CN109149099A - 一种宽带频率可重构fss天线罩 - Google Patents

一种宽带频率可重构fss天线罩 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带频率可重构FSS天线罩，属于电磁波调控技术领域。本发明以FSS超薄单元作为单元紧凑结合，呈M*N周期性排布；FSS超薄单元包括异形谐振方环、分形方贴片和介质基板；分形方贴片位于异形谐振方环的内部；异形谐振方环和分形方贴片之间留有缝隙，四周缝隙的中心位置加载有变容二极管。本发明所述天线罩具有高透过率，宽角入射和极化不敏感特性，可用于雷达，超宽带天线，飞行器蒙皮，多信道通信，高纯度辐射等领域中。

Description

一种宽带频率可重构FSS天线罩
技术领域
本发明属于电磁波调控技术领域，具体涉及一种具有高透过率，宽角入射和极化不敏感特性的宽带频率可重构FSS天线罩。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种二维的电磁周期结构。从空间滤波现象而言，FSS实质是一种空间滤波器，它对不同工作频率、入射角度和极化状态的电磁波具有选择滤波特性。通过一定的参数调整，可以实现FSS在工作频段内的带通或带阻，而在带外几乎所有能量都被全反射或全透射。FSS技术在通信，目标隐身和抗干扰等领域的研究发展十分迅速，其典型应用包括：雷达天线罩、多频反射面天线、电磁吸收体以及平面极化转换器等。得益于电子计算机技术和印刷电路板技术的快速发展，多频带、宽频带、有源加载以及电可控的FSS得到了深入研究和广泛发展。
近年来，可重构FSS引起了研究者们的广泛关注，主要包括极化可重构和频率可重构。其中，频率可重构FSS对于通信，滤波和复杂的电子系统具有重要的应用价值和实际的工程意义。文献“A Reconfigurable FSS Using a Spring Resonator Element,(Saidatul.Norlyana.Azemi,Kamran.Ghorbani；Wayne.S.T.Rowe,IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2013,12:781-784.)”公开了一种基于螺旋结构的可重构FSS。通过改变螺旋形单元的高度可以调整FSS的通带或阻带的中心频率，实现了FSS频域可重构的连续变化。文献公开了螺旋单元的等效电路，并分析单元结构参数对中心频点的影响。通过数值仿真结果和实验数据可知：当螺旋高度从14变化到16mm，FSS变现为阻带类型，中心频率从3.43GHz变化到5.43GHz；当螺旋长度继续增加，超过18mm后FSS表现为通带类型；当螺旋高度在26-36mm的范围内变化，可以得到一个3.2-3.67GHz的频率可重构范围。该文献详细分析了可重构FSS的电路模型，通过结构参数变化的方式实现了通/阻带中心频点的连续调节。然而，文献中对FSS重构的方式不具备动态调节的特点，对不同中心频点的通/阻带需要不同的设计和加工。而且，螺旋形FSS的通带和阻带调节范围较窄，分别仅为45％和14％。此方法的FSS不适用于低剖面，宽带调节或动态可重构的设计需求。
文献“Varactor-tunable second-order bandpass frequency-selectivesurface with embedded bias network,(Amir Ebrahimi；Zhongxiang Shen；WithawatWithayachumnankul；Said F.Al-Sarawi；Derek Abbott,IEEE Transactions on Antennasand Propagation,2016,64(5):1672-1680)”公开了一种单元加载变容二极管的频率可重构FSS。此种带通类型FSS由三层的复合单元组成，单元顶层和底层为蚀刻的超表面贴片结构，不同单元的中间层组成栅状的馈电网络，为贴片缝隙的变容二极管馈电。根据实验结果，当FSS单元上的二极管电容从0.12pF变化到0.38pF，通带的中心频率从5.2GHz变化到3.7GHz，达到9％的带宽。此种FSS的设计方法结合了变容二极管，有效地实现了动态的频域可重构。然而，文献中的FSS调节范围较窄，并且透过率较低，插入损耗保持在-3到-6dB。此外，由于FSS采用双层贴片设计，被迫使用的中层馈电网络极大地增加了实际工作的不稳定性。对于实际应用中常见的入射角和极化问题，此种FSS也缺少讨论和分析。
从上述现有技术中可以看出，宽带内连续可调的高透过率FSS设计仍具有较大的挑战，因此需要进一步提出新的高透过率FSS单元设计以及频域调节敏感的有源加载结构以可重构单元的通带调频性能，同时还要兼顾到FSS天线罩的低剖面、宽角入射以及极化不敏感等性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中频域可重构FSS的插入损耗，入射角范围以及不同极化入射的限制，提供一种高效率，易共形，易加工且宽带内可连续调节的FSS天线罩。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种宽带频率可重构FSS天线罩，以FSS超薄单元2作为单元紧凑结合，呈M*N周期性排布，其中M和N都是正整数；
