CN113644448A - 超宽带小型化功能切换有源频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，包括介质板以及正交排布在介质板两侧的呈周期性排布的金属单元；金属单元由以PIN二极管连接的偶极子构成，偶极子尺寸相同，沿水平或竖直方向排列；金属单元以45°倾斜排布。本发明可以在1‑12GHz频段内实现频率响应在反射与透射状态间的切换，两种工作状态下均具有较宽的带宽，相对带宽可达169％。
Description
技术领域
本发明属于有源频率选择表面技术领域，具体涉及一种超宽带小型化功能切换有源频率选择表面。
背景技术
传统的无源频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)一旦加工则其对应的频率响应就固定下来，故具有一定的局限性。有源FSS通过在无源FSS表面加载可控元件如电控元件、光控元件等来实现对频率响应的调控，具有灵活可调的优点。根据有源FSS对频率响应的调节功能不同，可以分为功能切换有源FSS和可调谐有源FSS。功能切换FSS可实现特定频段内，频率响应在反射和透射两种状态间切换；可调谐有源FSS可实现谐振频率在特定频率范围内移动。
目前，功能切换FSS技术发展迅速，如中国专利申请号2016108528109，名称为“一种多功能有源频率选择表面及其控制方法”，提出了一种在2.1GHz处可实现反射与透射状态切换的有源FSS。该专利提出了一种新型的拓扑结构，实现了有源FSS的多功能切换。然而，该专利切换带宽较窄，难以满足宽带的应用要求。同时，受到有源元件的工作频段影响，该专利的工作频段较低，仅为2.1GHz。
中国专利申请号2017101689443，名称为“可重构超宽带频率选择表面结构”提出了一种超宽带可重构频率选择表面。该专利为一种加载电感电容的多层结构，当上下两层只加载电感时，该结构在2-6GHz呈现透射状态，7-18GHz呈现反射状态；当上下两层同时加载电感电容时，该结构在2-14GHz呈现反射状态。该结构具有切换带宽宽的优点，然而该结构的功能切换无法实现电控，需要通过加载新的元件来实现切换功能。
中国专利申请号2018112178855，名称为“传输线型宽带有源频率选择表面”提出了一种宽带功能切换有源FSS。二极管导通时，该专利在2-18GHz呈现反射状态，二极管截止时，在5.1-14GHz呈现透射状态，相对带宽可达93.2％。该专利具有切换带宽宽，工作频段高的优点，然而该结构为多层结构，较为复杂，难以满足小型化的应用需求。
发明目的
本发明的目的在于提供一种超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，具备小型化程度高、切换带宽宽、反射率与透射率较高、对入射波的角度和极化不敏感等特点。
本发明所采用的技术方案是：一种超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，包括介质板以及正交排布在介质板上下表面的呈周期性排布的金属单元；金属单元由以PIN二极管连接的偶极子阵列构成，PIN二极管方向相同，偶极子尺寸相同，沿水平或竖直方向排列。
进一步的，介质板上下表面的金属单元形状相同，方向正交。
进一步的，介质基板为矩形板，金属单元在介质板表面以45°倾斜排布。
进一步的，对PIN二极管外加正向电压，二极管导通，结构工作于反射状态；对二极管外加反向电压，二极管截止，结构工作于透射状态。
进一步的，偶极子的材料为金属。
进一步的，介质板的介电常数为2.2。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
a)本发明可以在1-12GHz频段内实现频率响应在反射与透射状态间的切换，两种工作状态下均具有较宽的带宽，相对带宽可达169％；
b)本发明的小型化程度较高，单元尺寸仅为0.06λ，λ为工作频段中心频率所对应自由空间波长；
c)本发明在对应状态下的反射率与透射率较高，均高于80％。
附图说明
图1是功能切换有源FSS表层的正视尺寸规格图。
图2是功能切换有源FSS底层的正视尺寸规格图。
图3是功能切换有源FSS表层的2x2周期排布图。
图4是功能切换有源FSS底层的2x2周期排布图。
图5是功能切换有源FSS在反射状态下在TE/TM极化波垂直入射时的反射系数随频率变化的曲线图。
图6是功能切换有源FSS在透射状态下在TE/TM极化波垂直入射时的透射系数随频率变化的曲线图。
图7是功能切换有源FSS在反射状态下在不同入射角度下的TE极化波入射时的反射系数随频率变化的曲线图。
图8是功能切换有源FSS在反射状态下在不同入射角度下的TM极化波入射时的反射系数随频率变化的曲线图。
图9是功能切换有源FSS在透射状态下在不同入射角度下的TE极化波入射时的透射系数随频率变化的曲线图。
图10是功能切换有源FSS在透射状态下在不同入射角度下的TM极化波入射时的透射系数随频率变化的曲线图。
其中，a-周期单元边长，l-偶极子长度，w-偶极子宽度，s-两偶极子间的间距宽度，图1-4中阴影部分为纯金属结构，空白部分为介质基板。
具体实施方式
由前述背景技术可知，兼顾切换带宽和小型化是现今功能切换有源FSS的一大设计难点。针对该问题，本发明提出了一种超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，该结构是由一层介质层和两层周期结构组成的多层结构，自上而下分别为表层周期结构、介质层及底层周期结构。上下表面的周期结构倾斜排布以拓宽带宽，提高小型化性能。上下表面周期结构均为以PIN二极管连接的偶极子阵列，两面的偶极子尺寸相同、方向正交以实现双极化性能。偶极子的材料为金属。外加正向电压时，二极管导通，该结构可视为一个长金属条阵列，在工作频段呈现反射状态；外加反向电压时，二极管截止，该结构可视为短偶极子阵列，在高频谐振，在工作频段呈现透射状态。介质层的厚度、介电系数可以优化确定。
