CN111786059B - 一种连续可调频率选择表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续可调频率选择表面结构，使用多层六边形互补开口谐振环结合多屏级联技术，实现频率选择表面的高相对防护性能，且其矩形系数近似1，带外陡峭度高；采用感性表面与容性表面的耦合技术，对多层频率选择表面进行设计，实现了频率选择表面整体的小型化；通过使用多层液晶层联合调谐技术，对液晶材料加载偏置电压，实现了频率选择表面的可调谐功能，提升频率选择表面的总体性能。

Description

一种连续可调频率选择表面结构
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种连续可调频率选择表面结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由介质基底上相同的贴片或孔径单元按二维周期性排列构成的无限大平面结构，它对具有不同工作频率、极化方式和入射角度的电磁波具有选择特性。正是由于频率选择表面的这一空间滤波特性，使其广泛应用于军事及无线通信系统中。在军事方面，频率选择表面可以用于舰船或飞机的强散射结构，起到隐身的作用。随着科技的与时俱进，现代战争形态已经从原来的“物理战场”迈向“电磁战场”。因此，各国已经加快了针对电磁波的雷达隐身技术的研究步伐。
进入信息化时代的现代战争，对于武器装备的隐身性能寄予了更高的期望，武器装备的隐身性能直接决定其载体的生存概率及使用效果，隐身技术对武器系统的发展具有深远的影响，而频率选择表面的防护性能是其实现“隐身”的关键。但是目前的频率选择表面具有防护性差、体积大、不可调谐的缺陷，致使频率选择表面的总体性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续可调频率选择表面结构，提升频率选择表面的总体性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种连续可调频率选择表面结构，所述连续可调频率选择表面结构包括六边形互补开口谐振环组件、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第一液晶层和第二液晶层，所述六边形互补开口谐振环组件包括第一六边形互补开口谐振环、六边形开口谐振环和第二六边形互补开口谐振环，所述第一六边形互补开口谐振环与所述第一介质基板和所述第二介质基板连接，并位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，所述六边形开口谐振环与所述第二介质基板和所述第三介质基板连接，并位于所述第二介质基板和所述第三介质基板之间，所述第二六边形互补开口谐振环与所述第三介质基板和所述第四介质基板连接，并位于所述第三介质基板和所述第四介质基板之间，所述第一液晶层位于所述第一六边形互补开口谐振环和所述第二介质基板之间，所述第二液晶层位于所述第三介质基板和所述第二六边形互补开口谐振环之间。
其中，所述第一六边形互补开口谐振环和所述第二六边形互补开口谐振环的单元直径为6.8mm，外环开口宽直径为0.3mm，内环开口宽直径为0.3mm，中心频率为14.89GHz。
其中，所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板和所述第四介质基板的厚度为0.508mm。
其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层的厚度为0.254mm。
本发明的一种连续可调频率选择表面结构，使用六边形互补开口谐振环组件结合多屏级联技术，实现频率选择表面的高相对防护性能，且其矩形系数近似1，带外陡峭度高；采用感性表面与容性表面的耦合技术，对多层频率选择表面进行设计，实现了频率选择表面整体的小型化；通过使用多层液晶层联合调谐技术，对液晶材料加载偏置电压，实现了频率选择表面的可调谐功能，提升频率选择表面的总体性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的连续可调频率选择表面结构的结构示意图。
图2是本发明提供的连续可调频率选择表面结构的展开示意图。
图3是本发明提供的频率选择面整体示意图。
图4是本发明提供的六边形互补开口谐振环结构示意图。
图5是本发明提供的六边形互补开口谐振环仿真结果图。
图6是本发明提供的多层液晶堆叠结构示意图。
图7是本发明提供的液晶调谐曲线示意图。
