CN109273859B - 耦合型宽带有源频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

耦合型宽带有源频率选择表面，涉及有源频率选择表面领域，为了解决现有AFSS的损耗大，电磁波的透射率低，带宽窄，极化和斜入射稳定性差的问题。金属层和介质层紧密交替排布；顶层金属层的金属单元包括4个正方形贴片和8个一半的C形焊盘；4个正方形贴片位于金属单元的4个角，相邻2个正方形贴片的相对的两条边上均设置有一半的C形焊盘，相邻的2个C形焊盘之间留有空隙；竖直方向相邻的2个C形焊盘上设有1个二极管；中间层金属层的金属单元为正方形框；底层金属层的金属单元与顶层金属层的金属单元的结构相同；水平方向相邻的2个C形焊盘上设有1个二极管。本发明的带宽较宽、透射率高、损耗低，对极化方式以及斜入射角度不敏感性。

Description

耦合型宽带有源频率选择表面
技术领域
本发明涉及有源频率选择表面领域。
背景技术
现有的FSS研究多集中于现有无源的FSS，并在宽带化、小型化等方面取得了诸多进展，但由于其不可调谐性，一旦它设计并加工出来，则传输特性就无法再进行改变，具有一定的局限性。例如，基于现有无源FSS的雷达罩虽然可以实现己方工作频段外的隐身，但为了保证内部天线的正常辐射，FSS在内部天线的工作频段上必须呈透射特性，当敌方探测雷达的工作频段与己方频段有所重叠时，就会失去隐身功能。
针对FSS性能固定无法调谐的缺点，有源频率选择表面(AFSS)提供了解决方案，AFSS是在传统无源FSS的基础上加载可控的部分，如电控元件、光控元件和温控元件等，通过外部激励的改变来有效控制AFSS的传输特性，即可弥补现有FSS的缺陷性，在诸多复杂应用场景中，尤其是多模复合制导武器中具有重大的战略意义。
然而现有AFSS的损耗太大，电磁波的透射率过低，透射状态下S21>-1dB的带宽较窄，无法满足当前的宽带应用需求，极化和斜入射稳定性也并不令人满意。
本发明主要针对AFSS中“屏蔽”与“透射”状态可切换的“开关型AFSS”这一特定功能的AFSS进行研究，其性能指标主要着重于其宽带特性、高透射率、低损耗、极化不敏感性以及斜入射角度不敏感性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有AFSS的损耗大，电磁波的透射率过低，透射状态下带宽较窄，极化和斜入射稳定性差的问题，从而提供耦合型宽带有源频率选择表面。
本发明所述的耦合型宽带有源频率选择表面，包括3层金属层和2层介质层，金属层和介质层由上至下紧密交替排布；
每层金属层均包括多个阵列式排布的正方形金属单元；
顶层金属层的金属单元包括4个正方形贴片1和8个一半的C形焊盘2；
4个正方形贴片1位于金属单元的4个角，相邻2个正方形贴片的相对的两条边上均设置有一半的C形焊盘2，一半的C形焊盘2与相邻金属单元的一半的C形焊盘2形成一个完成的C形焊盘2，相邻的2个C形焊盘2之间留有空隙；竖直方向相邻的2个C形焊盘2上设有1个二极管3；
中间层金属层的金属单元为正方形框，与相邻的正方形框接触；
底层金属层的金属单元与顶层金属层的金属单元的结构相同；水平方向相邻的2个C形焊盘2上设有1个二极管3。
优选的是，金属层的厚度均为0.018mm，介质层的厚度h均为1.575mm。
优选的是，正方形金属单元的边长a为4.2mm，正方形贴片1的边长L0为1.9mm，相邻正方形贴片1之间的间隔w为2.3mm。
优选的是，一半的C形焊盘2包括2条垂直的矩形条，总长度L1为1.05mm、总宽度L3为0.675mm，其中长度方向的矩形条宽L4为0.4mm，宽度方向的矩形条宽L2为0.5mm。
优选的是，正方形框的每条边框的宽度s为0.05mm。
本发明的有源频率选择表面的带宽较宽、透射率高、损耗低，对极化方式以及斜入射角度不敏感性。
附图说明
图1是耦合型宽带有源频率选择表面的结构示意图；
图2是顶层金属层的金属单元的结构示意图；
图3是各层金属层的结构示意图，a)为顶层金属层，b)为中间层金属层，c)为底层金属层；
图4是本发明的耦合型宽带有源频率选择表面在不同条件下的传输性能曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
耦合型宽带有源频率选择表面，包括3层金属层和2层介质层，金属层和介质层由上至下紧密交替排布；
每层金属层均包括多个阵列式排布的正方形金属单元；
顶层金属层的金属单元包括4个正方形贴片1和8个一半的C形焊盘2；
4个正方形贴片1位于金属单元的4个角，相邻2个正方形贴片的相对的两条边上均设置有一半的C形焊盘2，一半的C形焊盘2与相邻金属单元的一半的C形焊盘2形成一个完成的C形焊盘2，相邻的2个C形焊盘2之间留有空隙；竖直方向相邻的2个C形焊盘2上设有1个二极管3；
中间层金属层的金属单元为正方形框，与相邻的正方形框接触；
底层金属层的金属单元与顶层金属层的金属单元的结构相同；水平方向相邻的2个C形焊盘2上设有1个二极管3。
图1中金属单元2*2阵列式排布；金属层的材料为铜，厚度为0.018mm，介质层选用Rogers5880(介电常数εr＝2.2，损耗角正切tanD＝0.0009)，介质层的厚度h均为1.575mm，图1中为了观察金属层略去介质层。金属单元的具体尺寸如下：正方形金属单元的边长a为4.2mm，正方形贴片1的边长L0为1.9mm，相邻正方形贴片1之间的间隔w为2.3mm；一半的C形焊盘2包括2条垂直的矩形条，总长度L1为1.05mm、总宽度L3为0.675mm，其中长度方向的矩形条宽L4为0.4mm，宽度方向的矩形条宽L2为0.5mm；正方形框的每条边框的宽度s为0.05mm。二极管3采用PIN二极管实现。
图4为本实施例的耦合型宽带有源频率选择表面在不同条件下的传输性能曲线图。该结构对TE、TM两种极化入射方式的传输特性表现一致，具有良好的极化不敏感性，这得益于金属单元结构上的对称性。
在PIN二极管导通时，对于TE、TM两种不同极化入射方式的入射波，AFSS均能在整个2-8GHz内呈现屏蔽特性，且S21<-10dB，在斜入射角度(theta)0-30°的范围内性能稳定，TM极化入射方式的斜入射电磁波由于电场方向不再平行于AFSS平面，故其斜入射性能最差，但仍在-10dB以下，表现出了合格的稳定性，满足斜入射角度不敏感特性。
而在PIN二极管截止时，对于所要求的各种入射情况AFSS均在7.8-14GHz(相对带宽56.8％)内的频带内呈带通特性，较现有AFSS技术的相对带宽17％，有着十分突出的优势，且传输系数S21>-1dB，透射率超过80％。

