CN112164894A - 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁场微波领域，涉及一种X和S波段的有源可重构频率选择表面。包括三层金属面，每两层金属面之间设有一层介质基板；第一金属面上刻有多个周期性金属单元；第三金属面上的二极管与每个周期性金属单元的位置所对应；第三层金属面为偏置电路层；第一介质基板与第二介质基板设有金属化通孔，用于连接导通二极管；第二金属面作为地板和隔离层，用于隔离金属面之间的影响，并隔离和匹配金属化通孔。本发明通过外加的偏置电路对每个单元的工作情况进行独立调控，使得每个单元在二极管导通时吸收X波段的电磁波，并在二极管截断时吸收S波段的电磁波。同时偏置电路的引入使得频率选择表面有了更好的调谐性能和更广泛的实用性。

Description

一种X和S波段的有源可重构频率选择表面

技术领域

本发明涉及电磁场微波技术领域，尤其涉及一种X和S波段的有源可重构频率选择表面。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由许多周期性排列的单元组成的结构，可以用来控制不同的电磁波。通过特定的结构对电磁波进行定向的调控，我们设计出了空间滤波器、吸波器、大尺度平面反射阵列和电磁透镜。目前，单一固定的频率选择表面结构已不能满足多标准、多功能的移动系统的需求，因此具有可重构性和可编码性的超表面进入了我们的视野。

基于二极管的有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface，AFSS)可以通过改变二极管的状态来改变单元的谐振状态。然而，现有的AFSS存在着例如谐振频率移动量过小，二极管无法单独可控，效率不高等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于现场可编程逻辑门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)控制的有源频率选择表面网络，这种AFSS结构能够通过偏置电路独立的调节每一个单元的谐振情况，从而使整个网络能在FPGA的调控下工作在不同的状态下。该结构简单，成本低，易于加工，在特定频段损耗小，能够实现电磁波频率和角度的精确调控。

本发明为了实现上述目的，具体采用以下技术方案：

一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，包括三层金属面，每两层所述金属面之间设有一层介质基板；

所述三层金属面由上到下分别为第一金属面、第二金属面和第三金属面；所述第一金属面与第二金属面之间为第一介质基板，所述第二金属面与第三金属面为第二介质基板；

所述第一金属面上刻有多个相同的周期性金属单元；每个所述周期性金属单元处刻有偏置线，所述偏置线用于连接每个周期性金属单元与控制电路接口；

所述第三金属面上贴有二极管，所述二极管与第一金属面上每个周期性金属单元的位置所对应，用于调控所述周期性金属单元的谐振结构；所述第三层金属面为偏置电路层，用于通过数字电路给每个所述周期性金属单元独立的馈电，以调控所述二极管的通断；

所述第一介质基板与第二介质基板设有金属化通孔，用于连接导通所述二极管；

所述第二金属面作为地板和隔离层，用于隔离所述第三金属面和第一金属面之间的影响，并为所述金属化通孔提供隔离和匹配。

进一步地，在一种实现方式中，所述第一金属面上的每个周期性金属单元由一个正方形贴片和一个环形贴片构成；所述环形贴片位于正方形贴片外侧；所述正方形贴片与环形贴片在同一方向的中心位置设有一个过渡性的水平延伸的金属结构，所述金属结构在延伸位置的尽头通过所述第一介质基板与第二介质基板上的金属化通孔连接到第三金属面的二极管上；

所述第一金属面上的每个周期性金属单元在正方形贴片的中心以及所述环形贴片的水平臂的中心位置，分别设有金属化通孔，用于穿过所述第一介质基板与第二介质基板连接偏置电路层的正极和负极。

进一步地，在一种实现方式中，所述第二金属面上，在每个所述第一介质基板与第二介质基板之间金属化通孔连接的位置留有半径r＝1.5mm的开孔空气柱，用于阻止所述金属化通孔和隔离层发生电流交换。

进一步地，在一种实现方式中，所述第一层金属面的所有周期性金属单元结构中，所述第一金属面上的环形贴片中央的金属化通孔均连接到第三金属面共同的接地金属上，每个所述周期性金属单元正方形贴片中心的金属化通孔分别连接到一条独立的偏置线上，并引到周期性金属结构之外的加载偏置电路的牛角座位置。

进一步地，在一种实现方式中，所述第一金属面的每个周期性金属单元的环形贴片，均通过金属化通孔和第三金属面的共同的地相连，与所述第一金属面相连的偏置电路能通过现场可编程逻辑门阵列对每个独立的周期性金属单元上的直流偏置进行单独控制，使得在每个所述周期性金属单元正极偏置为低电平时，所述环形贴片和贴片单独工作，在每个所述周期性金属单元正极偏置为高电平时，所述环形贴片和贴片之间通过二极管形成一个联通的回路。

