CN110011057B - 光控极化可重构fss单元结构、天线罩、无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空间滤波技术领域，公开了一种光控极化可重构频率选择表面单元结构、雷达通信天线罩；包括中间三层介质基板、位于介质基板上下两侧的两层结构不同的贴片，位于下层贴片上的两个光控微波开关，以及连接上下层贴片贯穿介质基板的金属柱；其中频率选择表面上层贴片结构为在金属层右侧开一条“工”形的缝隙，下层贴片为在金属层开两条互相垂直的“T”形缝隙，并在两条“T”形缝隙上分别加载一个光控微波开关，其中光控微波开关由光纤引入激光控制其“开”与“关”。本发明一方面可以实现空间滤波的作用，另一方面可以实现天线的0°和90°的极化可重构功能。

Description

光控极化可重构FSS单元结构、天线罩、无线通信系统
技术领域
本发明属于空间滤波技术领域，尤其涉及一种光控极化可重构频率选择表面单元结构、雷达通信天线罩。
背景技术
目前，最接近的现有技术：在现代高科技战争中，敌我双方都会装备多种电磁波探测装置与电磁波干扰装置来夺取乙方需要的信息资源并阻止敌方获得正确信息，随着电磁干扰技术的发展，雷达工作的电磁环境日益复杂，因此对通信、雷达系统抗干扰的研究也越来越重要。传统的抗干扰方式主要有频域抗干扰和空域抗干扰，但随着干扰技术的发展，传统的宽频带跳频抗干扰、低副瓣设计、波束赋形等干扰措施都已经不能得到很好的效果了，需要从新的方面出发来进行抗干扰处理。
频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，简称为FSS)，是对电磁波具有频率选择和极化选择作用的二维或三维周期结构，通过在介质基板上周期性的排列金属贴片或对介质板上的金属屏进行周期性的开缝，实现对通过的电磁波具有带阻或带通的作用，相当于空间滤波器。频率选择表面广泛应用于反射面天线、天线罩、极化选择器和极化分离器等研究中。
现阶段对可重构频率选择表面研究较广泛的是有源可重构频率选择表面，即在频率选择表面结构中加入有源器件(如PIN二极管、RE-MENS开关)构成的电控微波开关以及直流偏置电路，通过控制电控微波开关的直流偏置电压实现频率选择表面的可重构，因为需要直流偏置电路来进行控制，所以电控微波开关会存在响应速度慢，驱动偏压较高、使用寿命短等缺点；而且在FSS介质层上加入偏置电路，当偏置电路工作时会再FSS表面产生电流，进而影响频率选择表面的性能。再者，现有技术中对可重构频率选择表面的研究大多为频率可重构，频率可重构FSS只实现了频率的可重构功能，当存在同频同极化信号干扰时，并不能起到抗干扰的功能；目前少量对极化可重构频率选择表面的研究也是基于两个不同的单元结构不同FSS天线罩，这就意味着FSS的极化方式转换不能在同一个FSS天线罩进行，需要通过机械控制来交替使用两种FSS天线罩，从而使雷达系统对干扰信号的应激反应时间加长；因为控制方式以及单元结构的限制，在一个频率选择表面结构上实现两种极化方式的研究少之又少。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现阶段对可重构频率选择表面通过控制电控微波开关的直流偏置电压实现频率选择表面的可重构，电控微波开关会存在响应速度慢，驱动偏压较高、使用寿命短等缺点；电控微波开关偏置电路的存在会影响频率选择表面的性能。
(2)现阶段对可重构频率选择表面大多为频率可重构，少量对极化可重构频率选择表面的研究也是基于两个不同的单元，在一个频率选择表面结构上实现两种极化方式的研究少之又少。
解决上述问题的难题：
(1)极化可重构的控制方法的选取，要求控制方法反应快、对FSS天线罩的影响小；
(2)极化可重构FSS单元结构的设计，要求在同一个FSS天线罩上实现两种极化方式的可重构功能。
解决上述技术问题的意义：
(1)利用频率选择表面以及电磁波丰富的极化信息，研究一种由光控制的极化可重构的频率选择表面，可以在同一FSS天线罩上实现两种极化方式的转换，加快了对干扰信号的反应时间，可以实现对同频同极化信号的抗干扰功能，丰富现有的抗干扰方式。
(2)利用光控技术实现FSS的极化可重构功能，从而促进了可重构频率选择表面的发展。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光控极化可重构频率选择表面单元结构、雷达通信天线罩。
本发明是这样实现的，一种光控极化可重构频率选择表面单元结构，所述光控极化可重构频率选择表面单元结构包括中间一层介质基板、位于介质基板上下两侧的两层结构不同的贴片，位于下层贴片上的两个光控微波开关，以及连接上下层贴片贯穿介质基板的金属柱；
