CN112510376A - 一种通带可重构吸/透一体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吸/透一体频率选择表面及基本单元，该基本单元包括：介质板、四个可变电容器和四个PIN二极管；介质板的一侧表面上设有十字金属线和十字形金属环带，构成十字金属线的金属臂嵌设可变电容器，十字形金属环带套设在十字金属线的外侧；介质板的另一侧表面上设有十字金属片和金属方环，金属方环套设在十字金属片的外侧，十字金属片的每个凸出端均通过一个PIN二极管连接金属方环的对应边，PIN二极管设置在十字金属片与金属方环之间的间隔内，阴极连接十字金属片，阳极连接金属方环。本发明提供的频率选择表面及基本单元为吸/透一体式结构，具有尺寸小、厚度薄和实用性强特点。

Description

一种通带可重构吸/透一体频率选择表面及基本单元
技术领域
本发明涉及微波超材料技术领域，尤其涉及一种通带可重构吸/透一体频率选择表面及基本单元。
背景技术
天线罩作为保护天线，使其免受恶劣环境影响的装置，已被广泛地应用于军事和民用。普通介质天线罩虽然可以有效保护天线，但不能起到隐身作用，严重限制了其在军事领域中的应用，而频率选择表面天线罩作为介质天线罩的升级版，可以实现对带外威胁雷达波的RCS减缩。频率选择表面由无源谐振基本单元的周期阵列构成，其主要功能是对不同频率、入射角及极化状态下的电磁波呈现滤波特性。当频率选择表面应用到天线罩后，可以选择性地透过己方工作电磁波，抑制敌方威胁信号，从而提高天线的隐身性能。
目前，大部分频率选择表面是把敌方电磁波反射到其他方向，使入射电磁波方向RCS缩减，但反射的电磁波方向同样RCS很强，因此，传统的频率选择表面仅能对单站雷达起到隐身效果，然而随着反隐身技术的发展，势必会部署更多的雷达站，而传统的反射型频率选择表面隐身效果将大大降低。为了使频率选择表面天线罩具有双站或多站隐身效果，频率选择表面带外应该是吸收电磁波而不是反射电磁波，这就要求频率选择表面在拥有透波能力时同时具有吸收电磁波功能。现有的研究中，绝大部分吸/透一体频率选择表面调控性能固定，一旦频率选择表面制造加工完成，其电磁响应特性就无法改变。因此，为了解决以上问题，需要提供一种通带可重构的吸波/透波一体频率选择表面。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种具有透波和吸波特性，且通带可调节的频率选择表面及基本单元。
为了实现上述目的，本发明提供了一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，包括：介质板、四个可变电容器和四个PIN二极管；
所述介质板的一侧表面上设有十字金属线和十字形金属环带；所述十字金属线的中心位于所述介质板的中心，构成所述十字金属线的金属臂与所述介质板的边平行，且每一个金属臂上均嵌设有一个所述可变电容器；所述十字形金属环带套设在所述十字金属线的外侧，且形成的四个凸出端的内侧分别与所述十字金属线的四个金属臂的末端对应相接；
所述介质板的另一侧表面上设有十字金属片和金属方环；所述十字金属片的中心位于所述介质板的中心，边与对应的金属臂平行；所述金属方环套设在所述十字金属片的外侧，所述金属方环的外边缘与所述介质板的外边缘对齐；所述十字金属片的每个凸出端均通过一个所述PIN二极管连接所述金属方环的对应边，所述PIN二极管设置在所述十字金属片与所述金属方环之间的间隔内，阴极连接所述十字金属片，阳极连接所述金属方环。
优选地，所述介质板的介电常数范围为4.4～4.6，损耗角正切为0.001～0.003。
优选地，所述介质板的边长范围为9.9～10.1mm，厚度范围为0.9～1.1mm。
优选地，所述十字形金属环带的线宽范围为0.2～0.4mm，形成的凸出端的内侧间距范围为3.4～3.6mm。
优选地，所述金属臂的线宽范围为0.1～0.3mm。
优选地，所述金属方环的线宽范围为0.9～1.1mm。
优选地，所述十字金属片的凸出端与所述金属方环的对应边之间的间隔范围为0.7～0.9mm。
优选地，所述可变电容器的电容值变化范围为0～2pF。
优选地，在透波时，所述可变电容器的电容值在0.04～0.06pF之间；
在吸波时，所述可变电容器的电容值在0.4～0.6pF之间。
本发明还提供了一种通带可重构吸/透一体频率选择表面，包括多个上述任一项所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，各个基本单元以阵列式周期性排布。
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吸/透一体频率选择表面及基本单元，该基本单元的介质板上层表面设有十字形金属环带，十字形金属环带内连接十字金属线，十字金属线嵌有可变电容器，下层表面设有十字金属片和金属方环，十字金属片和金属方环间隔区域内设有PIN二极管，通过控制PIN二极管的导通和截止，可调节所设计的频率选择表面及基本单元吸波和透波工作状态，通过调节可变电容器的电容值，能够增强其吸波和透波效能。本发明提供的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元尺寸小，厚度薄，且具有入射角不敏感特性，实用性强，频率选择表面兼具吸波和透波功能，调节灵活。
附图说明
图1是本发明实施例中一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元的结构正视图；