进一步地，在一种实现方式中，所述第一介质基板与第二介质基板的损耗角正切为tanδ＝0.003。

进一步地，在一种实现方式中，所述金属面采用镀金的纯铜材质。

进一步地，在一种实现方式中，所述周期性金属单元的边长为21mm，所述环形贴片最外侧的边长为19mm，所述环形贴片的宽度为1mm，所述正方形贴片的边长为11.4mm。

进一步地，在一种实现方式中，所述金属化通孔的半径为0.15mm。

进一步地，在一种实现方式中，所述第三金属面上的偏置线的宽度为1mm，两条所述偏置线之间的金属宽度为1mm。

与现有技术不同的是，本发明可以通过有源偏置电路独立地控制每个单元的二极管，这使得FSS的谐振特性不再只有几个开、关状态，而是可以根据需要进行重构。可以实现一系列复杂的编码结构，如形状阵列、上(或下)三角阵列，甚至是时差扫描阵列。利用这种智能控制网络，可以实现一个参数对不同功能的重构。

综上所述，采用了上述技术方案，相较于现有技术，本发明能够产生以下有益效果：

本发明可以通过外加的偏置电路对每个单元的工作情况进行独立调控，使得每个单元在外加偏置电路提供高电平，二极管导通时所述的频率选择表面工作在X波段吸收X波段的电磁波，在外加偏置电路提供低电平，二极管截断时所述的频率选择表面工作在S波段吸收S波段的电磁波。同时可以通过对单元状态信息进行简单的编码得到波束偏转等特殊的效果。这使得频率选择表面有了更好的调谐性能和更广泛的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明实施例部分提供的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面的一个局部单元示意图；

图2是本发明实施例部分提供的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面的单个单元的爆炸结构示意图；

图3是本发明实施例部分提供的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中单个单元背面偏置电路示意图；

图4是本发明实施例部分提供的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面的仿真结构测试图；

图5a是本发明实施例部分提供的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面的第一实际测试结果示意图；

图5b是本发明实施例部分提供的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面的第二实际测试结果示意图。

其中：1-第一金属面；2-第一介质基板；3-第二金属面；4-第二介质基板；5-第三金属面；6-偏置电路正极金属线；7-二极管焊盘；8-连接第一金属面正极的金属化通孔；9-连接第一金属面负极的金属化通孔。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例公开一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，应用于可重构的天线阵列的需求上，通过改变二极管状态这种低成本的方式，对比于传统的两幅天线阵列的方式极大的减少了成本。

如图1和图2所示，本实施例提供一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，包括三层金属面，每两层所述金属面之间设有一层介质基板；具体的，本实施例中，每层所述金属面均为不同的金属面。

所述三层金属面由上到下分别为第一金属面、第二金属面和第三金属面；所述第一金属面与第二金属面之间为第一介质基板，所述第二金属面与第三金属面为第二介质基板；图2中，所述第一金属面的标号为1，所述第一介质基板的标号为2，所述第二金属面的标号为3，所述第二介质基板的标号为4，所述第三金属面的标号为5。

所述第一金属面上刻有多个相同的周期性金属单元；每个所述周期性金属单元处刻有偏置线，所述偏置线用于连接每个周期性金属单元与控制电路接口；

所述第三金属面上贴有二极管，所述二极管与第一金属面上每个周期性金属单元的位置所对应，用于调控所述周期性金属单元的谐振结构；所述第三层金属面为偏置电路层，用于通过数字电路给每个所述周期性金属单元独立的馈电，以调控所述二极管的通断；如图3所示，所述第三金属面上，标号6为偏置电路正极金属线，标号7为二极管焊盘，标号8为连接第一金属面正极的金属化通孔，标号9为连接第一金属面负极的金属化通孔。

所述第一介质基板与第二介质基板设有金属化通孔，用于连接导通所述二极管；

所述第二金属面作为地板和隔离层，用于隔离所述第三金属面和第一金属面之间的影响，并为所述金属化通孔提供隔离和匹配。

具体的，本实施例中，实际是一个由144个周期性金属单元构成的12x12的阵列。其针对微波的X波段和S波段，以及现有的频率选择表面无法通过电控进行表面性质的调谐的缺陷，设计出一种带宽较宽，调谐性能好，吸波性能较好的可重构超表面器件。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述第一金属面上的每个周期性金属单元由一个正方形贴片和一个环形贴片构成；所述环形贴片位于正方形贴片外侧；所述正方形贴片与环形贴片在同一方向的中心位置设有一个过渡性的水平延伸的金属结构，所述金属结构在延伸位置的尽头通过所述第一介质基板与第二介质基板上的金属化通孔连接到第三金属面的二极管上；

