CN112510375B - 一种通带可重构的频率选择表面及基本单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通带可重构的频率选择表面及基本单元，该基本单元包括依次设置的高电阻层、间隔层和可重构层；高电阻层包括第一介质板和四个电阻，第一介质板印制有金属方环，金属方环边线上嵌设电阻，顶角通过印制金属线对应连接至第一介质板的顶角；可重构层包括第二介质板和四个PIN二极管，第二介质板与间隔层连接的一侧印制有金属层，十字形环带间隙将金属层分为十字形金属片和金属板，PIN二极管设置在十字形金属片的端部与金属板之间，阴极连接十字形金属片，阳极连接金属板；第二介质板的另一侧设有馈线网络，通过金属线与十字形金属片连接。本发明提供的频率选择表面及基本单元有宽通带、高可靠、实用性强的特点。

Description

一种通带可重构的频率选择表面及基本单元
技术领域
本发明涉及人工电磁材料技术领域，尤其涉及一种通带可重构的频率选择表面及基本单元。
背景技术
人工电磁材料，又称超材料，是指具有自然材料所没有的特异物理特性的人工复合结构。人工电磁材料凭借其强大的电磁场与电磁波调控能力，在隐身、通讯和电磁兼容等各个领域得到了迅猛发展，其中，频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)作为人工电磁材料广义上的拓展，在天线罩领域得到了广泛应用。FSS具有极好的电磁滤波功能，可利用带外截止功能，实现电磁波的全反射，缩减RCS，增强带外隐身。但是在通带内，己方雷达波能够良好的透过天线罩，同时也会引起RCS的增强，极易被敌方雷达探测到。为了解决天线罩在工作频带内无法隐身的问题，人们提出了有源频率选择表面技术，通过在传统FSS上加入可控器件，人为地控制激励来实现不同的频率响应特性，调控FSS在不同时间内具有不同的电磁特性。将有源FSS用于天线罩时，当己方雷达处于工作状态时，有源FSS天线罩处于通带状态，当己方雷达处于静默状态时，有源FSS天线罩处于阻带状态，这样就实现了天线罩的全波段隐身。
但目前的有源FSS通带宽度较窄，无法满足宽频天线的需求，同时，基于PIN二极管的有源FSS大多是当PIN二极管通电时，FSS处于电磁波抑制状态，当PIN二极管断电时，处于通带状态，这会导致能源成本增加，不利于实际应用的推广。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是现有有源FSS技术通带不够宽且PIN二极管通断状态不利于实际应用的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种通带可重构的频率选择表面基本单元，包括：高电阻层、间隔层和可重构层；
所述高电阻层包括第一介质板和四个电阻；所述第一介质板的一侧表面上印制有金属方环，所述金属方环的中心与所述第一介质板的中心重合，边与所述第一介质板的边平行；构成所述金属方环的每条边线上均嵌设有一个所述电阻，所述金属方环的四个顶角分别通过印制金属线对应连接至所述第一介质板的四个顶角；
所述高电阻层的另一侧表面通过所述间隔层与所述可重构层连接；
所述可重构层包括第二介质板和四个PIN二极管；所述第二介质板的中心与所述第一介质板的中心重合，所述第二介质板与所述间隔层连接的一侧表面上印制有金属层，所述金属层存在有十字形环带间隙，所述十字形环带间隙将所述金属层分为两部分，一部分为十字形金属片，中心与所述第二介质板的中心重合，边与所述第二介质板的边平行，另一部分为具有十字形空区的金属板，套设在所述十字形金属片外侧，四个所述PIN二极管分别设置在所述十字形金属片的四个端部与所述金属板之间，阴极连接所述十字形金属片，阳极连接所述金属板；所述第二介质板的另一侧表面上设有馈线网络，且所述馈线网络通过金属线与所述十字形金属片连接。
优选地，四个所述电阻分别嵌设在构成所述金属方环的四条边线的中心。
优选地，所述电阻的阻值范围为700～900Ω。
优选地，所述金属方环的内边长范围为6～8mm，边线的线宽范围为0.5～0.7mm。
优选地，所述十字形环带间隙的宽度范围为0.9～1.1mm。
优选地，所述十字形金属片的长度范围为11.3～11.5mm，端部的宽度范围为2.5～2.7mm。
优选地，所述第一介质板的厚度范围为0.9～1.1mm，介电常数范围为2.15～2.35，损耗角正切范围为0.019～0.021。