FSS超薄单元2包括顶层金属贴片和介质基板1，顶层金属贴片位于介质基板1的上表面；顶层金属贴片包括异形谐振方环3和分形方贴片4，分形方贴片4位于异形谐振方环3的内部；异形谐振方环3和分形方贴片4之间留有缝隙，四周缝隙的中心位置加载有变容二极管5、6、7、8；二极管的前端连接异形谐振方环3，后端连接分形方贴片4。
异形谐振方环3为方环四周内侧中间都有矩形凸起；分形方贴片4为方形贴片四周内侧中间都有矩形凹陷。
介质基板的厚度为1mm。
为了达到宽带范围内连续可调的效果，本发明基于传统的“方形缝隙环”FSS单元并进行如下的分析和设计：(1)提高加载位置上电容电感变化的谐振响应敏感度；(2)改变谐振结构，使其通带可重构的中心频点在2-8GHz内；(3)调整缝隙宽度得到最佳的可调频带；(4)调整谐振敏感位置的电长度，增大非线性元件变化对透过率的敏感度；(5)调整介质厚度兼顾入射角影响和透射率。所设计的FSS单元结构为单层金属，加载在超薄的低耗介质基板上。顶层金属贴片是经现有技术的方环缝隙结构演化得出的特异结构，在蚀刻得出的金属缝隙上有四个方向的谐振槽，加载了变容二极管。这些加载的变容二极管将通过改变电容值调控单元的高透射频带，考虑到馈电方式和加载电容的加工复杂度，将四个二极管按导电方向顺次旋转90°加载。
本发明的有益效果是：
(1)本发明公开了一种宽带内频域可重构的FSS天线罩，其单元为超薄的高透射设计，在上层金属贴片的缝隙中加载变容二极管；
(2)本发明实现了在2-8GHz的宽频带内的FSS通带连续可调节；
(3)本发明通过连续调节FSS产生的所有通带的插入损耗均为-1dB以下，保证了高透射率；
(4)本发明具备良好的极化不敏感特性；当两个相互正交的线极化波入射FSS，他们通带响应的中心频点和峰值幅度不发生变化；并且，对变容二极管调节产生的所有FSS通带均有保持良好的极化不敏感性；
(5)本发明具备良好的宽角入射特性，可达±60°；当[-60°,60°]入射波经过FSS，他们通带响应的中心频点不发生变化，峰值幅度有降低趋势但插损仍保持在-1dB以上；并且，对变容二极管调节产生的所有FSS通带均有保持良好的宽角入射范围。
附图说明
图1为本发明所述FSS天线罩俯视图；
图2为FSS超薄单元的平面结构示意图；
图3为FSS超薄单元的立体结构示意图；
图4为本发明所述FSS天线罩对垂直入射平面波的透射特性仿真曲线图；
图5为本发明所述FSS天线罩对30°斜入射平面波的透射特性仿真曲线图；
图6为本发明所述FSS天线罩对45°斜入射平面波的透射特性仿真曲线图；
图7为本发明所述FSS天线罩对60°斜入射平面波的透射特性仿真曲线图；
图8为本发明所述FSS天线罩对水平极化入射平面波的透射特性仿真曲线图；
图9为本发明所述FSS天线罩对垂直极化入射平面波的透射特性仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种宽带频率可重构FSS天线罩，其俯视图如图1所示，以FSS超薄单元2作为单元紧凑结合，呈M*N周期性排布，其中M＝6，N＝10；
FSS超薄单元2的平面结构示意图和立体结构示意图分别如图2-3所示，包括顶层金属贴片和介质基板1，顶层金属贴片位于介质基板1的上表面，介质基板1的厚度为1mm；顶层金属贴片包括异形谐振方环3和分形方贴片4，分形方贴片4位于异形谐振方环3的内部；异形谐振方环3为方环四周内侧中间都有矩形凸起；分形方贴片4为方形贴片四周内侧中间都有矩形凹陷；异形谐振方环3和分形方贴片4之间留有缝隙，四周缝隙的中心位置加载有变容二极管5、6、7、8；二极管按电流方向放置，前端连接异形谐振方环3，后端连接分形方贴片4，便于在分形方贴片上设计馈电结构施加相同偏置电压，并改变单元上各二极管电容。
图4为以平面波垂直入射本发明所述FSS得到的透射特性仿真曲线图。从图4中可以看出，当各单元上加载的二极管电容从0.11pF到1.8pF变化，本实施例的FSS在2-8GHz的宽频带上实现了高透射通带连续可调节，所有通带的插入损耗均在-1dB以下，维持了高透射特性。
图5，6和7分别为以30°，45°和60°的斜入射波经过FSS得到的透射特性仿真曲线图。对比三组图可以看出，当二极管电容受偏置电压调控后，FSS的通带在频域实现连续调节，调节范围均可覆盖2～8GHz，所有通带峰值均在-1dB以上，保持了良好的高透射特性。在低频区，-1dB以上的透射频带变窄，透射率色散曲线波形未发生改变，各频带中心频点保持稳定。仿真结果体现了[-60°,60°]内良好的宽角入射特性。
图8和9分别为水平和垂直极化入射波经过FSS得到的透射特性仿真曲线图。对比两组图可以看出，当二极管经电压调节变容，FSS的通带在频域实现连续调节，调节范围均可覆盖2～8GHz，所有通带峰值均在-1dB以上，保持了良好的高透射特性。两种极化电磁波下的仿真结果保持了良好的一致性。仿真结果体现了所设计的FSS的极化不敏感特性。
综上，相较于现有技术的频域可重构FSS，本实施例具有如下优点：
(1)2-8GHZ宽范围内通带可连续调节；
(2)插入损耗保持在-1dB以内，高透射特性；
(3)[-60°,60°]宽角入射特性，对斜入射波仍能保持高效的通带调频功能；
(4)FSS对入射波的极化不敏感工作特性。