1-六边形互补开口谐振环组件、2-第一介质基板、3-第二介质基板、4-第三介质基板、5-第四介质基板、6-第一液晶层、7-第二液晶层、8-第一六边形互补开口谐振环、9-六边形开口谐振环、10-第二六边形互补开口谐振环、11-高阻线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确在本实施方式中限定。
请参阅图1，本发明提供一种连续可调频率选择表面结构，所述连续可调频率选择表面结构包括六边形互补开口谐振环组件1、第一介质基板2、第二介质基板3、第三介质基板4、第四介质基板5、第一液晶层6和第二液晶层7，所述六边形互补开口谐振环组件1包括第一六边形互补开口谐振环8、六边形开口谐振环9和第二六边形互补开口谐振环10，所述第一六边形互补开口谐振环8与所述第一介质基板2和所述第二介质基板3连接，并位于所述第一介质基板2和所述第二介质基板3之间，所述六边形开口谐振环9与所述第二介质基板3和所述第三介质基板4连接，并位于所述第二介质基板3和所述第三介质基板4之间，所述第二六边形互补开口谐振环10与所述第三介质基板4和所述第四介质基板5连接，并位于所述第三介质基板4和所述第四介质基板5之间，所述第一液晶层6位于所述第一六边形互补开口谐振环8和所述第二介质基板3之间，所述第二液晶层7位于所述第三介质基板4和所述第二六边形互补开口谐振环10之间。
在本实施方式中，结构展开图如图2所示，分别在所述第一介质基板2和所述第二介质基板3、所述第三介质基板4和所述第四介质基板5之间蚀刻所述第一六边形互补开口谐振环8和所述第二六边形互补开口谐振环10，同时在所述第二介质基板3和所述第三介质基板4之间蚀刻所述六边形开口谐振环9，利用感性表面与容性表面的耦合结构对两层所述六边形互补开口谐振环和六边形开口谐振环9进行级联，多层频率选择表面可以等效为多个谐振器级联，通过多阶谐振达到宽带化目的。本发明提出感性表面与容性表面的耦合结构，对多层频率选择表面单元进行设计，以实现频率选择表面整体的小型化结构。由于液晶的调谐范围有限(ε||＝3.2,ε⊥＝2.4)，并且液晶层厚度必须很薄以达到精确调控的目的。本发明提出双层液晶材料联合调谐结构设计，在所述第一介质基板2和所述第二介质基板3之间、所述第三介质基板4和所述第四介质基板5之间分别增加一层液晶层，如图6所示，最上层、最下层及中间两层为Rogers5880介质基板，所述第一液晶层6和所述第二液晶层7分别加载于所述第一介质基板2和所述第二介质基板3之间、所述第三介质基板4和所述第四介质基板5之间。将液晶层夹在两层介质基板中，并在基板上刻蚀互补开口谐振单元，采用多层六边形互补开口谐振环分别对多层介质基本进行蚀刻，同时加载高阻线对多层六边形互补开口谐振环进行连接，能实现矩形系数近似为1的滤波特性，其中，所述六边形互补开口谐振环组件1包括第一六边形互补开口谐振环8、六边形开口谐振环9和第二六边形互补开口谐振环10，如图3所提供的频率选择面整体所示，上下两层为第一六边形互补开口谐振环8和第二六边形互补开口谐振环10，中间层为六边形开口谐振环9，与采用单开口谐振环以及方形互补开口谐振环结构设计的传统频率选择表面相比，六边形互补开口谐振环频率选择表面所得到的带宽更宽，且能得到较好的相对防护带宽，采用多层耦合技术实现了频率选择表面的小型化设计，结合多层液晶堆叠技术实现了频率选择表面的调谐问题，提升频率选择表面的总体性能。
进一步的，所述连续可调频率选择表面还包括多个高阻线11，多个所述高阻线11与所述第一六边形互补开口谐振环8、所述六边形开口谐振环9和所述第二六边形互补开口谐振环10连接，并位于所述第一六边形互补开口谐振环8、所述六边形开口谐振环9和所述第二六边形互补开口谐振环10之间。
在本实施方式中，所述高阻线11分别连接于所述第一六边形互补开口谐振环8、所述六边形开口谐振环9和所述第二六边形互补开口谐振环10的两边，即开口方向的两侧，使用多屏级联技术及加载高阻线11实现了频率选择表面的矩形系数近似1的性能。
进一步的，所述第一六边形互补开口谐振环8和所述第二六边形互补开口谐振环10的单元直径为6.8mm，外环开口宽直径为0.3mm，内环开口宽直径为0.3mm，中心频率为14.89GHz。
在本实施方式中，如图4所提供的第一六边形互补开口谐振环8结构示意图所示，其中，第二六边形互补开口谐振环10的结构和第一六边形互补开口谐振环8结构相同，内外环均为六边形，当电磁波照射至频率选择表面时，通过互补开口谐振环引起谐振，中心频率为14.89GHz，单元直径d为6.8mm，外环开口宽直径m为0.3mm，内环开口宽直径n为0.3mm。如图5所提供的六边形互补开口谐振环仿真结果图所示，在通带内频率选择性能较好，在通带外矩形系数近似1。Ku波段反射系数在-20dB以下时相对防护带宽均大于4.5％，在-15dB以下时相对防护带宽均大于5.4％，而传统频率选择表面相对防护带宽小于3％。以-25dB与-3dB为参考，该频率选择表面矩形系数为1.33，近似于1。与采用单开口谐振环以及方形互补开口谐振环结构设计的传统频率选择表面相比，六边形互补开口谐振环频率选择表面所得到的带宽更宽，且能得到较好的相对防护带宽。
