CN110690539B - 一种有源频率选择表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源频率选择表面结构，通过将一个可重构有源共振带通结构和一个非共振带通结构的组合实现了在PIN管通电时某一透波频段透波和PIN管断电时全频屏蔽两种状态间的有源可控。此时在透波状态下，该复合结构等效为两个带通滤波器的叠加，从而实现通带内透波；而在屏蔽状态下，该复合结构等效为一个带通滤波器和一个带阻滤波器的叠加，从而实现全频带内的屏蔽性能。

Description

一种有源频率选择表面结构

技术领域

本发明属于微波超材料领域，涉及一种有源频率选择表面结构。

背景技术

吉赫兹波段(GHz)广泛应用于雷达领域。机载或弹载雷达通常在相当长的平飞时间内天线处于不工作状态，只有接近目标时才会启动雷达，而飞行器最容易在平飞的这段时间内收到敌方雷达的截获和跟踪。利用这个特点，采用电可控隐身有源智能天线罩，可确保雷达在平飞阶段处于隐身状态，在末制阶段处于透波状态。因此，所述电可控隐身有源智能天线罩的有源可控的机构就非常重要。

一般来说，现有有源频率选择表面有两种：带通带阻切换型有源频率选择表面，仅能满足在某一特定频段的透波状态和屏蔽状态的切换，无法实现全频段的屏蔽，隐身性能具有一定的局限性；有源可调频率选择表面，透波窗可以在一定的频率范围内实现动态可调，同样也无法实现全频段的屏蔽。

且在现有有源带通带阻切换型频率选择表面中，仅能实现PIN管通电时带阻，而在PIN管断电时透波的工作状态，这种工作状态与实际雷达的工作方式相矛盾。

基于此，亟需一种有源频率选择表面结构，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种有源频率选择表面结构，以解决现有技术中PIN管的工作状态与实际雷达的工作方式相矛盾的问题。

本发明提供了一种有源频率选择表面结构，包括：

非共振带通结构、多个无源共振带通结构和至少一个可重构有源共振带通结构复合重叠而成；

其中，所述可重构有源共振带通结构位于所述多个无源共振带通结构之间，且所述非共振带通结构的一端与所述多个无源共振带通结构中的一个复合重叠；所述可重构有源共振带通结构和多个无源共振带通结构之间均有空隙，所述非共振带通结构和无源共振带通结构之间无空隙。

优选的，在上述的有源频率选择表面结构中，所述非共振带通结构包括：多个第一等效电容层、多个第二等效电容层和多个等效电感层复合重叠而成，相邻两层之间均有空隙；其中，所述多个第一等效电容层分布于所述非共振带通结构的两端，所述多个第二等效电容层与多个等效电感层交错分布，且所述第一等效电容层与等效电感层相邻。

优选的，在上述的有源频率选择表面结构中，所述非共振带通结构的一端的第一等效电容层和与其复合重叠的无源共振带通结构之间无空隙。

优选的，在上述的有源频率选择表面结构中，单层的所述第一等效电容层包括介质基材以及附着于所述介质基材上的超材料微结构。

优选的，在上述的有源频率选择表面结构中，单层的所述第二等效电容层包括介质基材以及附着于所述介质基材上的超材料微结构。

优选的，在上述的有源频率选择表面结构中，单层的所述第一等效电容层包括介质基材以及附着于所述介质基材上的超材料微结构。

优选的，在上述的有源频率选择表面结构中，单层介质基材之间的空隙为1毫米～2毫米。

本发明提供的一种有源频率选择表面结构，通过将一个可重构有源共振带通结构和一个非共振带通结构的组合实现了在PIN管通电时某一透波频段实现透波和PIN管断电时全频屏蔽两种状态间的有源可控。此时在透波状态下，该复合结构等效为两个带通滤波器的叠加，从而实现通带内透波；而在屏蔽状态下，该复合结构等效为一个带通滤波器和一个带阻滤波器的叠加，从而实现全频带内的屏蔽性能。

利用有源器件对一个带通结构进行重构，从而实现该结构在带通与宽带带通结构间的有源可调，复合上一个带通结构。实现PIN管通电时宽带带通与PIN管断电时全频屏蔽的有源可调。