所述第一金属面上的每个周期性金属单元在正方形贴片的中心以及所述环形贴片的水平臂的中心位置，分别设有金属化通孔，用于穿过所述第一介质基板与第二介质基板连接偏置电路层的正极和负极。本实施例中，所述水平臂的中心位置，即与二极管贴片方向平行的金属臂的中心位置。

由图1和图2可以看出，所述第一金属面，由一个较小的正方形贴片和略大于正方形贴片的环形贴片构成，两贴片在竖直方向的中心位置有一个过渡性的水平延伸金属结构，并在延伸位置的尽头通过金属化通孔连接到第三金属面的二极管上。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述第二金属面上，在每个所述第一介质基板与第二介质基板之间金属化通孔连接的位置留有半径r＝1.5mm的开孔空气柱，用于阻止所述金属化通孔和隔离层发生电流交换。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述第一层金属面的所有周期性金属单元结构中，所述第一金属面上的环形贴片中央的金属化通孔均连接到第三金属面共同的接地金属上，每个所述周期性金属单元正方形贴片中心的金属化通孔分别连接到一条独立的偏置线上，并引到周期性金属结构之外的加载偏置电路的牛角座位置。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述第一金属面的每个周期性金属单元的环形贴片，均通过金属化通孔和第三金属面的共同的地(GND)相连，与所述第一金属面相连的偏置电路能通过现场可编程逻辑门阵列对每个独立的周期性金属单元上的直流偏置进行单独控制，使得在每个所述周期性金属单元正极偏置为低电平时，所述环形贴片和贴片单独工作，在每个所述周期性金属单元正极偏置为高电平时，所述环形贴片和贴片之间通过二极管形成一个联通的回路。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述第一介质基板与第二介质基板的损耗角正切为tan0.003。具体的，在本实施例中，介质基板采用了损耗角正切tanδ＝0.003，介电常数为ε＝2.3的FR-4BM材料，其每一层的厚度为1mm，金属面采用了在纯铜上镀金的材料。能够在保证良好导电率的同时，使得表面能够抵抗高温的氧化，便于二极管的表贴。

在本实施例中，X和S波段有源可重构频率选择表面的工作原理为，将一个水平极化的电磁波从上层金属面表面的原处入射，经过表面单元的谐振，吸收掉特定谐振频率的电磁波能量，并讲其余频率的电磁波能量以一个较高的反射率反射回去。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述金属面采用镀金的纯铜材质。

如图1所示，本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述周期性金属单元的边长a＝21mm，所述环形贴片最外侧的边长b＝19mm，所述环形贴片的宽度为w＝1mm，所述正方形贴片的边长c＝11.4mm。

具体的，本实施例中，正方形贴片的边长是c＝11.4mm，当所述正方形贴片单独工作时，谐振在S波段内，略大的环形贴片的边长是19mm，该结构单独工作时谐振在X波段附近，外环的宽度是1mm，较宽的宽度可以有效提高高频谐振的带宽。

在正方形贴片的中心有一个金属化通孔连接到第三金属面对应的位置的正极偏置线上，而在环形贴片下方的水平臂上也有一个金属化通孔连接到对应位置的地上；

进一步的，在上述金属化通孔的位置最大限度的减少了因涉及金属化通孔对水平极化波入射的影响，同时使得两块不同的结构可以通过流过二极管的电流进行导通从而改变起谐振结构。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述金属化通孔的半径r＝0.15mm。在上述金属化通孔的位置最大限度的减少了因涉及金属化通孔对水平极化波入射的影响，同时使得两块不同的结构可以通过流过二极管的电流进行导通，从而改变谐振结构。

此外，本实施例中，贯穿两层介质基板连接第一金属板和第三层金属板的金属化通孔的半径r＝0.15mm，而第二金属面留出的开孔空气柱半径为1.5mm，这两个结构所形成的整体类似于一个同轴线结构，其特性阻抗与第一金属面上的周期性金属单元所等效的微带线阻抗保持一致，确保了两者的阻抗匹配。

本实施例所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面中，所述第三金属面上的偏置线的宽度为1mm，两条所述偏置线之间的金属宽度为1mm，每条连接各个单元正极的偏置线都引出到阵列单元之外的FPGA控制电路上。