进一步的，所述第一六边形互补开口谐振环8和所述第二六边形互补开口谐振环10的内环开口和外环开口互补。
在本实施方式中，所述第一六边形互补开口谐振环8和所述第二六边形互补开口谐振环10的外环开口与内环开口朝向相反，互为180°互补关系。
进一步的，所述第一介质基板2、所述第二介质基板3、所述第三介质基板4和所述第四介质基板5的厚度为0.508mm。
在本实施方式中，Rogers5880介质基板共四层，所述第一介质基板2、所述第二介质基板3、所述第三介质基板4和所述第四介质基板5厚度设计为0.508mm，便于添加液晶材料和蚀刻所述第一六边形互补开口谐振环8、六边形开口谐振环9和第二六边形互补开口谐振环10。
进一步的，所述第一液晶层6和所述第二液晶层7的厚度为0.254mm。
在本实施方式中，通过加载无源液晶材料，克服了传统频率选择表面不可调谐的劣势，解决了加载有源器件实现调谐所带来的设计复杂度问题，通过在上下两层谐振单元加载偏压，实现对液晶的调控，完成对连续可调频率选择表面的设计，如图6所提供的多层液晶堆叠结构示意图所示，在两层液晶层加载偏置电压作用下，可实现频率选择表面的调谐功能。如图7提供的液晶调谐曲线示意图所示，在Ku波段通过改变外加偏压改变液晶介电常数均可实现0.96GHz频率调谐范围，所述液晶材料共两层，分别加载在两层介质基板之间，每层液晶厚度为0.254mm。由于使用多屏级联技术及加载高阻线实现了频率选择表面的矩形系数近似1的性能，采用多层耦合技术实现了频率选择表面的小型化设计，结合多层液晶堆叠技术实现了频率选择表面的调谐问题，提升频率选择表面的总体性能
本发明的一种连续可调频率选择表面结构，使用多层六边形互补开口谐振环结合多屏级联技术，同时加载高阻线连接互补开口谐振结构，实现频率选择表面的高相对防护性能，且其矩形系数近似1，带外陡峭度高；采用感性表面与容性表面的耦合技术，对多层频率选择表面进行设计，实现了频率选择表面整体的小型化；通过使用多层液晶层联合调谐技术，对液晶材料加载偏置电压，实现了频率选择表面的可调谐功能，提升频率选择表面的总体性能。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种连续可调频率选择表面结构，其特征在于，
所述连续可调频率选择表面结构包括六边形互补开口谐振环组件、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第一液晶层和第二液晶层，所述六边形互补开口谐振环组件包括第一六边形互补开口谐振环、六边形开口谐振环和第二六边形互补开口谐振环，所述第一六边形互补开口谐振环与所述第一介质基板和所述第二介质基板连接，并位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，所述六边形开口谐振环与所述第二介质基板和所述第三介质基板连接，并位于所述第二介质基板和所述第三介质基板之间，所述第二六边形互补开口谐振环与所述第三介质基板和所述第四介质基板连接，并位于所述第三介质基板和所述第四介质基板之间，所述第一液晶层位于所述第一六边形互补开口谐振环和所述第二介质基板之间，所述第二液晶层位于所述第三介质基板和所述第二六边形互补开口谐振环之间；
所述连续可调频率选择表面还包括多个高阻线，多个所述高阻线与所述第一六边形互补开口谐振环、所述六边形开口谐振环和所述第二六边形互补开口谐振环连接，并位于所述第一六边形互补开口谐振环、所述六边形开口谐振环和所述第二六边形互补开口谐振环之间。
2.如权利要求1所述的连续可调频率选择表面结构，其特征在于，
所述第一六边形互补开口谐振环和所述第二六边形互补开口谐振环的单元直径为6.8mm，外环开口宽直径为0.3mm，内环开口宽直径为0.3mm，中心频率为14.89GHz。
3.如权利要求1所述的连续可调频率选择表面结构，其特征在于，
所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板和所述第四介质基板的厚度为0.508mm。
4.如权利要求1所述的连续可调频率选择表面结构，其特征在于，
所述第一液晶层和所述第二液晶层的厚度为0.254mm。
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