CN112290224B - 一种角度响应可调频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种角度响应可调频率选择表面，属于电磁波频率选择表面技术领域。包括：第一金属结构层和第二金属结构层对应设置在介质基板层的前后侧面上，所述第一金属结构层的周期单元为井字形金属网格，所述第二金属结构层的周期单元包括：方形金属线和两条馈电金属线，两条馈电金属线平行且对称设置在方形金属线的上下两侧，两条馈电金属线的中部分别通过金属短线与方形金属线的上下两侧金属线相连接，所述方形金属线的左右两侧金属线上均设有开口，变容二极管设置在开口内，变容二极管的两侧分别与开口的两侧的金属线连接。有效解决了传统频率选择表面角度稳定性差的难题。

Description

一种角度响应可调频率选择表面
技术领域
本发明属于电磁波频率选择表面技术领域，具体涉及一种角度响应可调频率选择表面。
背景技术
频率选择表面是由周期性排列的贴片单元或缝隙单元构成的一种二维周期结构，对电磁波的传播表现出频率选择的滤波特性，即选择特性随频率的变化而变化，对某些频带内的入射电磁波可以全部通过，而对另一些频带内的电磁波可以全部反射。因此，频率选择表面也称为空间电磁滤波器，常用在混合雷达罩隐身、电磁兼容及电磁屏蔽领域。
传统的频率选择表面存在一定的缺陷。首先，结构一旦设计完成，相应的性能就无法改变；其次，其对电磁波的传输特性随入射角度的变化而变化，即角度敏感性明显。
因此，本申请提出了一种通过加载变容二极管来灵活调控频率选择表面的传输特性，实现了其对电磁波传输特性的角度不敏感性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种角度响应可调频率选择表面，有效解决了传统频率选择表面角度稳定性差的难题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种角度响应可调频率选择表面，包括：第一金属结构层、介质基板层和第二金属结构层，第一金属结构层和第二金属结构层对应设置在介质基板层的前后侧面上，所述第一金属结构层和第二金属结构层分别由多个周期单元呈周期排布构成，所述第一金属结构层的周期单元为井字形金属网格，所述第二金属结构层的周期单元包括：方形金属线和两条馈电金属线，两条馈电金属线平行且对称设置在方形金属线的上下两侧，两条馈电金属线的中部分别通过金属短线与方形金属线的上下两侧金属线相连接，所述方形金属线的左右两侧金属线上均设有开口，变容二极管设置在开口内，变容二极管的两侧分别与开口的两侧的金属线连接。
所述第一金属结构层的周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，井字形金属网格的金属线的宽度为w＝0.3mm。
所述介质基板层由复合材料组成，厚度0.6-2.0mm，相对介电常数2.2-4，介电损耗角为0.001-0.01。
所述第二金属结构层的周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，方形金属线的外边长为a＝8mm，内边长为b＝7.4mm，馈电金属线的宽度为w＝0.3mm，所述开口的宽度为w1＝0.3mm。
所述变容二极管的电容调控范围0.35-3.2pF。
所述第一金属结构层和第二金属结构层的材质均为金属铜，所述金属铜的电导率为5.8×107S/m。
与现有技术相比较，本发明提供的角度响应可调频率选择表面具有以下有益效果：
本发明提供的可调频率选择表面，通过改变变容二极管的直流偏置电压，使其在电磁波大角度入射下的谐振频率与垂直入射时的谐振频率保持一致，有效解决了传统频率选择表面角度稳定性差的难题。
本发明在电磁波斜入射时，由于所述频率选择表面的透射响应向高频移动，通过改变变容二极管的电容值，使得斜入射时的谐振频率向低频移动，从而实现谐振频率与垂直入射时的谐振频率保持一致。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面的3×3结构示意图。
图2为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面周期单元结构示意图。
图3为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面金属网格层周期单元结构示意图。
图4为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面馈电结构层周期单元结构示意图。
图5为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面在加载变容二极管电容值不变时的斜入射仿真曲线。
图6为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面在可变电容值状态下的斜入射仿真曲线。
附图标记说明：
第一金属结构层1、第二金属结构层3、介质基板层2、变容二极管301、馈电金属线302、开口金属环303。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供一种角度响应可调频率选择表面，包括：第一金属结构层1、介质基板层2和第二金属结构层3，第一金属结构层1和第二金属结构层3对应设置在介质基板层2的前后侧面上，所述第一金属结构层1和第二金属结构层3分别由多个周期单元呈周期排布构成，所述第一金属结构层1的周期单元为井字形金属网格10，所述第二金属结构层3的周期单元30包括：方形金属线303和两条馈电金属线302，两条馈电金属线302平行且对称设置在方形金属线的上下两侧，两条馈电金属线302的中部分别通过金属短线与方形金属线的上下两侧金属线相连接，所述方形金属线的左右两侧金属线上均设有开口，变容二极管301设置在开口内，变容二极管301的两侧分别与开口的两侧的金属线连接。