优选地，所述第二介质板的厚度范围为0.9～1.1mm，介电常数范围为4.1～4.6，损耗角正切范围为0.002～0.02。
优选地，所述间隔层的厚度范围为9～11mm，介电常数范围为1.1～1.3。
本发明还提供了一种通带可重构的频率选择表面，包括多个如上述任一项所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，各个基本单元呈阵列式周期性排布。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种通带可重构的频率选择表面及基本单元，采用高电阻层、间隔层和可重构层组成的复合结构来实现宽频通带/抑制调制。本发明将电阻加入到高电阻层结构中，用来改善电磁波抑制宽度，将PIN二极管嵌入可重构层，用来改变FSS工作状态，实现PIN二极管断电时抑制，而馈电时通带。本发明可在特定的频段内对电磁波进行灵活地控制，可解决目前天线罩工作频带内无法隐身难题，有助于促进有源FSS技术在天线罩中的应用。
附图说明
图1是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面基本单元整体结构示意图；
图2是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面基本单元的高电阻层正视图；
图3(a)是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面基本单元的可重构层正视图；
图3(b)是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面基本单元的可重构层背视图；
图4是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面在电磁波正入射时，导通与截止两种状态下的透射率仿真结果；
图5是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面在PIN二极管导通时，电磁波0°与15°入射对应的透射率；
图6是本发明实施例中一种通带可重构的频率选择表面在PIN二极管截止时，电磁波0～90°入射对应的透射率。
图中：1：高电阻层；2：间隔层；3：可重构层。
具体实施方式
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
如图1至图3(b)所示，本发明实施例提供的一种通带可重构的频率选择表面基本单元，包括高电阻层1、间隔层2和可重构层3；其中：
高电阻层1包括第一介质板和四个电阻R。第一介质板的一侧表面上印制有金属方环，金属方环的中心与第一介质板的中心重合，且金属方环的边与第一介质板对应的边平行。如图1和图2所示，构成金属方环的每条边线上均嵌设有一个电阻R，即四条边线上分别嵌设四个电阻R。四个电阻R优选为对称设置。金属方环的四个顶角分别通过(四段)印制金属线，对应连接至第一介质板的四个顶角，即每个金属方环的顶角均通过一段印制金属线连接至距离最近的第一介质板的顶角。第一介质板与金属方环优选采用正方形。印制的金属厚度范围优选为0.018～0.035mm。
高电阻层1的另一侧表面，即印制金属方环的对侧表面，通过间隔层2与可重构层3连接。间隔层2位于高电阻层1与可重构层3之间，用于调整高电阻层1和可重构层3的耦合程度。间隔层2与高电阻层1、可重构层3优选采用粘接固定。
可重构层3包括第二介质板和四个PIN二极管D。第二介质板的中心与第一介质板的中心重合。第二介质板同样优选采用正方形，且与第一介质板尺寸相同。
第二介质板与间隔层2连接的一侧表面上印制有金属层，金属层存在有十字形环带间隙，即金属层并非一个完整的整体。十字形环带间隙将金属层分为两部分，一部分为十字形金属片，十字形金属片的中心与第二介质板的中心重合，且十字形金属片的边与第二介质板对应的边平行，另一部分为中间部分具有十字形空区的金属板，金属板套设在十字形金属片外侧，与十字形金属片相互独立。也即十字形金属片嵌设在金属板的十字形空区内，十字形金属片与金属板之间的间隙即十字形环带间隙。
如图1和图3(a)所示，四个PIN二极管D分别设置在十字形金属片的四个端部(即十字形的四个凸出端)与金属板之间，每个PIN二极管D的阴极一端连接十字形金属片，阳极一端连接金属板。四个PIN二极管D优选为对称设置。
