同。

进一步地，所述金属片包括两个呈水平对称分布的第三金属片和两个呈竖直对称分布的第四金属片，且所述第三金属片与所述第四金属片的形状、尺寸一一对应。

进一步地，所述第三金属片和第四金属片均为不规则的六边形。

进一步地，所述第一金属片、第二金属片和中心金属片均为矩形。

进一步地，所述介质板的型号为Rogers RT/duroid 5880 ，介电常数为2.2。

进一步地，所述介质板为正方形。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明结构简单，且无需增加额外的独立馈电网络结构，仅利用频率选择表面自身结构为变容二极管馈电，馈电方式简便；本发明基于变容二极管的加载，实现了谐振频率可调，且保持了谐振频率对极化的不敏感性；当变容二极管电容值稍有变化时，谐振频率会相应产生较明显变化，谐振频率移动范围宽，适用于复杂电磁环境。

附图说明

图1是本发明结构单元主视图；

图2是本发明结构单元后视图；

图3是本发明阵列馈电方式主视图；

图4是本发明阵列馈电方式后视图；

图5是本发明实施例中各参数标注主视图；

图6是本发明实施例中各参数标注后视图；

图7是TE极化波垂直入射下本发明传输特性受电容变化的影响示意图；

图8是TM极化波垂直入射下本发明传输特性受电容变化的影响示意图。

其中：10、介质板；21、第一金属片；22、第二金属片；31、中心金属片；32、第三金属片；33、第四金属片；41、半圆形通孔；42、圆形通孔；50、金属缝隙；60、变容二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

图1、图2分别为本发明有源FSS结构单元的主视图、后视图，由图中可知，本发明基于变容二极管的有源频率选择表面结构，包括位于中间的方形介质板10，以及分别蚀刻设置在介质板10上、下表面的顶层金属层、底层金属层，图1中示出，顶层金属层包括一个位于介质板中心位置的矩形的中心金属片31，以及环绕设置在中心金属片31四周、呈中心对称分布的四个金属片，所述金属片均为不规则的六边形。

相邻两个金属片之间形成金属缝隙50（FSS缝隙），变容二极管60加载设置在金属缝隙50之间。图1中示出，四个金属片具体包括两个呈水平对称分布的第三金属片32和两个呈竖直对称分布的第四金属片33，且第三金属片32与第四金属片33的形状相同、尺寸一一对应，第三金属片与第四金属片之间通过变容二极管相连接。

介质板10上设置有若干金属通孔，金属通孔贯穿介质板10并与顶层金属层和底层金属层相连通，图1中示出，金属通孔包括四个半圆形通孔41和两个圆形通孔42，半圆形通孔41分别位于介质板10四条边的中点位置处，圆形通孔42分别位于中心金属片31的两端。应设计使用需求，半圆形通孔与圆形通孔的孔径可以相同，也可以不同。

图2中底层金属层包括一个第一金属片21和两个第二金属片22，矩形的第一金属片21竖直居中设置在介质板的下表面，矩形的两个第二金属片22均水平居中设置在介质板的下表面，且沿着第一金属片21对称分布设置。

第一金属片21的两端分别与两个半圆形通孔41贯穿连接，第二金属片22在靠近第一金属片21的一端设置有一个圆形通孔42、另一端与一个半圆形通孔41贯穿连接。

顶层金属层通过金属通孔与底层金属层相连接，并在水平和竖直两个方向上分别形成两条金属通路，具体为：中心金属片31及其两端的圆形通孔41，该圆形通孔41同时在介质板下表面与第二金属片的一端相接，第二金属片的另一端与半圆形通孔42贯穿连接，该半圆形通孔42又同时与介质板上表面的第三金属片贯穿连接，由此构成水平方向的金属通路；竖直位于介质板下表面的第一金属片21及其两端的半圆形通孔，该半圆形通孔同时在介质板上表面与第四金属片贯穿连接，由此构成竖直方向的金属通路。

变容二极管加载在金属缝隙间，通过上述两条金属通路的并联，实现对该结构中所有变容二极管的馈电。本发明结构简单，利用上述的自身结构即可为变容二极管馈电，无需增加额外的独立馈电网络结构，馈电方式简便，同时也避免了因额外添加馈电网络对频率选择表面谐振特性的影响。

图3和图4分别是本发明阵列馈电方式的主、后视图，图中以包含四个FSS单元的有源频率选择表面阵列为例来说明馈电方式。当对变容二极管馈电时，该阵列中位于介质板下表面的所有第二金属片均与电源正极相连接，所有第一金属片均与电源负极相连接。由于顶层金属层和底层金属层通过金属通孔相连接，则阵列中介质板上表面的所有第三金属片均与电源正极相连接，所有第四金属片均与电源负极相连接，即阵列中水平方向的金属通路与电源正极相连接，竖直方向的金属通路与电源负极相连接。

变容二极管工作需在其两端提供反偏电压，上述馈电方式决定了阵列中所有变容二极管的正极与竖直方向的第四金属片相连接，即与电源负极相连接，所有变容二极管的负极与水平方向的第三金属片相连接，即与电源正极相连接。由图中可知，整个有源频率选择表面阵列相当于并联为所有变容二极管馈电。

