CN109273860B - 传输线型宽带有源频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

传输线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，电磁波的透射率过低，透射状态下带宽较窄，极化和斜入射稳定性差，现有耦合型AFSS结构复杂、误差较大的问题。中间层为1层金属层，由中间向两端依次对称式分布空气层、介质层和金属层；顶层金属层的金属单元包括4个等腰梯形金属片；4个等腰梯形金属片竖直或水平分布，关于中心旋转对称且上底靠近中心；中间层金属层的金属单元包括4个矩形金属板，4个矩形金属板围合成中心为正方形槽、四角为缺口槽的结构；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。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

传输线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研究多集中于传统无源的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，一旦设计并加工完，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，即可弥补传统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；现有耦合型频率选择表面，利用等效电路理论，提取相关参数时，结构复杂，误差较大，因而优化周期长，成本增加。
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进行研究和设计，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，现有耦合型AFSS结构复杂、误差较大，因而优化周期长的问题，从而提供传输线型宽带有源频率选择表面。
本发明所述的传输线型宽带有源频率选择表面，包括3层金属层、2层介质层、2层空气层和多根金属柱2；
中间层为1层金属层，由中间向两端依次对称式分布空气层、介质层和金属层；
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个等腰梯形金属片1；4个等腰梯形金属片1竖直或水平分布，4个等腰梯形金属片1关于金属单元的中心旋转对称且上底靠近中心，相邻的2个等腰梯形金属片1的底之间留有空隙；竖直方向相邻的2个等腰梯形金属片1的底之间通过1个二极管3相连；
中间层金属层的金属单元包括4个矩形金属板，4个矩形金属板围合成中心为正方形槽、四角为缺口槽的结构；
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个等腰梯形金属片1的底之间通过1个二极管3相连；
金属柱2穿过中间层金属层的槽和介质层；
4根金属柱2的一端分别连接顶层金属单元的4个等腰梯形金属片1的上底，另一端分别连接相应底层金属单元的4个等腰梯形金属片1的上底；
相邻的金属单元的相邻边上靠近顶角对称式设有2根金属柱2，2根金属柱2的一端均位于顶层金属层，另一端均位于底层金属层。
优选的是，金属层的厚度均为0.018mm，介质层的厚度均为0.508mm，空气层的厚度均为5mm，金属柱2的半径为0.3mm。
优选的是，金属单元的边长a为10.7mm，等腰梯形金属片1的上底w1为0.5mm、下底w2为3mm，相对的2个等腰梯形金属片1的上底间距p为0.8mm。
优选的是，4个矩形金属板围合成的位于中心的正方形槽的边长s为5mm。
本发明的4根金属柱实际上是两组平行双线传输线，利用传输线代替了现有多层结构中层与层之间的耦合作用，实现了宽带内的“透射”“屏蔽”状态可切换，满足了设计指标。本发明利用传输线，简化等效参数提取和优化过程，并且单元周期远大于耦合型宽带AFSS。在实际应用中，可以在同等面积下用更少的单元数目和元件数目实现功能，实现降低成本的指标。本发明的有源频率选择表面的带宽较宽、透射率高、损耗低，具有极化方式以及斜入射角度的不敏感性。
附图说明
图1是传输线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是图2的金属单元3×3阵列的结构示意图；
图4是位于第2层的介质层的结构示意图；
图5是位于第4层的金属层的金属单元的结构示意图；
图6是位于第6层的介质层的结构示意图；
图7是底层金属层的金属单元的结构示意图；
图8是二极管正偏和零偏时本发明的传输线型宽带有源频率选择表面的传输特性图；
图9是本发明的传输线型宽带有源频率选择表面在不同条件下的传输特性图。
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。
传输线型宽带有源频率选择表面，包括3层金属层、2层介质层、2层空气层和多根金属柱2；
中间层为1层金属层，由中间向两端依次对称式分布空气层、介质层和金属层；
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个等腰梯形金属片1；4个等腰梯形金属片1竖直或水平分布，4个等腰梯形金属片1关于金属单元的中心旋转对称且上底靠近中心，相邻的2个等腰梯形金属片1的底之间留有空隙；竖直方向相邻的2个等腰梯形金属片1的底之间通过1个二极管3相连；
中间层金属层的金属单元包括4个矩形金属板，4个矩形金属板围合成中心为正方形槽、四角为缺口槽的结构；位于中心的正方形槽的边长s为5mm；
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个等腰梯形金属片1的底之间通过1个二极管3相连；
金属柱2穿过中间层金属层的槽和介质层；
4根金属柱2的一端分别连接顶层金属单元的4个等腰梯形金属片1的上底，另一端分别连接相应底层金属单元的4个等腰梯形金属片1的上底；4根金属柱实际上是两组平行双线传输线。
相邻的金属单元的相邻边上靠近顶角对称式设有2根金属柱2，2根金属柱2的一端均位于顶层金属层，另一端均位于底层金属层。如果没有相邻边则不设置金属柱2，如图3所示。
整体结构为7层，3层金属层的厚度均为0.018mm，2层介质层的厚度均为0.508mm，2层空气层的厚度均为5mm，金属柱2的半径为0.3mm。金属单元呈旋转对称分布，满足了极化稳定性需求。
金属单元的边长a为10.7mm，等腰梯形金属片1的上底w1为0.5mm、下底w2为3mm，相对的2个等腰梯形金属片1的上底间距p为0.8mm。
中间层金属层通过塑料柱与介质层固定。中间层金属层开槽的目的是让传输线能够穿过，而中间层金属层和较厚的空气层的作业是尽可能的避免两侧金属层结构之间的耦合作用，让电磁能量在结构中仅由传输线来传输，以保证加载PIN二极管将平行双线短路时整体结构能呈现出良好的屏蔽作用，此外，传输线的长度应当足够长以体现出传输线的作用，否则仅能体现出通孔一样的电流导通作用，这就也要求结构应该有较厚的空气层。
如图8所示，本实施例的传输线型宽带有源频率选择表面对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，这得益于结构上的对称性。
如图9所示，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本实施例的传输线型宽带有源频率选择表面均能在整个2～18GHz内呈现屏蔽特性，且S21＜-10dB，在斜入射角度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5.1～14GHz内呈现带通滤波特性，相对带宽达到93.2％，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％，整体而言满足了设计指标要求。

