CN112467394A - 一种频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于微波技术领域，提供了一种频率选择表面，包括：三层金属贴片；每层金属贴片均由多件呈周期性排列的金属贴片子单元组成；两层介质基板，分别设置在三层所述金属贴片阵列之间；其中，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元均呈I形，I形金属贴片子单元的中心部位设有变容二极管；中间层的金属贴片子单元呈一字型。与现有技术相比，本发明属于有源器件，通过在I形金属贴片子单元的中心部位焊接有变容二极管，具有两个谐振点，能够实现超宽带频率选择；其次，本发明通过同时改变施加在变容二极管的偏置电压V，可以使其对电磁波的频率选择特性连续可调，改变其滤波性能，适用于更加复杂的电磁环境。

Description

一种频率选择表面
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(FSS)是一种新型的人工电磁材料，其特性类似空间滤波器，通过人为设计不同的电磁参数来按照需求进行电磁波传输的调控。FSS的研究涵盖了电磁波的微波、红外、可见光等波段，使其无论在军事还是民用领域都有广泛应用，例如极化器、空间滤波器、雷达天线罩、天线副反射面等。近年来，随着无线通信技术的快速发展，通信系统变得越来越复杂和多功能，传统的无源FSS越来越无法满足苛刻的通信要求，可重构FSS成为了近年来的研究热点。与传统的无源FSS相比，有源频率选择表面的电磁传输特性则可以被动态调节，能够适应复杂多变的电磁环境，具有更广阔的研究价值。
目前基于频率选择表面的空间滤波器发展迅速，一些极化不敏感、单频带，多频带的频率选择表面不断被提出。
本发明申请人在实际使用中发现，目前的技术方案至少存在以下缺陷：
这些频率选择表面都是无源器件，其频率选择功能单一，并且工作带宽很窄，工作频率和滤波性能不可调节，在实际应用中受到很大的限制。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种频率选择表面，旨在解决背景技术中所提到的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种频率选择表面，所述频率选择表面包括：
三层金属贴片；每层金属贴片均由多件呈周期性排列的金属贴片子单元组成；
两层介质基板，分别设置在三层所述金属贴片阵列之间；
其中，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元均呈I形，I形金属贴片子单元的中心部位设有变容二极管；中间层的金属贴片子单元呈一字型。
优选的，所述周期性排列为矩阵排列。
优选的，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元的结构尺寸一致。
优选的，中间层的金属贴片的两端延伸至介质基板的边缘。
优选的，所述介质基板的材质为F4B板材。
优选的，所述F4B板材的介电常数为2.65，损耗正切角为0.001。
优选的，所述介质基板的尺寸为长*宽*高=6mm×6mm×2.5mm，尺寸误差为±0.1mm。
优选的，所述金属贴片的材质为铜。
优选的，所述金属贴片的厚度为0.017~0.019mm。
本发明实施例提供的一种频率选择表面，包括：三层金属贴片；每层金属贴片均由多件呈周期性排列的金属贴片子单元组成；两层介质基板，分别设置在三层所述金属贴片阵列之间；其中，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元均呈I形，I形金属贴片子单元的中心部位设有变容二极管；中间层的金属贴片子单元呈一字型。
与现有技术相比，本发明属于有源器件。本发明通过在I形金属贴片子单元的中心部位焊接有变容二极管，具有两个谐振点，能够实现超宽带频率选择；其次，本发明通过同时改变施加在变容二极管的偏置电压V，可以使其对电磁波的频率选择特性连续可调，改变其滤波性能，有效地解决了无源频率选择表面一旦加工完成，其频率选择特性就没法被改变的缺陷，可以适用于更加复杂的电磁环境。而且，本发明基本结构简单，厚度薄，易于加工生产，在系统中易于集成，价格便宜，在实际应用中具有广阔的前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种频率选择表面的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的一种频率选择表面的俯视图；