Claims (5)

1.耦合型宽带有源频率选择表面，其特征在于，包括3层金属层和2层介质层，金属层和介质层由上至下紧密交替排布；
每层金属层均包括多个阵列式排布的正方形金属单元；
顶层金属层的金属单元包括4个正方形贴片(1)和8个一半的C形焊盘(2)；
4个正方形贴片(1)位于金属单元的4个角，相邻2个正方形贴片(1)的相对的两条边上均设置有一半的C形焊盘(2)，每个金属单元上一半的C形焊盘(2)与其相邻金属单元上相对的一半的C形焊盘(2)形成一个完成的C形焊盘(2)，每个金属单元中相邻的2个C形焊盘(2)之间留有空隙；每个金属单元中竖直方向相邻的2个C形焊盘(2)上设有1个二极管(3)；
中间层金属层的金属单元为正方形框，与相邻的正方形框接触；
底层金属层的金属单元与顶层金属层的金属单元的结构相同；水平方向相邻的2个C形焊盘(2)上设有1个二极管(3)。
2.根据权利要求1所述的耦合型宽带有源频率选择表面，其特征在于，所述金属层的厚度均为0.018mm，介质层的厚度h均为1.575mm。
3.根据权利要求1或2所述的耦合型宽带有源频率选择表面，其特征在于，所述正方形金属单元的边长a为4.2mm，正方形贴片(1)的边长L0为1.9mm，相邻正方形贴片(1)之间的间隔w为2.3mm。
4.根据权利要求3所述的耦合型宽带有源频率选择表面，其特征在于，所述一半的C形焊盘(2)包括2条垂直的矩形条，总长度L1为1.05mm、总宽度L3为0.675mm，其中长度方向的矩形条宽L4为0.4mm，宽度方向的矩形条宽L2为0.5mm。
5.根据权利要求4所述的耦合型宽带有源频率选择表面，其特征在于，所述正方形框的每条边框的宽度s为0.05mm。
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