图2是本发明实施例中一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元的结构背视图；
图3是本发明实施例中一种通带可重构吸/透一体频率选择表面在PIN二极管截止时的透射和吸收效率；
图4是本发明实施例中一种通带可重构吸/透一体频率选择表面在PIN二极管导通时的透射和吸收效率；
图5是本发明实施例中一种通带可重构吸/透一体频率选择表面在PIN二极管截止时，电磁波0～75°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吸/透一体频率选择表面在PIN二极管导通时，电磁波0～75°入射对应的吸收率。
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和图2所示，本发明实施例提供的一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，包括介质板、四个可变电容器C和四个PIN二极管D，其中：
如图1所示，介质板的一侧表面上设有十字金属线和十字形金属环带。十字金属线的中心位于介质板的中心，构成十字金属线的四个金属臂两两垂直，各金属臂与对应的、介质板的边平行，且每一个金属臂上均嵌设有一个可变电容器C，四个可变电容器C优选对称设置。十字形金属环带为金属材质的环带，围拢出十字形的空区，十字形的空区的中心优选与十字金属线的中心重合。十字形金属环带套设在十字金属线的外侧，且十字形金属环带所形成的四个凸出端(也即构成的十字形的四个端部)的内侧分别与十字金属线的四个金属臂的末端对应相接，十字金属线的每个金属臂的末端与相应的十字形金属环带的端部之间没有间隙，即，十字金属线内嵌并连接十字形金属环带内侧，十字金属线和十字形金属环带也可视作一个整体，称为上金属层。介质板优选为正方形板。
如图2所示，介质板的另一侧表面上，即设有十字金属线和十字形金属环带的表面对侧面上，设有十字金属片和金属方环。十字金属片的中心位于介质板的中心，十字金属片的边与对应的、构成十字金属线的金属臂平行。金属方环围拢出方形的空区，方形的空区优选长、宽相等。金属方环套设在十字金属片的外侧，金属方环的外边缘与介质板的外边缘对齐。十字金属片的每个凸出端均通过一个PIN二极管D连接金属方环的对应边(也即最近的边)，PIN二极管D设置在十字金属片与金属方环之间的间隔内，阴极连接十字金属片，阳极连接金属方环。四个PIN二极管D优选对称设置。十字金属片和金属方环可视为构成了下金属层。上金属层、下金属层可通过在介质板上印制形成，金属层厚度为0.018～0.035mm之间。
本发明针对当前的频率选择表面天线罩无法实现双站或多站隐身的问题，提出了一种通带可调节的频率选择表面基本单元，其频率响应特性能够灵活调整，兼具透波和吸波特性。使用时，电磁波由设有可变电容器C的上金属层一侧入射，穿过介质板，作用于下金属层的谐振图案，通过控制PIN二极管D导通或截止状态，可选择吸收或通过电磁波，通过改变可变电容器C的容值，可调整吸波或透波性能，本发明能够实现对特定电磁波的自由调控，增强频率选择表面的应用灵活性。
优选地，介质板的介电常数范围为4.4～4.6，介质损耗角正切为0.001～0.003，使得介质损耗低。
如图1所示，介质板的边长P优选范围为9.9～10.1mm，厚度范围为0.9～1.1mm，在此范围内，基本单元尺寸小，厚度薄，更有利于应用于隐身天线罩中。
优选地，如图1所示，十字形金属环带的线宽W2范围为0.2～0.4mm，十字形金属环带形成的凸出端的内侧间距W(也即十字形金属环带围拢出的十字形的空区端部宽度)范围为3.4～3.6mm。
进一步地，构成十字金属线的金属臂的线宽W3范围为0.1～0.3mm。
如图2所示，优选地，金属方环的线宽W0范围为0.9～1.1mm。
进一步地，十字金属片的凸出端与金属方环的对应边之间的间隔G范围为0.7～0.9mm，十字金属片的凸出端宽度范围优选为2.4～3.2mm。
优选地，可变电容器C位于所在的金属臂的中心处。四个可变电容器C的电容值变化范围相等，优选为0～2pF。
特别地，为获得更好的透波/吸波性能，在透波时，优选调节可变电容器C的电容值在0.04～0.06pF之间；在吸波时，优选调节可变电容器C的电容值在0.4～0.6pF之间。
在优选的实施方式一中，本发明提供的一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元的介质板边长P为10mm，介质板厚度为1mm，介电常数为4.5，损耗角正切为0.002。十字形金属环带形成的凸出端的内侧间距W为3.5mm，十字形金属环带的线宽W2为0.3mm，构成十字金属线的金属臂的线宽W3为0.2mm。金属方环的线宽W0为1mm，十字金属片的凸出端与金属方环的对应边之间的间隔G为0.8mm。透波时，四个可变电容器C的电容值均为0.05pF，吸波时，四个可变电容器C的电容值均为0.5pF。
在优选的实施方式二中，本发明提供的一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元的介质板边长P为9mm，介质板厚度为0.9mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.001。十字形金属环带形成的凸出端的内侧间距W为3.4mm，十字形金属环带的线宽W2为0.2mm，构成十字金属线的金属臂的线宽W3为0.1mm。金属方环的线宽W0为0.9mm，十字金属片的凸出端与金属方环的对应边之间的间隔G为0.7mm。透波时，四个可变电容器C的电容值均为0.04pF，吸波时，四个可变电容器C的电容值均为0.4pF。