Claims (4)

1.一种宽带频率可重构FSS天线罩，其特征在于，以FSS超薄单元(2)作为单元紧凑结合，呈M*N周期性排布，其中M和N都是正整数；
FSS超薄单元(2)包括顶层金属贴片和介质基板(1)，顶层金属贴片位于介质基板(1)的上表面；顶层金属贴片包括异形谐振方环(3)和分形方贴片(4)，分形方贴片(4)位于异形谐振方环(3)的内部；异形谐振方环(3)和分形方贴片(4)之间留有缝隙，四周缝隙的中心位置加载有变容二极管(5、6、7、8)；二极管的前端连接异形谐振方环(3)，后端连接分形方贴片(4)。
2.根据权利要求1所述的宽带频率可重构FSS天线罩，其特征在于，异形谐振方环(3)为方环四周内侧中间都有矩形凸起；分形方贴片(4)为方形贴片四周内侧中间都有矩形凹陷。
3.根据权利要求1所述的宽带频率可重构FSS天线罩，其特征在于，介质基板(1)的厚度为1mm。
4.根据权利要求1所述的宽带频率可重构FSS天线罩，其特征在于，M＝6，N＝10。
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Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110444899A (zh) * 2019-09-04 2019-11-12 东南大学 一种非互易功能可定制的非线性超表面
CN110718766A (zh) * 2019-10-23 2020-01-21 武汉灵动时代智能技术股份有限公司 一种有源频率选择表面结构
CN111048907A (zh) * 2020-01-12 2020-04-21 中国人民解放军国防科技大学 具有超宽透波带的吸波与透波一体化频率选择表面
CN111129780A (zh) * 2019-12-28 2020-05-08 华南理工大学 一种改善玻璃材料在5g毫米波频段斜入射特性的结构
CN111555035A (zh) * 2020-05-15 2020-08-18 中国航空工业集团沈阳飞机设计研究所 角度敏感超材料及相控阵系统
CN111783379A (zh) * 2020-07-26 2020-10-16 中国人民解放军国防科技大学 一种提高可重构fss透过率的方法
CN111900546A (zh) * 2020-08-18 2020-11-06 西安电子科技大学 用于宽带宽角rcs减缩的混合机理电磁超表面
CN112164894A (zh) * 2020-08-31 2021-01-01 中通服咨询设计研究院有限公司 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面
CN112510375A (zh) * 2020-11-20 2021-03-16 航天特种材料及工艺技术研究所 一种通带可重构的频率选择表面及基本单元
CN112968282A (zh) * 2021-01-29 2021-06-15 中国人民解放军空军工程大学 极化切换超表面天线罩
CN113206389A (zh) * 2021-05-14 2021-08-03 重庆邮电大学 一种基于可调反射材料加载可调半导体器件
CN113517555A (zh) * 2020-04-10 2021-10-19 航天特种材料及工艺技术研究所 一种频选结构及具有其的天线罩
CN113644449A (zh) * 2021-07-04 2021-11-12 南京理工大学 基于单面加载pin二极管的宽带可重构频率选择表面
CN114374097A (zh) * 2022-01-26 2022-04-19 西安电子科技大学 一种宽频、多频及变频天线覆层
CN115275588A (zh) * 2022-07-20 2022-11-01 电子科技大学 一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100271285A1 (en) * 2007-12-10 2010-10-28 Electronics And Telecommunications Research Institute Frequency selective surface structure for multi frequency bands
CN106887693A (zh) * 2017-03-30 2017-06-23 北京环境特性研究所 谐振频率连续可调的有源频率选择表面天线罩及隐身方法
CN107181028A (zh) * 2017-05-16 2017-09-19 中国电子科技集团公司第三十六研究所 一种频率选择表面结构及其制作方法
CN107248615A (zh) * 2017-05-26 2017-10-13 西南交通大学 一种小型化分形缝隙环天线
US20180017664A1 (en) * 2015-01-26 2018-01-18 Nec Corporation Frequency selective surface, wireless communication device, and radar device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100271285A1 (en) * 2007-12-10 2010-10-28 Electronics And Telecommunications Research Institute Frequency selective surface structure for multi frequency bands
US20180017664A1 (en) * 2015-01-26 2018-01-18 Nec Corporation Frequency selective surface, wireless communication device, and radar device
CN106887693A (zh) * 2017-03-30 2017-06-23 北京环境特性研究所 谐振频率连续可调的有源频率选择表面天线罩及隐身方法
CN107181028A (zh) * 2017-05-16 2017-09-19 中国电子科技集团公司第三十六研究所 一种频率选择表面结构及其制作方法
CN107248615A (zh) * 2017-05-26 2017-10-13 西南交通大学 一种小型化分形缝隙环天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
夏布刚 等: ""毫米波二阶分形频率选择表面寄生谐振的抑制"", 《物理学报》 *