本发明提出的有源频率选择表面，可以在1-12GHz频段内实现频率响应在反射与透射状态间的切换，对应状态下的反射率与透射率均高于80％，相对带宽均可达到169％。本发明采用倾斜排布，单元尺寸仅为0.06λ，λ为工作频段中心频率所对应自由空间波长。同时，具有结构简单、对极化方式与入射角不敏感的优点。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例
本发明提供了超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其具体结构如图1-图2所示。本发明结构单元由上而下分为三个部分，第一部分为表层周期结构单元，第二部分为介质板1，第三部分为底层周期结构单元。
表层周期结构单元为由PIN二极管连接的偶极子2，结构如图1所示。
介质板1为矩形板，材料为有耗介质。
底层周期结构单元为由PIN二极管连接的偶极子2-1，与表层周期结构单元尺寸相同，方向正交，结构如图2所示。
本实施例中功能切换有源FSS的工作频段为1-12GHz，周期单元尺寸为3mm，在无限大平面上以45°倾斜排布。功能切换有源FSS单元排列方式如图3、图4所示。
本实施例中，介质板选用相对介电系数为2.2的Rogers5880。
本实施例中，表层与底层周期结构选用的材料为纯金属。
本实施例中，PIN二极管选用的型号为DSM 8100-000。
本实施例中，对PIN二极管外加正向电压，PIN二极管导通，本发明结构工作于反射状态，实现对入射波的全反射；对PIN二极管外加反向电压，PIN二极管截止，本发明结构工作于透射状态，实现对入射波的全透射。
本实施例中，确定了如表1所示的单元尺寸参数。
表1超宽带小型化功能切换有源频率选择表面单元尺寸参数(以mm计)
| a | s | l | w |
| 3 | 0.4 | 1.72 | 0.3 |
功能切换有源FSS在TE/TM极化波入射时的反射系数随频率变化的曲线如图5所示，功能切换有源FSS在TE/TM极化波入射时的透射系数随频率变化的曲线如图6所示。以上曲线都是由CST电磁仿真软件得到的仿真结果。功能切换有源FSS在不同入射角度下的TE极化波入射时的吸收性能如图7-图10所示，从图中可以看出，功能切换有源FSS在1-12GHz内实现对入射电磁波在反射与透射状态间的切换，二极管导通时，实现反射功能；二极管截止时，实现透射功能。在TE/TM极化波入射时，0°-45°的入射角度下，反射系数与透射系数均能在1-12GHz频段内保持-2dB以上，反射率与透射率均高于80％，反射与透射性能稳定，切换带宽宽，相对带宽达169％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其特征在于，包括介质板以及正交排布在介质板上下表面的呈周期性排布的金属单元；金属单元由以PIN二极管连接的偶极子阵列构成，PIN二极管方向相同，偶极子尺寸相同，沿水平或竖直方向排列。
2.根据权利要求1所述的超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其特征在于，介质板上下表面的金属单元形状相同，方向正交。
3.根据权利要求1所述的超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其特征在于，介质基板为矩形板，金属单元在介质板表面以45°倾斜排布。
4.根据权利要求1所述的超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其特征在于，对PIN二极管外加正向电压，PIN二极管导通，结构工作于反射状态；对PIN二极管外加反向电压，PIN二极管截止，结构工作于透射状态。
5.根据权利要求1所述的超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其特征在于，偶极子的材料为金属。
6.根据权利要求1所述的超宽带小型化功能切换有源频率选择表面，其特征在于，介质板的介电常数为2.2。
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|---|---|---|---|---|
| CN114374097A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-04-19 | 西安电子科技大学 | 一种宽频、多频及变频天线覆层 |
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| CN108767487A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-06 | 电子科技大学 | 一种带通型宽阻带可重构频率选择表面 |
| CN109585982A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-04-05 | 西安电子科技大学 | 一种基于超表面的电控可调极化转换器 |
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