附图说明

图1为本发明说明书中一实施例中有源频率选择表面结构的侧面示意图；

图2为本发明说明书中一实施例中可重构有源共振带通结构的正视图；

图3为本发明说明书中一实施例中无源共振带通结构的正视图；

图4为本发明说明书中一实施例中第一等效电容层的正视图；

图5为本发明说明书中一实施例中第二等效电容层的正视图；

图6为本发明说明书中一实施例中等效电感层的正视图；

图7为本发明说明书中一实施例中PIN管通电时所述可重构有源共振带通结构的传输曲线；

图8为上述实施例中PIN管导通时可重构有源共振带通结构在不同入射角度下传输曲线的仿真图；

图9为本发明说明书中一实施例中PIN管断电时所述可重构有源共振带通结构的传输曲线；

图10为上述实施例中PIN管断开时可重构有源共振带通结构在不同入射角度下传输曲线的仿真图；

图11为本发明说明书中一实施例中非共振带通结构的工作原理示意图；

图12为上述实施例中非共振带通结构不同电磁波入射角度下传输曲线的仿真图；

图13为上述实施例中所述有源频率选择表面结构在透波状态下的工作原理示意图；

图14为图13中所述有源频率选择表面结构在通电状态不同电磁波入射角度下透波性能的仿真图；

图15为上述实施例中所述有源频率选择表面结构在屏蔽状态下的工作原理示意图；

图16为图15中所述有源频率选择表面结构在断电状态下不同电磁波入射角度下屏蔽性能的仿真图；

图17为本发明说明书中一实施例中3*3阵列中可重构有源共振带通结构的排布及PIN管的加载方式的结构示意图；

图18为与图17对应的实施例中无源共振带通结构的排布示意图；

图19为与图17中对应的实施例中第一等效电容层的排布示意图；

图20为与图17中对应的实施例中等效电感层的排布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种有源频率选择表面结构，包括：非共振带通结构、多个无源共振带通结构和至少一个可重构有源共振带通结构复合重叠而成；

如图1所示，所述可重构有源共振带通结构1位于所述多个无源共振带通结构2之间，且所述非共振带通结构3的一端与所述多个无源共振带通结构2中的一个复合重叠；所述可重构有源共振带通结构1和多个无源共振带通结构2之间均有空隙，所述非共振带通结构3和无源共振带通结构2之间无空隙。

继续参见图1，图1为本发明说明书一实施例中有源频率选择表面结构的侧面示意图，在本实施例中，仅以一个可重构有源共振带通结构1为例。

其中，所述可重构有源共振带通结构1的正视图如图2所示，所述无源共振带通结构2的正视图如图3所示。

具体的，如图1所示，在本说明书的一个实施例中，所述非共振带通结构3包括：多个第一等效电容层31、多个第二等效电容层32和多个等效电感层33复合重叠而成，相邻两层之间均有空隙；其中，所述多个第一等效电容层31分布于所述非共振带通结构的两端，所述多个第二等效电容层32与多个等效电感层33交错分布，且所述第一等效电容层31与等效电感层33相邻。具体而言，所述非共振带通结构3的一端的第一等效电容层31和与其复合重叠的无源共振带通结构2之间无空隙。

其中，所述第一等效电容层31的正视图如4所示，所述第二等效电容层32的正视图如图5所示，等效电感层33的正视图如图6所示。

进一步的，在所述非共振带通结构3中，单层的所述第一等效电容层31包括介质基材以及附着于所述介质基材上的超材料微结构，单层的所述第二等效电容层32包括介质基材以及附着于所述介质基材上的超材料微结构，单层的所述第一等效电容层31包括介质基材以及附着于所述介质基材上的超材料微结构。单层介质基材之间的空隙为1毫米～2毫米。

具体的，在本说明书的一个实施例中，所述非共振带通结构3中单层介质基材的厚度约为0.52毫米，单层超材料微结构的厚度约为0.018毫米，且非共振结构中介质层件的间隙约为1.12毫米。除此以外，在本发明说明书中的其他实施例中，上述实施例中的1.12毫米的空气层，还可以是介电常数为1.1的泡沫。

也就是说，在上述的实施例中，单层的所述第一等效电容层31的介质基材的厚度约为0.52毫米，单层的第一等效电容层31的超材料结构的厚度约为0.018毫米。同理，单层的所述第二等效电容层32的介质基材的厚度约为0.52毫米，单层的第二等效电容层32的超材料结构的厚度约为0.018毫米。单层的所述等效电感层33的介质基材的厚度约为0.52毫米，单层的等效电感层33的超材料结构的厚度约为0.018毫米。