参考图4，图中给出了该X和S波段有源可重构频率选择表面的仿真结果测试，从图中可以得知，在开关断开时，即S＝0时，该频率选择表面工作在S波段，在3.3GHz位置的S₁₁≤-5dB吸收了电磁波，而在X波段，即在8-12GHz，内部

电磁波反射；而当开关打开二极管导通时，即S＝1时，该频率选择表面工作在X波段，在8.85GHz位置的S₁₁≤-10dB吸收了电磁波，而在S波段，即2-4GHz，内部

电磁波反射，因此，本发明所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面能很好的达到指标。

参考图5a和图5b，图中给出了本发明所述的X和S波段有源可重构频率选择表面的实际结果测试，从图中我们可以看出，在3.35GHz，S波段在导通与截止两种状态下，方向图场强幅度下降约5dB，与仿真结果吻合。在其他频点，两种状态下口径辐射特性变化较小。在8.8GHz，X波段在导通与截止两种状态下，方向图场强幅度下降约5dB，与仿真结果吻合。在其他频点，两种状态下口径辐射特性变化较小。

本实例提供的X和S波段有源可重构频率选择表面可以通过二极管的调控使得结构分别工作在X和S两个波段，同时由于FPGA控制电路模块的加入，使得每一个单元实现了独立控制，这使得该频率选择表面有了更好的调谐性能和更广泛的实用性。此外频率选择表面可以通过电控调谐的方式实现波束偏转和聚焦等操作，相比相控阵天线有更低的成本和更好的泛用性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，包括三层金属面，每两层所述金属面之间设有一层介质基板；

所述三层金属面由上到下分别为第一金属面、第二金属面和第三金属面；所述第一金属面与第二金属面之间为第一介质基板，所述第二金属面与第三金属面为第二介质基板；

所述第一金属面上刻有多个相同的周期性金属单元；每个所述周期性金属单元处刻有偏置线，所述偏置线用于连接每个周期性金属单元与控制电路接口；

所述第三金属面上贴有二极管，所述二极管与第一金属面上每个周期性金属单元的位置所对应，用于调控所述周期性金属单元的谐振结构；所述第三层金属面为偏置电路层，用于通过数字电路给每个所述周期性金属单元独立的馈电，以调控所述二极管的通断；

所述第一介质基板与第二介质基板设有金属化通孔，用于连接导通所述二极管；

所述第二金属面作为地板和隔离层，用于隔离所述第三金属面和第一金属面之间的影响，并为所述金属化通孔提供隔离和匹配。

2.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一金属面上的每个周期性金属单元由一个正方形贴片和一个环形贴片构成；所述环形贴片位于正方形贴片外侧；所述正方形贴片与环形贴片在同一方向的中心位置设有一个过渡性的水平延伸的金属结构，所述金属结构在延伸位置的尽头通过所述第一介质基板与第二介质基板上的金属化通孔连接到第三金属面的二极管上；

所述第一金属面上的每个周期性金属单元在正方形贴片的中心以及所述环形贴片的水平臂的中心位置，分别设有金属化通孔，用于穿过所述第一介质基板与第二介质基板连接偏置电路层的正极和负极。

3.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述第二金属面上，在每个所述第一介质基板与第二介质基板之间金属化通孔连接的位置留有半径r＝1.5mm的开孔空气柱，用于阻止所述金属化通孔和隔离层发生电流交换。

4.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一层金属面的所有周期性金属单元结构中，所述第一金属面上的环形贴片中央的金属化通孔均连接到第三金属面共同的接地金属上，每个所述周期性金属单元正方形贴片中心的金属化通孔分别连接到一条独立的偏置线上，并引到周期性金属结构之外的加载偏置电路的牛角座位置。

5.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一金属面的每个周期性金属单元的环形贴片，均通过金属化通孔和第三金属面的共同的地相连，与所述第一金属面相连的偏置电路能通过现场可编程逻辑门阵列对每个独立的周期性金属单元上的直流偏置进行单独控制，使得在每个所述周期性金属单元正极偏置为低电平时，所述环形贴片和贴片单独工作，在每个所述周期性金属单元正极偏置为高电平时，所述环形贴片和贴片之间通过二极管形成一个联通的回路。

6.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一介质基板与第二介质基板的损耗角正切为tanδ＝0.003。

7.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述金属面采用镀金的纯铜材质。

8.根据权利要求2所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述周期性金属单元的边长为21mm，所述环形贴片最外侧的边长为19mm，所述环形贴片的宽度为1mm，所述正方形贴片的边长为11.4mm。

9.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述金属化通孔的半径为0.15mm。

10.根据权利要求1所述的一种X和S波段的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述第三金属面上的偏置线的宽度为1mm，两条所述偏置线之间的金属宽度为1mm。

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