频率选择表面上层贴片结构为在金属层右侧开一条“工”形的缝隙，下层贴片为在金属层开两条互相垂直的“T”形缝隙；在两条“T”形缝隙上分别加载一个光控微波开关，其中光控微波开关由光纤引入激光控制“开”与“关”。
进一步，所述上层贴片、下层贴片以及连接上下层贯穿介质基板的金属柱均为铜箔。
进一步，所述贴片单元的厚度为0.02mm。
进一步，所述介质基板的厚度由通带频率决定。
进一步，所述贴片单元的尺寸为20.4mm*20.4mm；上层贴片上的“工”形缝隙中竖向缝隙尺寸为12mm*2mm、横向缝隙尺寸为6mm*1.5mm；下层贴片中垂直方向“T”形缝隙中竖向缝隙尺寸为14.5mm*2mm，横向尺寸为4.5mm*1.5mm，水平方向“T”形缝隙中竖向缝隙尺寸为12mm*2mm，横向尺寸为6.5mm*1.4mm；连接上下层金属贴片贯穿介质基板的金属柱半径为0.04mm，高度为2.5mm。以上参数的尺寸均是为调节FSS的通带频率，“工”形缝隙的长度主要控制透射波的频率，宽度主要控制透射波的带宽；两个“T”形缝隙的尺寸同样式控制两个极化方向透射波的频率和带宽；金属柱的半径主要控制引入电感的大小，进而来调节两个极化方向的传输通带。
进一步，所述光控微波开关尺寸为4mm*4mm*0.5mm。为了使光控微波开关对FSS起到控制作用，光控微波开关的尺寸需要能够掩盖住“T”形缝隙的宽度。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述光控极化可重构频率选择表面单元结构的雷达通信天线罩。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述光控极化可重构频率选择表面单元结构的卫星通信天线罩。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述光控极化可重构频率选择表面单元结构的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的频率选择表面结构简单，便于加工制作；本发明的频率选择表面可以达到极化重构的功能，因此不仅具有频率选择的作用，还具有抗干扰的作用；本发明可以在同一FSS天线罩上实现两种极化方式的转换，与利用两个FSS天线罩实现不同极化方式的转换具有更快的抗干扰应激反应；本发明利用光控微波开关对FSS进行极化控制，与电控微波开关相比，光控微波开关响应快，使用寿命长，而且不需要直流偏置电路的控制，从而不存在偏置电路对FSS的性能造成不良影响的问题；本发明具有较好的频率选择特性，带内插损小于1dB，带外反射大，平顶特性和陡降特性良好，而且共极化方向输出时，交叉极化得到很好的抑制，交叉极化方向输出时，共极化得到很好的抑制；本发明的介质基板采用两种材料制成，对照射在该结构上的电磁波吸收和损耗小，具有良好的性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光控极化可重构频率选择表面单元结构的结构示意图；
图中：(a)为光控极化可重构频率选择表面结构示意图；(b)频率选择表面上层贴片示意图；(c)频率选择表面下层贴片示意图；(d)频率选择表面侧视图。
图2是本发明实施例提供的光控极化可重构频率选择表面在实现0°极化旋转时的仿真结果示意图；
图中：(a)共极化反射系数曲线图；(b)交叉极化反射系数曲线图；(c)共极化传输系数曲线图；(d)交叉极化传输系数曲线图。
图3是本发明实施例提供的光控极化可重构频率选择表面在实现90°极化旋转时的仿真结果示意图；
图中：(a)共极化反射系数曲线图；(b)交叉极化反射系数曲线图(c)共极化传输系数曲线图；(d)交叉极化传输系数曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的光控极化可重构频率选择表面单元结构包括：频率选择表面1、介质基板2、频率选择表面3、金属柱4、光控微波开关5、光控微波开关6。
频率选择表面1是在金属屏上开垂直“工”形缝隙组成，如图1(b)所示；频率选择表面3是在金属屏上开两个互相垂直的“T”形缝隙组成，如图1(c)所示，频率选择表面1和频率选择表面3均是在两面覆铜的介质基板2上蚀刻出来的；如图1(d)所示，金属柱4连接了上下层的金属贴片并贯穿介质板2，用来调节两个极化的中心频率响应。
