CN113644450A - 一种x波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，包括介质基板以及排布在介质基板上下表面形状相同、方向正交的金属单元；金属单元包括两个左右对称分布的竖直方向镂空的偶极子，其中每个竖直方向镂空的偶极子的左右两侧均有一个宽度渐变的短截线和一个短偶极子；两个宽度渐变的短截线之间留有缝隙，并在缝隙中设有PIN二极管；两个矩形金属贴片环位于PIN管的上下两侧。本发明可以在X波段实现透波、反射功能的切换，并且不同极化方式下，电磁波入射角度在0‑45度范围内，其‑2dB带宽均可以达到4GHz，具有大角度，宽带宽并且对极化方式不敏感的优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁超材料技术领域，具体为一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种二维的无限大周期结构，这种周期结构一般是由印制在介质基板上的金属贴片、金属孔径或者是它们的组合形式组成。频率选择表面通常有两种形式，一种是带阻型频率选择表面，即单元周期结构为金属贴片；另一种是带通型频率选择表面，即单元周期结构为金属孔径型。在谐振情况下，带阻型频率选择表面对入射电磁波具有全反射功能，带通型频率选择表面对入射电磁波具有全透射功能。由于其独特的空间滤波特性，FSS在卫星通信领域、电磁兼容、军事通信、电子对抗、雷达隐身等领域得到广泛应用。然而传统的无源FSS其频响特性固定不变，无法适应外界电磁环境的变化。针对这种问题，学者们提出了有源可重构频率选择表面(Reconfigurable Frequency Selective Surface,RFSS)，通过控制其外加激励(如电压大小、电场强度和光强度等)，实现对频率选择表面滤波特性的调整。
近年来学者们对可重构FSS进行了大量的研究，但是很少能够实现宽带宽透射/反射切换功能。例如上海无线电设备研究所在专利“一种适应于电磁开关的有源频率选择表面”(授权公布号：CN108110428B)中提出了一种适用于电磁开关的有源频率选择表面，包括介质基板以及分别分布介质基板的上下表面的多个第一层结构单元、与第一层结构单元个数相同的第二层结构单元，第一层结构单元与第二层结构单元分别包括有多个金属贴片，每个金属贴片的两端分别设有金属通孔，其用于连接第一层结构单元的金属贴片和第二层结构单元的金属贴片，每一金属贴片上设有一缝隙，每一缝隙处设有一PIN管，在介质基板的上表面或下表面上沿着介质基板的边缘设有对各PIN管进行偏置的边缘馈线。通过控制PIN管的不同状态，实现单元谐振图案的变化，以及目标频段电磁波透过与屏蔽的功能。该发明还巧妙利用了金属贴片正交排布以及金属通孔，解决了不同极化之间的影响，实现极化单独控制以及极化稳定性的问题。当电磁开关为开状态时，在5.9GHz-6.7GHz频带范围内插入损耗约为-1dB，同频段内，当电磁开关为关状态时，插入损耗小于-11dB，工作频带内具有较好的开关特性，但是带宽较窄，并且也没有考虑角度问题。
南京邮电大学在专利“基于变容二极管的有源频率选择表面结构”(授权公布号：CN109103603B)中提出了一种通过改变二极管的电容值实现工作频带以及谐振频率的动态可调。该结构包括介质板，以及分别设置在介质板上下表面的金属层；介质板上设置有贯穿该介质板并与上下金属层相连通的金属通孔；底层金属层包括一竖直居中设置的第一金属片，以及沿该第一金属片对称设置的两个第二金属片，且每个第二金属片均呈水平居中分布；顶层金属层包括一中心金属片，以及四个环绕设置在该中心金属片四周、呈中心对称分布的金属片；相邻两个金属片之间形成金属缝隙，变容二极管加载在金属缝隙之间。该发明具有结构简单，馈电方式简便，谐振频率对极化不敏感的优点。然而通过改变变容二极管的状态，该结构的谐振频率只在4.05GHz-6.75GHz范围内移动，传输通带较窄，无法实现宽带宽透射、反射切换的功能。
由此可见，现有的有源可重构FSS技术中很少能够兼顾双极化、大角度的同时，实现宽带宽透射、反射功能的切换。
发明内容
本发明的目的在于提出一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，可以在X波段实现透射、反射功能的切换，具有大角度、宽带宽、对极化方式不敏感的优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，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；所述金属单元包括两个左右对称分布的竖直方向镂空的偶极子，每个竖直方向镂空的偶极子的左右两侧均有一个宽度渐变的短截线和一个短偶极子；两个短偶极子左右对称分布，位于竖直方向镂空的偶极子的外侧，且宽度小于竖直方向镂空的偶极子长度；两个宽度渐变的短截线左右对称地分布在两个竖直方向镂空的偶极子中间，其中靠近竖直方向偶极子一侧的宽度和远离竖直方向偶极子一侧的宽度均小于竖直方向的偶极子的长度，两个宽度渐变的短截线之间留有缝隙，并在缝隙中设有PIN二极管，两个矩形金属贴片环对称分布于PIN二极管的上下两侧。