图3为本发明实施例提供的I形金属贴片子单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一字形金属贴片子单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的偏置电压加载的示意图；
图6为本发明实施例提供的频率选择表面的传输系数和反射系数曲线图。
附图中：1、顶层金属贴片；2、中间层金属贴片；3、底层金属贴片；4、顶层变容二极管；5、底层变容二极管；6、介质基板顶层；7、介质基板底层。
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，以下结合附图及实施例，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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如附图1所示，为本发明一个实施例提供的一种频率选择表面，所述频率选择表面包括：
三层金属贴片；每层金属贴片均由多件呈周期性排列的金属贴片子单元组成；
两层介质基板，分别设置在三层所述金属贴片阵列之间；
其中，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元均呈I形，I形金属贴片子单元的中心部位设有变容二极管；中间层的金属贴片子单元呈一字型。
在本发明实施例中，如附图1所示，顶层金属贴片1印制在顶层介质基板6的上表面，底层金属贴片3印制在底层介质基板7的下表面，中间层层金属贴片2印制在顶层介质基板6和底层介质基板7之间。每层金属贴片都由多件沿介质表面的X轴方向和Y轴方向呈周期性排列的金属贴片子单元组成。顶层变容二极管4焊接在顶层的金属贴片子单元的中心部位，底层变容二极管5焊接在底层的金属贴片子单元的中心部位。
其中，中间层金属贴片2为典型的金属带栅，当入射电磁波的电场分量平行于金属带栅时，金属带栅相当于高通滤波器，能够有效阻止低频电磁波的传播，但是对高频电磁波的传播不会造成很大的影响，这等效到电路中相当于电感。当低频电磁波传入时等效电路中的低频电流将会通过电感的作用被导入地面，高频电磁波传入时等效电路中的高频电流无法通过电感,将被传输到另一端。
顶层变容二极管4和底层变容二极管5等效为阻抗由下式表示：
其中，Z、R、L、C分别表示二极管阻抗、等效电阻、等效电感、等效电容。
以选用Skyworks Solution厂商生产的SMV2019-079LF系列变容二极管作为本实施例中的顶层变容二极管4和底层变容二极管5，本实施例中顶层变容二极管4和底层变容二极管5的加载电压与对应数据如下表：
VR(V) C(pF) R() L(nH)
0 2.31 4.51 0.7
-7 0.55 3.66 0.7
-14 0.31 2.86 0.7
-19 0.24 2.38 0.7
其中，VR、C、R、L分别表示加载在变容二极管上的电压、等效电容、等效电阻、等效电感。通过改变加载在变容二极管上的电压VR大小，可以改变顶层变容二极管4和底层变容二极管5的等效电容、等效电阻和等效电感，最终改变变容二极管的等效阻抗，这相当于改变了频率选择表面的阻抗特性。
与现有技术相比，本发明属于有源器件。本发明通过在I形金属贴片子单元的中心部位焊接有变容二极管，具有两个谐振点，能够实现超宽带频率选择；其次，本发明通过同时改变施加在变容二极管的偏置电压V，可以使其对电磁波的频率选择特性连续可调，改变其滤波性能，有效地解决了无源频率选择表面一旦加工完成，其频率选择特性就没法被改变的缺陷，可以适用于更加复杂的电磁环境。而且，本发明基本结构简单，厚度薄，易于加工生产，在系统中易于集成，价格便宜，在实际应用中具有广阔的前景。
作为本发明的一种优选实施例，所述周期性排列为矩阵排列。
作为本发明的一种优选实施例，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元的结构尺寸一致。
具体的，如附图1和2所示，顶层金属贴片1和底层金属贴片3的结构尺寸一致，在周期阵列内每一行每一列都是由相同的金属贴片子单元组成，降低了相互之间的干扰。
如附图1所示，作为本发明的一种优选实施例，中间层金属贴片2的两端延伸至介质基板的边缘。
作为本发明的一种优选实施例，所述介质基板的材质为F4B板材。
具体的，F4B板材是一种损耗小、介电常数高且稳定的绝缘材料，常应用于移动通讯产品，合入器、功分器、双工器、滤波器、耦合器等无源器件，以及GSM、CDMA、3G智能天线等领域，是一种性能优异的材料。本实施例中，顶层介质基板6和底层介质基板7都选用F4B板材制作而成。