在优选的实施方式三中，本发明提供的一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元的介质板边长P为11mm，介质板厚度为2mm，介电常数为4.6，损耗角正切为0.003。十字形金属环带形成的凸出端的内侧间距W为3.6mm，十字形金属环带的线宽W2为0.4mm，构成十字金属线的金属臂的线宽W3为0.3mm。金属方环的线宽W0为1.1mm，十字金属片的凸出端与金属方环的对应边之间的间隔G为0.9mm。透波时，四个可变电容器C的电容值均为0.06pF，吸波时，四个可变电容器C的电容值均为0.6pF。
本发明还提供了一种通带可重构吸/透一体频率选择表面，包括多个如上述任一项实施方式所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，各个基本单元以阵列式周期性排布，例如可构成M×N的矩阵，其中M、N为正整数。
使用时，通过控制PIN二极管的导通和截止来调节所设计的频率选择表面吸波和透波工作状态，进一步调节可变电容器来增强吸波和透波的效率。
本发明还通过仿真方法验证了通带可重构吸/透一体频率选择表面的性能，具体地，采用上述优选的实施方式一所述基本单元构成频率选择表面，平面电磁波作用到上金属层、介质板和下金属层，当PIN二极管D截止时，频率在6.74GHz的电磁波入射时，拥有80.67％的透波率，如图3所示；当PIN二极管D导通时，频率在3.96GHz的电磁波入射时，拥有92.76％的吸收率，如图4所示，从而验证了频率选择表面具有透波和吸波效果。具体地，当电磁波以0～60°斜入射，PIN二极管D截止时，频率选择表面均具有良好的透波率，如图5所示；PIN二极管D导通时，各个入射角电磁波均具有良好的吸收率，如图6所示。
本发明提供的通带可重构吸/透一体频率选择表面小型化程度较高，基本单元尺寸约相当于工作波长的八分之一，厚度可减至约为工作波长的七十五分之一，而且具有入射角稳定性，应用此技术能够解决目前频率选择表面无法实现双站或多站雷达隐身的问题。
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 (10)

1.一种通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于，包括：介质板、四个可变电容器和四个PIN二极管；
所述介质板的一侧表面上设有十字金属线和十字形金属环带；所述十字金属线的中心位于所述介质板的中心，构成所述十字金属线的金属臂与所述介质板的边平行，且每一个金属臂上均嵌设有一个所述可变电容器；所述十字形金属环带套设在所述十字金属线的外侧，且形成的四个凸出端的内侧分别与所述十字金属线的四个金属臂的末端对应相接；
所述介质板的另一侧表面上设有十字金属片和金属方环；所述十字金属片的中心位于所述介质板的中心，边与对应的金属臂平行；所述金属方环套设在所述十字金属片的外侧，所述金属方环的外边缘与所述介质板的外边缘对齐；所述十字金属片的每个凸出端均通过一个所述PIN二极管连接所述金属方环的对应边，所述PIN二极管设置在所述十字金属片与所述金属方环之间的间隔内，阴极连接所述十字金属片，阳极连接所述金属方环。
2.根据权利要求1所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述介质板的介电常数范围为4.4～4.6，损耗角正切为0.001～0.003。
3.根据权利要求1所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述介质板的边长范围为9.9～10.1mm，厚度范围为0.9～1.1mm。
4.根据权利要求1所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述十字形金属环带的线宽范围为0.2～0.4mm，形成的凸出端的内侧间距范围为3.4～3.6mm。
5.根据权利要求1或4任一项所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述金属臂的线宽范围为0.1～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述金属方环的线宽范围为0.9～1.1mm。
7.根据权利要求1或6任一项所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述十字金属片的凸出端与所述金属方环的对应边之间的间隔范围为0.7～0.9mm。
8.根据权利要求1所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
所述可变电容器的电容值变化范围为0～2pF。
9.根据权利要求1所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，其特征在于：
在透波时，所述可变电容器的电容值在0.04～0.06pF之间；
在吸波时，所述可变电容器的电容值在0.4～0.6pF之间。
10.一种通带可重构吸/透一体频率选择表面，其特征在于：包括多个如权利要求1-9任一项所述的通带可重构吸/透一体频率选择表面基本单元，各个基本单元以阵列式周期性排布。
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