如图3(b)所示，第二介质板的另一侧表面上，即印制金属层的对侧表面上，设有馈线网络，且馈线网络通过金属线与十字形金属片连接，作为馈电一个电极。金属线优选穿设在第二介质板中心通孔中，以连接十字形金属片和馈线网络。
使用时，电磁波由高电阻层1一侧入射，作用到可重构层3，可以通过可重构层3中的各PIN二极管D两端连接的电压来调节PIN二极管D的导通与截止，进而调节该频率选择表面基本单元对电磁波的透射与抑制。频率选择表面基本单元有两种工作状态：当PIN二极管D导通时，频率选择表面基本单元工作在通带状态，X波段电磁波可以自由传输；当PIN二极管D截止时，频率选择表面基本单元处于抑制状态，起到隐身作用。本发明中，设置有电阻R的高电阻层1能够有效改善所设计FSS的性能，增加通带宽度，同时增强阻带抑制，且不同于传统有源频率选择表面在PIN二极管D导通时电磁波抑制，而截止时透波，本发明提供的频率选择表面基本单元在PIN二极管D导通时透波，而截止时抑制，以此来实现宽频通带/抑制调制，能够减少能源成本，且结构简单，易于实现，更有利于实际应用。
在一些优选的实施方式中，该通带可重构的频率选择表面基本单元的边长P范围优选为11.7～13mm。
优选地，如图2所示，四个电阻R分别嵌设在构成金属方环的四条边线的中心，对称分布有利于保证FSS的极化不敏感特性。
优选地，四个电阻R阻值相同，进一步地，每个电阻R的阻值范围均优选为700～900Ω。当PIN二极管截止时，整个工作频带内均具有抑制效果，处于隐身状态。
优选地，如图2所示，金属方环的内边长W(即相对的两条边线内侧之间的距离)范围为6～8mm，构成金属方环的边线的线宽范围为0.5～0.7mm。
优选地，如图3(a)所示，十字形环带间隙的宽度G范围为0.9～1.1mm。
优选地，如图3(a)所示，十字形金属片的长度L(即十字形中两个相对的凸出端外侧之间的距离)范围为11.3～11.5mm，端部(即十字形的凸出端)的宽度W1范围为2.5～2.7mm。
优选地，如图1所示，第一介质板的厚度H1范围为0.9～1.1mm，第一介质板的介电常数范围为2.15～2.35，损耗角正切范围为0.019～0.021。
进一步地，如图1所示(为便于显示可重构层3，图1中将间隔层2进行了透明处理)，第二介质板的厚度H2范围为0.9～1.1mm，第二介质板的介电常数范围为4.1～4.6，损耗角正切范围为0.002～0.02。
优选地，间隔层2的厚度H范围为9～11mm，间隔层2的介电常数范围为1.1～1.3。进一步地，间隔层2优选采用泡沫材质。
在优选的实施方式一中，本发明提供的一种通带可重构的频率选择表面基本单元，边长P为12mm，第一介质板的厚度H1为1mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.002；电阻R阻值为800Ω，金属方环的内边长W为7mm；十字形环带间隙的宽度G为1mm；第二介质板的厚度H2为1mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.002，十字形金属片的长度L为11.4，宽度W1为2.6；间隔层2为泡沫层，厚度H为10mm，介电常数为1.1。
在优选的实施方式二中，本发明提供的一种通带可重构的频率选择表面基本单元，边长P为11mm，第一介质板的厚度H1为0.9mm，介电常数为2.15，损耗角正切为0.019；电阻R阻值为700Ω，金属方环的内边长W为6mm，边线的线宽为0.5mm；十字形环带间隙的宽度G为0.9mm；第二介质板的厚度H2为0.9mm，介电常数为4.1，损耗角正切为0.002，十字形金属片的长度L为11.3mm，宽度W1为2.5mm；间隔层2为泡沫层，厚度H为9mm，介电常数为1.2。
在优选的实施方式三中，本发明提供的一种通带可重构的频率选择表面基本单元，边长P为13mm，第一介质板的厚度H1为1.1mm，介电常数为2.35，损耗角正切为0.021；电阻R阻值为900Ω，金属方环的内边长W为8mm，边线的线宽为0.7mm；十字形环带间隙的宽度G为1.1mm；第二介质板的厚度H2为1.1mm，介电常数为4.6，损耗角正切为0.005，十字形金属片的长度L为11.5mm，宽度W1为2.7mm；间隔层2为泡沫层，厚度H为11mm，介电常数为1.3。