作为本发明的一种优选实施例，所述F4B板材的介电常数为2.65，损耗正切角为0.001。
作为本发明的一种优选实施例，所述介质基板的尺寸为长*宽*高=6mm×6mm×2.5mm，尺寸误差为±0.1mm。
具体的，顶层介质基板6和底层介质基板7可以对入射到频率选择表面的电磁波进行多次反射，通过优选顶层介质基板6和底层介质基板7的厚度可以使得频率选择表面具有两个谐振点，极大拓展了器件的频率选择性能。
作为本发明的一种优选实施例，所述金属贴片的材质为铜。
具体的，顶层金属贴片1、中间层金属贴片2和底层金属贴片3均为铜箔。
作为本发明的一种优选实施例，所述金属贴片的厚度为0.017~0.019mm。
实施例2
本实施例是实施例1中频率选择表面的具体实现，所述频率选择表面工作在微波频段，其组成结构如下：
顶层介质基板6和底层介质基板7均呈正方形结构，边长P=6mm，厚度为t=2.5mm；二者均采取F4B双面敷铜介质板制作而成，介电常数为2.65，损耗正切角为0.001。
顶层介质基板6的上表面和底层介质基板7的下表面分别覆盖有顶层金属贴片1和底层金属贴片3，顶层金属贴片1和底层金属贴片3为金属谐振层，使得频率选择表面有两个谐振点。顶层介质基板6和底层介质基板7之间具有中间层金属贴片2。其中，顶层金属贴片1和底层金属贴片3均由呈35×35阵列排布的I形金属贴片子单元组成，I形金属贴片子单元的臂宽w1=0.2mm，臂间距d=5.8mm，如附图3所示。I形金属贴片子单元的中心部位焊接有变容二极管，变容二极管选用Skyworks Solution厂商生产的SMV2019-079LF系列变容二极管，变容二极管的长度g=1.2mm。中间层金属贴片2多件一字型金属贴片子单元组成，一字型金属贴片子单元的臂宽w2=0.6mm，如附图4所示。顶层金属贴片1、中间层金属贴片2和底层金属贴片3的厚度均为0.018mm。
如附图5所示，在顶层金属贴片1和底层金属贴片3上变容二极管的两端施加电压，并同时调节施加电压的大小，以实现对工作频带的调节。
如附图6所示，随着反向偏置电压的逐渐增大，频率选择表面的工作频段向高频偏移。当反向偏置电压为0V时，频率选择表面的-10dB工作带宽为22.1%(3.55-4.43GHz)；当反向偏置电压增大到19V时，-10dB工作带宽为22.1%(4.43-5.53GHz)。并且在连续可调过程中，通带内的插入损耗为0.27-2.6dB，回波损耗为11.3-35.9dB。
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 (9)

1.一种频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面包括：
三层金属贴片；每层金属贴片均由多件呈周期性排列的金属贴片子单元组成；
两层介质基板，分别设置在三层所述金属贴片阵列之间；
其中，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元均呈I形，I形金属贴片子单元的中心部位设有变容二极管；中间层的金属贴片子单元呈一字型。
2.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，所述周期性排列为矩阵排列。
3.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，顶层的金属贴片子单元的和底层的金属贴片子单元的结构尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，中间层的金属贴片的两端延伸至介质基板的边缘。
5.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，所述介质基板的材质为F4B板材。
6.根据权利要求5所述的一种频率选择表面，其特征在于，所述F4B板材的介电常数为2.65，损耗正切角为0.001。
7.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，所述介质基板的尺寸为长*宽*高=6mm×6mm×2.5mm，尺寸误差为±0.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，所述金属贴片的材质为铜。
9.根据权利要求1所述的一种频率选择表面，其特征在于，所述金属贴片的厚度为0.017~0.019mm。
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