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，两个矩形金属贴片环的外围长度小于两个竖直方向偶极子的内侧间距。
进一步的，所述竖直方向镂空的偶极子中间为对边相互平行的矩形缝隙。
进一步的，所述宽度渐变的短截线中，远离竖直方向偶极子一侧的宽度不小于0.4mm。
进一步的，所述宽度渐变的短截线中，靠近竖直方向偶极子一侧的宽度与短偶极子宽度相同。
进一步的，所述金属单元以中心线成轴对称。
进一步的，介质板的介电常数为2.2。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)该可重构FSS阵列以金属结构本身作为馈电网络，馈电方式简单，并且对结构本身的性能影响较小；(2)入射角度在0°至45°范围内，此结构在透射、反射状态下的-2dB带宽均可以达到4GHz，具有宽角度、宽带宽以及对极化方式不敏感的优点；(3)每个单元只需要两个PIN二极管，极大减小了加工成本。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是可重构FSS上表面周期结构单元示意图。
图2是可重构FSS整体结构分层示意图。
图3是可重构FSS上表面周期结构单元尺寸示意图。
图4是可重构FSS下表面周期结构单元尺寸示意图。
图5是本发明在PIN管截止、TE极化波以不同角度入射时的S11图。
图6是本发明在PIN管截止、TM极化波以不同角度入射时的S11图。
图7是本发明在PIN管导通、TE极化波以不同角度入射时的S21图。
图8是本发明在PIN管导通、TM极化波以不同角度入射时的S21图。
具体实施方式
一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，包括单层介质板以及正交排布在介质基板两侧的呈周期性排布的金属单元。介质板上表面的金属单元由包括两个左右对称分布的竖直方向镂空的偶极子，其中每个竖直方向的偶极子的左右两侧均有一个宽度渐变的短截线和一个短偶极子。两个宽度渐变的短截线之间留由缝隙，在缝隙中设有PIN二极管。
当PIN二极管导通时，该结构可视为一个长偶极子阵列，在低频处反射，在较高的X波段呈现透射状态；而当PIN管截止时，该结构在X波段谐振，呈现反射状态。两个竖直方向的偶极子内部镂空，以增加结构在低频处的反射率。两个矩形金属贴片环对称分布在PIN管的上下两侧，其作用主要在于增加该结构在高频处的反射率。介质板下表面的金属单元和上表面的金属单元形状相同，方向正交，以实现双极化功能。
介质板表面金属单元部分是本发明的核心部分，选择合适的金属结构和PIN管以实现宽带宽的切换功能以及较好的极化稳定性。
下面结合附图具体说明本发明的技术方案。
如图1-图4所示，本发明提出了一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，包括介质板1以及正交排布在介质基板两侧的呈周期性排布的金属单元。其中，上表面的金属单元包括金属结构2以及PIN管3，下表面的金属单元包括金属结构2-1以及PIN管3-1。
如图3所示，介质板上表面的金属结构2包括两个左右对称分布的竖直方向镂空的偶极子，每个竖直方向镂空的偶极子的左右两侧均有一个宽度渐变的短截线和一个短偶极子。两个短偶极子左右对称分布，其长度d＝1.3mm，宽度w＝0.8mm。两个宽度渐变的短截线对称地分布在两个竖直方向镂空的偶极子中间，其中靠近竖直方向偶极子一侧的宽度w＝0.8mm，远离竖直方向偶极子一侧的宽度b＝0.4mm。两个宽度渐变的短截线之间缝隙宽度x＝0.4mm，在缝隙中设有PIN二极管。当PIN二极管导通时，该结构可视为一个长偶极子阵列，在低频处反射，在较高的X波段呈现透射状态；而当PIN管截止时，该结构在X波段谐振，呈现反射状态。竖直方向的偶极子的长度y＝5.2mm，偶极子中间为镂空，其作用在于增加结构在低频处的反射率。两个矩形金属贴片环的外围长度f＝3mm，外围宽度fw＝1.6mm，且对称地分布在PIN二极管3的上下两侧，其作用在于增加结构在高频处的反射率。
如图4所示，介质板下表面的金属单元与上表面形状相同，方向正交，可以实现很好地实现双极化功能。
下面结合仿真实例对发明作进一步详细描述。
实施例
本发明所选取的介质基板是介电常数为2.2的5880板材，介质板表面铜箔的厚度为17.5μm，PIN二极管的型号为DSM8100-000.