如图1(b)和图1(c)所示，光控微波开关5和光控微波开关6分别放置在下层贴片的“T”形缝隙上，光控微波开关由光敏半导体制成，根据光敏半导体的光电导效应设置其“开”或“关”，用光纤作为传输煤质将激光引入到每个光控微波开关上。当没有检测到同频同极化电磁波干扰时，电磁波按原定极化方向辐射，此时系统控制光控微波开关5处于“开”状态，抑制交叉极化方向的波，光控微波开关6处于“关”状态，使频率选择表面实现0°的极化旋转；当检测到由同频同极化电磁波干扰时，需将电磁波极化方向旋转90°后再辐射，此时系统控制光控微波开关5处于“开”状态，光控微波开关6处于“关”状态，抑制共极化方向的波，使频率选择表面实现90°的极化旋转。
本发明实施例的光控极化可重构频率选择表面结构，频率选择表面1与频率选择表面3的厚度为0.02mm，为金属贴片；介质层2的总厚度2.5mm；贴片单元的尺寸为20.4mm*20.4mm；上层贴片上的“工”形缝隙中竖向缝隙尺寸为12mm*2mm、横向缝隙尺寸为6mm*1.5mm；下层贴片中垂直方向“T”形缝隙中竖向缝隙尺寸为14.5mm*2mm，横向尺寸为4.5mm*1.5mm，水平方向“T”形缝隙中竖向缝隙尺寸为12mm*2mm，横向尺寸为6.5mm*1.4mm；连接上下层金属贴片贯穿介质基板的金属柱半径为0.04mm，高度为2.5mm；光控微波开关5和光控微波开关6的尺寸为4mm*4mm*0.5mm。
图2为本发明实施例的光控频率选择表面在没有电磁干扰时，电磁波实现0°极化旋转时的结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数。当没有检测到同频同极化电磁波干扰时，电磁波按原定极化方向辐射，所以频率选择表面应实现0°极化旋转。图2(a)和图2(c)分别为共极化的反射与传输系数曲线图，可以看出在6.12～6.88GHz频率范围内实现了插损不大于1dB的通带透波响应；图2(b)和图2(d)分别为交叉极化反射和传输系数曲线图，可以看出交叉极化方向几乎没有波透出。
图3为本实施方案的光控频率选择表面在没有电磁干扰时，电磁波实现90°极化旋转时的结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数。当检测到同频同极化电磁波干扰时，需将电磁波极化方向旋转90°后再辐射，所以频率选择表面应实现90°极化旋转。图2(a)和图2(d)分别为共极化反射系数曲线图和交叉极化传输系数曲线图，可以看出电磁波通过频率选择表面后极化方向旋转了90°，并在6.3～7.01GHz频率范围内实现了插损不大于1dB的通带透波响应；图2(b)和图2(c)分别为交叉极化反射系数曲线图和共极化传输系数曲线图，可以看出交叉极化方向没有波入射进来，且共极化方向几乎没有波透出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光控极化可重构频率选择表面单元结构，其特征在于，所述光控极化可重构频率选择表面单元结构包括中间的一层介质基板、位于介质基板上下两侧的覆铜层，金属柱连接了上下层的覆铜层并贯穿介质基板，用来调节两个极化的中心频率响应，位于下层贴片上的两个光控微波开关；
频率选择表面上层贴片结构为在金属屏右侧开一条“工”形的缝隙，下层贴片为在金属屏开两条互相垂直的“T”形缝隙，连接点为两个“T”形缝隙的竖向缝隙；在两条“T”形缝隙上分别加载一个光控微波开关，其中光控微波开关由光纤引入激光控制“开”与“关”；金属屏为未进行图形蚀刻的铜皮。
2.如权利要求1所述的光控极化可重构频率选择表面单元结构，其特征在于，所述上层贴片、下层贴片以及连接上下层贯穿介质基板的金属柱均为铜箔。
3.如权利要求1所述的光控极化可重构频率选择表面单元结构，其特征在于，一层覆铜层的厚度为0.02mm。
4.如权利要求1所述的光控极化可重构频率选择表面单元结构，其特征在于，两层覆铜层的尺寸为20.4mm*20.4mm；上层贴片上的“工”形缝隙中竖向缝隙尺寸为12mm*2mm、横向缝隙尺寸为6mm*1.5mm；连接上下层金属贴片贯穿介质基板的金属柱半径为0.04mm，高度为2.5mm。
5.如权利要求1所述的光控极化可重构频率选择表面单元结构，其特征在于，所述光控微波开关尺寸为4mm*4mm*0.5mm。
6.一种安装有权利要求1～5任意一项所述光控极化可重构频率选择表面单元结构的雷达通信天线罩。
7.一种安装有权利要求1～5任意一项所述光控极化可重构频率选择表面单元结构的卫星通信天线罩。
8.一种安装有权利要求1～5任意一项所述光控极化可重构频率选择表面单元结构的无线通信系统。
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