在不含变容二极管301时，其传输特性会随着入射角度的增加，其谐振中心频点会向高频移动，如图5所示。加入变容二极管301后，针对不同的电磁波入射角度，通过调节偏置电压，来改变变容二极管301的电容值，从而改变该入射角度对应下的谐振频率，与电磁波垂直入射时的谐振频率保持一致，如图6所示。
如图3所示，所述第一金属结构层1的周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，井字形金属网格的金属线的宽度为w＝0.3mm。
所述介质基板层10由复合材料组成，厚度0.6-2.0mm，相对介电常数2.2-4，介电损耗角为0.001-0.01。
如图4所示，所述第二金属结构层3的周期单元30的结构边长长度为p＝10.0mm，方形金属线的外边长为a＝8mm，内边长为b＝7.4mm，馈电金属线302的宽度为w2＝0.3mm，所述开口的宽度为w1＝0.3mm。
所述变容二极管301的电容调控范围0.35-3.2pF。
所述第一金属结构层1和第二金属结构层3的材质均为金属铜，所述金属铜的电导率为5.8×107S/m。
应理解，上述结构的材质只是本发明实施例的一种，具体选择根据实际情况确定，本发明对此不做限制。
本发明实施例提供的角度响应可调带频率选择表面的第一金属结构层1由周期性排列的井字铜网格组成，如图3所示，周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，金属线宽度为w＝0.3mm。
本发明实施例提供的角度响应可调带频率选择表面的第二金属结构层3由周期性排列的开口方环铜贴片组成，如图4所示，周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，开口方环的外边长为a＝8mm，内边长为b＝7.4mm，上下馈电金属线的宽度为w＝0.3mm，方环开口宽度为w1＝0.3mm。
应理解，上述结构尺寸只是实施例的一种，作示例性说明，具体尺寸变化根据实际情况确定，本发明对此不做限制。
图5所示为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面在加载变容二极管电容值不变时的斜入射仿真曲线。可以看出此时随着入射角度增大，谐振频率向高频处移动。
图6所示为本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面，在入射角度分别为15、30、45度时，对应调整变容二极管电容值后的仿真曲线。可以看出，入射角度为15度时，将变容二极管的电容值调整为0.37pF，谐振频率为4.26GHz；入射角度为30度时，将变容二极管的电容值调整为0.5pF，谐振频率变为4.26GHz；入射角度为45度时，将变容二极管的电容值调整为1.25pF，谐振频率变为4.25GHz。在不同入射角度下，通过改变二极管的电容值，传输特性保持了很好的角度稳定性。
综上所述，本发明实施例提供的角度响应可调频率选择表面，通过调整外部直流偏置电压，进而改变变容二极管的电容值，解决了大角度入射下谐振频率偏移的问题，从而实现了可调的角度稳定性。同时，该结构应用于天线罩时，可以保证天线罩每个部分透过的电磁波都在同一谐振频率处，保证了天线的高效传输。
本发明在电磁波斜入射时，由于所述频率选择表面的透射响应向高频移动，通过改变变容二极管的电容值，使得斜入射时的谐振频率向低频移动，从而实现谐振频率与垂直入射时的谐振频率保持一致。
所述的角度可调频率选择表面应用于天线罩时，可以保证天线罩每个部分在同一个谐振频率处的透过率最高，具有重要的应用前景。
本发明主要应用于天线罩领域，当电磁波入射时，对于天线罩各个部分来说，入射角都不相同并且斜入射时谐振频点偏移较明显。因此，我们通过加载变容二极管的方法，使得天线罩对不同入射角度的电磁波具有相同的传输响应，该设计方法具有重要的工程应用前景。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种角度响应可调频率选择表面，包括：第一金属结构层(1)、介质基板层(2)和第二金属结构层(3)，第一金属结构层(1)和第二金属结构层(3)对应设置在介质基板层(2)的前后侧面上，其特征在于，所述第一金属结构层(1)和第二金属结构层(3)分别由多个周期单元呈周期排布构成，所述第一金属结构层(1)的周期单元为井字形金属网格(10)，所述第二金属结构层(3)的周期单元(30)包括：方形金属线(303)和两条馈电金属线(302)，两条馈电金属线(302)平行且对称设置在方形金属线(303)的上下两侧，两条馈电金属线(302)的中部分别通过金属短线与方形金属线的上下两侧金属线相连接，所述方形金属线(303)的左右两侧金属线上均设有开口，变容二极管(301)设置在开口内，变容二极管(301)的两侧分别与开口的两侧的金属线连接。
2.根据权利要求1所述的角度响应可调频率选择表面，其特征在于，所述第一金属结构层(1)的周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，井字形金属网格的金属线的宽度为w＝0.3mm。
3.根据权利要求1所述的角度响应可调频率选择表面，其特征在于，所述介质基板层(2)由复合材料组成，厚度0.6-2.0mm，相对介电常数2.2-4，介电损耗角为0.001-0.01。
4.根据权利要求1所述的角度响应可调频率选择表面，其特征在于，所述第二金属结构层(3)的周期单元的结构边长长度为p＝10.0mm，方形金属线(303)的外边长为a＝8mm，内边长为b＝7.4mm，馈电金属线(302)的宽度为w＝0.3mm，所述开口的宽度为w1＝0.3mm。
5.根据权利要求1所述的角度响应可调频率选择表面，其特征在于，所述变容二极管(301)的电容调控范围0.35-3.2pF。
6.根据权利要求1所述的角度响应可调频率选择表面，其特征在于，所述第一金属结构层(1)和第二金属结构层(3)的材质均为金属铜，所述金属铜的电导率为5.8×107S/m。
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