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110444899A (zh) * 2019-09-04 2019-11-12 东南大学 一种非互易功能可定制的非线性超表面
CN110718766B (zh) * 2019-10-23 2021-07-13 武汉灵动时代智能技术股份有限公司 一种有源频率选择表面结构
CN110718766A (zh) * 2019-10-23 2020-01-21 武汉灵动时代智能技术股份有限公司 一种有源频率选择表面结构
CN111129780A (zh) * 2019-12-28 2020-05-08 华南理工大学 一种改善玻璃材料在5g毫米波频段斜入射特性的结构
CN111048907A (zh) * 2020-01-12 2020-04-21 中国人民解放军国防科技大学 具有超宽透波带的吸波与透波一体化频率选择表面
CN113517555B (zh) * 2020-04-10 2023-09-12 航天特种材料及工艺技术研究所 一种频选结构及具有其的天线罩
CN113517555A (zh) * 2020-04-10 2021-10-19 航天特种材料及工艺技术研究所 一种频选结构及具有其的天线罩
CN111555035A (zh) * 2020-05-15 2020-08-18 中国航空工业集团沈阳飞机设计研究所 角度敏感超材料及相控阵系统
CN111783379A (zh) * 2020-07-26 2020-10-16 中国人民解放军国防科技大学 一种提高可重构fss透过率的方法
CN111900546A (zh) * 2020-08-18 2020-11-06 西安电子科技大学 用于宽带宽角rcs减缩的混合机理电磁超表面
CN112164894A (zh) * 2020-08-31 2021-01-01 中通服咨询设计研究院有限公司 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面
CN112164894B (zh) * 2020-08-31 2022-01-14 中通服咨询设计研究院有限公司 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面
CN112510375A (zh) * 2020-11-20 2021-03-16 航天特种材料及工艺技术研究所 一种通带可重构的频率选择表面及基本单元
CN112510375B (zh) * 2020-11-20 2022-05-24 航天特种材料及工艺技术研究所 一种通带可重构的频率选择表面及基本单元
CN112968282A (zh) * 2021-01-29 2021-06-15 中国人民解放军空军工程大学 极化切换超表面天线罩
CN113206389A (zh) * 2021-05-14 2021-08-03 重庆邮电大学 一种基于可调反射材料加载可调半导体器件
CN113644449A (zh) * 2021-07-04 2021-11-12 南京理工大学 基于单面加载pin二极管的宽带可重构频率选择表面
CN113644449B (zh) * 2021-07-04 2024-04-19 南京理工大学 基于单面加载pin二极管的宽带可重构频率选择表面
CN114374097A (zh) * 2022-01-26 2022-04-19 西安电子科技大学 一种宽频、多频及变频天线覆层
CN115275588A (zh) * 2022-07-20 2022-11-01 电子科技大学 一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元
CN115275588B (zh) * 2022-07-20 2023-09-01 电子科技大学 一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元

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