本发明还提供了一种通带可重构的频率选择表面，包括多个上述任意一项实施方式所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，各个基本单元呈阵列式周期性排布。频率选择表面的调节方式与单个基本单元相同，在此不再重复说明。
本发明通过仿真方法验证了通带可重构的频率选择表面的性能，具体地，采用上述优选的实施方式一中的基本单元构成频率选择表面，如图4所示，当PIN二极管导通时，频率选择表面处于通带状态，其透射率在9.26GHz～10.72GHz之间均大于60％，当PIN二极管截止时，频率选择表面处于抑制状态，在整个频段内其透射率均小于20％。考虑实际应用场景，电磁波不可能始终垂直入射频率选择表面，势必会有斜入射情形。如图5所示，15°斜入射电磁波作用频率选择表面时，在通带状态下仍具有很高的透射率。如图6所示，当PIN二极管截止时，各个角度下透射率均小于20％，表明该频率选择表面具有超宽角度抑制能力。
综上，本发明提供了一种通带可重构的频率选择表面及基本单元，利用PIN二极管调节通带和阻带，可以在特定的频段内对电磁波进行灵活地控制，用以解决目前天线罩工作频带内无法隐身难题，有宽通带、高可靠、实用性强的特点，有极好的推广和应用价值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于，包括：高电阻层、间隔层和可重构层；
所述高电阻层包括第一介质板和四个电阻；所述第一介质板的一侧表面上印制有金属方环，所述金属方环的中心与所述第一介质板的中心重合，边与所述第一介质板的边平行；构成所述金属方环的每条边线上均嵌设有一个所述电阻，所述金属方环的四个顶角分别通过印制金属线对应连接至所述第一介质板的四个顶角；
所述高电阻层的另一侧表面通过所述间隔层与所述可重构层连接；
所述可重构层包括第二介质板和四个PIN二极管；所述第二介质板的中心与所述第一介质板的中心重合，所述第二介质板与所述间隔层连接的一侧表面上印制有金属层，所述金属层存在有十字形环带间隙，所述十字形环带间隙将所述金属层分为两部分，一部分为十字形金属片，中心与所述第二介质板的中心重合，边与所述第二介质板的边平行，另一部分为具有十字形空区的金属板，套设在所述十字形金属片外侧，四个所述PIN二极管分别设置在所述十字形金属片的四个端部与所述金属板之间，阴极连接所述十字形金属片，阳极连接所述金属板；所述第二介质板的另一侧表面上设有馈线网络，且所述馈线网络通过金属线与所述十字形金属片连接；
其中，所述第一介质板的厚度范围为0.9～1.1mm，介电常数范围为2.15～2.35，损耗角正切范围为0.019～0.021；所述第二介质板的厚度范围为0.9～1.1mm，介电常数范围为4.1～4.6，损耗角正切范围为0.002～0.02。
2.根据权利要求1所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于：
四个所述电阻分别嵌设在构成所述金属方环的四条边线的中心。
3.根据权利要求1或2任一项所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述电阻的阻值范围为700～900Ω。
4.根据权利要求1所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述金属方环的内边长范围为6～8mm，边线的线宽范围为0.5～0.7mm。
5.根据权利要求1所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述十字形环带间隙的宽度范围为0.9～1.1mm。
6.根据权利要求1所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述十字形金属片的长度范围为11.3～11.5mm，端部的宽度范围为2.5～2.7mm。
7.根据权利要求1所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述间隔层的厚度范围为9～11mm，介电常数范围为1.1～1.3。
8.一种通带可重构的频率选择表面，其特征在于：包括多个如权利要求1-7任一项所述的通带可重构的频率选择表面基本单元，各个基本单元呈阵列式周期性排布。
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