在本发明说明书中的其他实施例中，可以根据所需频段和通带特性不同，介质厚度、介质介电常数和介质间空气间隙均可以灵活调整。

进一步的，在本发明说明书的一个实施例中，所述第一等效电容层31、第二等效电容层32和等效电感层33的介质基材为相对介电常数2.3的环氧树脂材料。

在本发明的又一实施例中，所述可重构有源共振带通结构1的介质基材为相对介电常数9.2的陶瓷材料，超材料微结构为厚度为0.018mm的铜层。

金属超材料微结构加载介质基材不仅能更好的保护微结构本身，避免其在外界恶劣条件下腐蚀，确保天线罩的介电性能；还能提供更好的空间阻抗匹配，提高结构的通带带宽和入射波角度稳定性。

在多层耦合无源共振带通结构2的中心层采用可重构有源共振带通结构1，可重构有源共振带通结构1的外圈开口处加载开关型二极管，通过调整二极管两端的电压值来控制二极管的通断，利用二极管的通断实现对通带结构的重构和通带结构层间耦合的重构，从而实现结构电性能的改变。

具体的工作原理如下：可参看图7至图15，具体的，图7为本发明说明书中一实施例中PIN管通电时所述可重构有源共振带通结构1的传输曲线，图8为上述实施例中PIN管导通时可重构有源共振带通结构1不同入射角度下传输曲线的仿真图；图9为本发明说明书中一实施例中PIN管断电时所述可重构有源共振带通结构1的传输曲线，图10为上述实施例中PIN管断开时可重构有源共振带通结构1在不同入射角度下传输曲线的仿真图。图中f1、f2以及f3均表示频率，S12表示电磁波在空间中传输时的透射特性，图11为本发明说明书中一实施例中非共振带通结构3的工作原理示意图，图12为上述实施例中非共振带通结构3不同电磁波入射角度下传输曲线的仿真图；图13为上述实施例中所述有源频率选择表面结构在透波状态下的工作原理示意图，图14为图13中所述有源频率选择表面结构在通电状态不同电磁波入射角度下透波性能的仿真图；图15为上述实施例中所述有源频率选择表面结构在屏蔽状态下的工作原理示意图，图16为图15中所述有源频率选择表面结构在断电状态下不同电磁波入射角度下屏蔽性能的仿真图。

在图8中，线条1为PIN管导通时可重构有源共振带通结构在入射角为0°时的传输曲线，线条2为PIN管导通时可重构有源共振带通结构在入射角为30°时的传输曲线，线条3为PIN管导通时可重构有源共振带通结构在入射角为60°时的传输曲线。

在图10中，线条1为PIN管断开时可重构有源共振带通结构在入射角为0°时的传输曲线，线条2为PIN管断开时可重构有源共振带通结构在入射角为30°时的传输曲线，线条3为PIN管断开时可重构有源共振带通结构在入射角为60°时的传输曲线。

在图12中，线条1为电磁波入射角度为0°时传输曲线的仿真图，线条2为电磁波入射角度为10°时传输曲线的仿真图，线条3为电磁波入射角度为20°时传输曲线的仿真图，线条4为电磁波入射角度为30°时传输曲线的仿真图，线条5为电磁波入射角度为40°时传输曲线的仿真图，线条6为电磁波入射角度为50°时传输曲线的仿真图，线条7为电磁波入射角度为60°时传输曲线的仿真图，线条8为电磁波入射角度为70°时传输曲线的仿真图。

在图14中，线条1为有源频率选择表面结构在通电状态电磁波入射角度为0°时透波性能的仿真图，线条2为有源频率选择表面结构在通电状态电磁波入射角度为15°时透波性能的仿真图，线条3为有源频率选择表面结构在通电状态电磁波入射角度为30°时透波性能的仿真图，线条4为有源频率选择表面结构在通电状态电磁波入射角度为45°时透波性能的仿真图。

在图16中，线条1为有源频率选择表面结构在断电状态下电磁波入射角度为0°时屏蔽性能的仿真图，线条2为有源频率选择表面结构在断电状态下电磁波入射角度为15°时屏蔽性能的仿真图，线条3为有源频率选择表面结构在断电状态下电磁波入射角度为30°时屏蔽性能的仿真图，线条4为有源频率选择表面结构在断电状态下电磁波入射角度为45°时屏蔽性能的仿真图。