本发明谐振特性的可调节主要通过加载变容二极管来实现，即通过给变容二极管加载直流偏置，可以改变变容二极管的电容值；根据外部提供的偏置电压，变容二极管的电容会相应改变，当变容二极管电容值稍有变化时，谐振频率会相应产生较明显变化，使得整个结构具备谐振频率在超宽范围内移动的特性。

变容二极管的特性决定了本发明中有源频率选择表面谐振频率的可调规律。当变容二极管两端的反偏电压增大时，二极管的电容值C减小，反之，当反偏电压减小时，二极管的电容值C增大。本发明提供的具体实施例详见图5和图6，其标记尺寸如下：X=Y=4mm，H1=2.3mm，H2=1.275mm，L1=1.1mm，L2=1.75mm，G=0.3mm，P=0.725mm，W1=0.3mm，W2=0.3mm，W3=0.27mm，R=0.1mm，M=0.637mm。该实施例中，半圆形通孔与圆形通孔的孔径相同，介质板为正方形且型号为Rogers RT/duroid 5880 ，介电常数为2.2。

图7、图8分别是TE、TM极化波垂直入射下上述实施例传输特性受电容变化的影响示意图，可反映出有源频率选择表面的谐振频率随变容二极管电容值C变化的规律。图7中，TE极化波垂直入射，当变容二极管的电容值C=0.2pF时，其峰值处的谐振频率为6.75GHz、传输系数为0.403dB；当变容二极管的电容值C=0.4pF时，其峰值处的谐振频率为4.95GHz、传输系数为0.466dB；当变容二极管的电容值C=0.6F时，其峰值处的谐振频率为4.05GHz、传输系数为0.518dB。图8中，TM极化波垂直入射，当变容二极管的电容值C=0.2pF时，其峰值处的谐振频率为6.75GHz、传输系数为0.582dB；当变容二极管的电容值C=0.4pF时，其峰值处的谐振频率为4.95GHz、传输系数为0.651dB；当变容二极管的电容值C=0.6F时，其峰值处的谐振频率为4.05GHz、传输系数为0.706dB。

由图中可知，TE极化波和TM极化波垂直入射情况下，当电容值C相同时，其峰值处的谐振频率均相同。当变容二极管的电容值由C=0.2pF增大到C=0.6pF时，谐振频率均由6.75GHz减小到4.05GHz，谐振频率变化较明显，降幅达到2.7GHz。由此说明，本发明基于变容二极管的有源频率选择表面结构的谐振频率不仅可调，且可调的移动范围还较宽。

此外，当变容二极管的电容值由C=0.2pF增大到C=0.6pF时，TE极化波垂直入射情况下，传输系数由0.403 dB增大到0.518 dB，增幅为0.115 dB；TM极化波垂直入射情况下，传输系数由0.582dB增大到0.706 dB，增幅为0.124 dB。两种极化波垂直入射时，传输系数仅略微增大，增幅均不足0.2dB。由此说明，本发明基于变容二极管的有源频率选择表面结构的谐振频率对极化波不敏感，该结构具有对极化的不敏感性。

综上所述，本发明提供的基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其结构简单，无需增加额外的独立馈电网络结构，仅利用频率选择表面自身结构为变容二极管馈电，馈电方式简便；本发明基于变容二极管的加载，实现了谐振频率可调，且保持了谐振频率对极化的不敏感性；当变容二极管电容值稍有变化时，谐振频率会相应产生较明显变化，谐振频率移动范围宽，适用于复杂电磁环境。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (9)

1.一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：包括介质板，以及分别设置在该介质板上、下表面的顶层金属层、底层金属层；所述介质板上设置有贯穿该介质板并与所述顶层金属层和底层金属层相连通的金属通孔；所述底层金属层包括一竖直居中设置的第一金属片，以及沿该第一金属片对称设置的两个第二金属片，且每个所述第二金属片均呈水平居中分布；所述顶层金属层包括一中心金属片，以及四个环绕设置在该中心金属片四周、呈中心对称分布的金属片；相邻两个所述金属片之间形成金属缝隙，变容二极管加载在所述金属缝隙之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述金属通孔包括位于所述介质板四边中点位置处的半圆形通孔，以及位于所述中心金属片两端的圆形通孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述第一金属片的两端分别与两个所述半圆形通孔贯穿连接，所述第二金属片在靠近所述第一金属片的一端设有一圆形通孔、另一端与一半圆形通孔贯穿连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述半圆形通孔与所述圆形通孔的孔径相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述金属片包括两个呈水平对称分布的第三金属片和两个呈竖直对称分布的第四金属片，且所述第三金属片与所述第四金属片的形状、尺寸一一对应。

6.根据权利要求5所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述第三金属片和第四金属片均为不规则的六边形。

7.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述第一金属片、第二金属片和中心金属片均为矩形。

8.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述介质板的型号为Rogers RT/duroid 5880 ，介电常数为2.2。

9.根据权利要求8所述的一种基于变容二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述介质板为正方形。