Claims (4)

1.传输线型宽带有源频率选择表面，其特征在于，包括3层金属层、2层介质层、2层空气层和多根金属柱(2)；
中间层为1层金属层，由中间向两端依次对称式分布空气层、介质层和金属层；
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个等腰梯形金属片(1)；4个等腰梯形金属片(1)竖直或水平分布，4个等腰梯形金属片(1)关于金属单元的中心旋转对称且上底靠近中心，相邻的2个等腰梯形金属片(1)的底之间留有空隙；竖直方向相邻的2个等腰梯形金属片(1)的底之间通过1个二极管(3)相连；
中间层金属层的金属单元包括4个矩形金属板，4个矩形金属板围合成中心为正方形槽、四角为缺口槽的结构；
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个等腰梯形金属片(1)的底之间通过1个二极管(3)相连；
金属柱(2)穿过中间层金属层的槽和介质层；
4根金属柱(2)的一端分别连接顶层金属单元的4个等腰梯形金属片(1)的上底，另一端分别连接相应底层金属单元的4个等腰梯形金属片(1)的上底；
相邻的金属单元的相邻边上靠近顶角对称式设有2根金属柱(2)，2根金属柱(2)的一端均位于顶层金属层，另一端均位于底层金属层。
2.根据权利要求1所述的传输线型宽带有源频率选择表面，其特征在于，金属层的厚度均为0.018mm，介质层的厚度均为0.508mm，空气层的厚度均为5mm，金属柱(2)的半径为0.3mm。
3.根据权利要求1或2所述的传输线型宽带有源频率选择表面，其特征在于，金属单元的边长a为10.7mm，等腰梯形金属片(1)的上底w1为0.5mm、下底w2为3mm，相对的2个等腰梯形金属片(1)的上底间距p为0.8mm。
4.根据权利要求3所述的传输线型宽带有源频率选择表面，其特征在于，4个矩形金属板围合成的位于中心的正方形槽的边长s为5mm。
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