在该仿真结果中，当PIN管断开时，可重构有源共振带通结构1在一个比f1(GHz)～f2(GHz)更宽的频带形成宽频带阻结构，而当PIN管导通时，可重构有源共振带通结构1变为一个f1(GHz)～f2(GHz)带通的结构。

接着设计一个非共振带通结构3，其需要在f1(GHz)～f2(GHz)形成一个理想的通带。该结构可以在f1(GHz)～f2(GHz),0°～70°入射角范围内形成一个良好的通带。

具体而言，设计一个在f1(GHz)～f2(GHz)可以实现通电带通，而断电屏蔽的可重构有源共振带通结构1，然后复合一个在f1(GHz)～f2(GHz)带通的非共振带通结构3，进一步实现PIN管通电状态下f1(GHz)～f2(GHz)透波，而在PIN管断电状态下0(GHz)～f3(GHz)全频屏蔽的性能。

也就是说，通过将一个可重构有源共振带通结构1和一个非共振带通结构3的组合实现了在PIN管通电时某一透波频段实现透波和PIN管断电时全频屏蔽两种状态间的有源可控。此时在透波状态下，该复合结构等效为两个带通滤波器的叠加，从而实现通带内透波；而在屏蔽状态下，该复合结构等效为一个带通滤波器和一个带阻滤波器的叠加，从而实现全频带内的屏蔽性能。

上述有源频率选择表面结构仅仅是一个单元，在本发明的其他实施例中，可用多个上述单元排布来去除超材料结构的边缘效应，以达到较理想的效果。在本发明说明书的一个实施例中，可用3*3个单元排布来达到以上效果，如图17所示，图17为本发明说明书中一实施例中3*3阵列中可重构有源共振带通结构1的排布及PIN管的加载方式的结构示意图，PIN管的加载方式如图17中虚线所画的圆圈所示。与其对应在3*3阵列中无源共振带通结构2的排布如图18所示，第一等效电容层31的排布如图19所示，等效电感层33的排布如图20所示。

更进一步的，在本发明的一个实施例中，可用10*10个上述单元来达到较理想的效果。

在本发明实施例提供的一种有源频率选择表面结构中，通过将一个可重构有源共振带通结构1和一个非共振带通结构3的组合实现了在PIN管通电时某一透波频段实现透波和PIN管断电时全频屏蔽两种状态间的有源可控。此时在透波状态下，该复合结构等效为两个带通滤波器的叠加，从而实现通带内透波；而在屏蔽状态下，该复合结构等效为一个带通滤波器和一个带阻滤波器的叠加，从而实现全频带内的屏蔽性能。

利用有源器件对一个带通结构进行重构，从而实现该结构在带通与宽带带通结构间的有源可调，复合上一个带通结构。实现PIN管通电时宽带带通与PIN管断电时全频屏蔽的有源可调。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种有源频率选择表面结构，其特征在于，包括：

非共振带通结构、多个无源共振带通结构和至少一个可重构有源共振带通结构复合重叠而成；

其中，所述可重构有源共振带通结构位于所述多个无源共振带通结构之间，且所述非共振带通结构的一端与所述多个无源共振带通结构中的一个复合重叠；所述可重构有源共振带通结构和多个无源共振带通结构之间均有空隙，所述非共振带通结构和无源共振带通结构之间无空隙；所述非共振带通结构包括：多个第一等效电容层、多个第二等效电容层和多个等效电感层复合重叠而成，相邻两层之间均有空隙；其中，所述多个第一等效电容层分布于所述非共振带通结构的两端，所述多个第二等效电容层与多个等效电感层交错分布，且所述第一等效电容层与等效电感层相邻；所述第一等效电容层和第二等效电容层均包括介质基材和附着于所述介质基材上的超材料微结构；

所述非共振带通结构的一端的第一等效电容层和与其复合重叠的无源共振带通结构之间无空隙；

在多层耦合无源共振带通结构的中心层采用可重构有源共振带通结构，可重构有源共振带通结构的外圈开口处加载开关型二极管，通过调整二极管两端的电压值来控制二极管的通断，利用二极管的通断实现对通带结构的重构和通带结构层间耦合的重构，从而实现结构电性能的改变；

其中，在二极管通电时某一透波频段实现透波，在二极管断电时全屏蔽。

2.如权利要求1所述的有源频率选择表面结构，其特征在于，单层介质基材之间的空隙为1毫米～2毫米。

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