可重构FSS的具体尺寸如图1-图4以及表1所示：
表1
| a/mm | d/mm | w/mm | p/mm | fw/mm | b1/mm | b/mm |
| 9 | 1.3 | 0.8 | 2 | 1.6 | 0.9 | 0.4 |
| k/mm | t/mm | s/mm | L/mm | x/mm | y/mm | f/mm |
| 1.4 | 0.2 | 0.2 | 3 | 0.4 | 5.2 | 3 |
图5-图8是设计的可重构FSS在电磁仿真软件CST下仿真的S参数。由于结构在反射状态时，其S21参数在工作频段内均小于-20dB；透射状态时，其S11参数在工作频段内均小于-20dB，故图中均为列出相关曲线。
图5是二极管在截止状态下、TE极化波以不同角度入射时的S11图。入射角度为0度，其-2dB频率范围为6.7GHz～12.5GHz；入射角度为15度，其-2dB频率范围为6.6GHz～12.4GHz；入射角度为30度，其-2dB频率范围为6.3GHz～12.3GHz；入射角度为45度，其-2dB频率范围为5GHz～12GHz。
图6是二极管在截止状态下、TM极化波以不同角度入射时的S11图。入射角度为0度，其-2dB频率范围为6.7GHz～12.5GHz；入射角度为15度，其-2dB频率范围为6.9GHz～12.6GHz；入射角度为30度，其-2dB频率范围为7.3GHz～12.7GHz；入射角度为45度，其-2dB频率范围为7.6GHz～12.8GHz。
图7是二极管在导通状态下、TE极化波以不同角度入射时的S21图。入射角度为0度，其-2dB频率范围为6.8GHz～12.9GHz；入射角度为15度，其-2dB频率范围为6.9GHz～12.8GHz；入射角度为30度，其-2dB频率范围为7.1GHz～12.7GHz；入射角度为45度，其-2dB频率范围为8GHz～12.1GHz。
图8是二极管在导通状态下、TM极化波以不同角度入射时的S21图。入射角度为0度，其-2dB频率范围为6.8GHz～12.9GHz；入射角度为15度，其-2dB频率范围为6.9GHz～12.9GHz；入射角度为30度，其-2dB频率范围为6.7GHz～12.8GHz；入射角度为45度，其-2dB频率范围为6.8GHz～12.5GHz。
可见，入射角度在0°至45°范围内，此结构在透射、反射状态下的-2dB带宽均可以达到4GHz，具有相对带宽宽以及对极化方式不敏感的优点。
Claims (8)
1.一种X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，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；所述金属单元包括两个左右对称分布的竖直方向镂空的偶极子，每个竖直方向镂空的偶极子的左右两侧均有一个宽度渐变的短截线和一个短偶极子；两个短偶极子左右对称分布，且宽度小于竖直方向镂空的偶极子长度；两个宽度渐变的短截线左右对称地分布在两个竖直方向镂空的偶极子中间，其中靠近竖直方向偶极子一侧的宽度和远离竖直方向偶极子一侧的宽度均小于竖直方向的偶极子的长度，两个宽度渐变的短截线之间留有缝隙，并在缝隙中设有PIN二极管，两个矩形金属贴片环对称分布于PIN二极管的上下两侧。
2.根据权利要求1所述的X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，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X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，其特征在于，两个矩形金属贴片环的外围长度小于两个竖直方向偶极子的内侧间距。
4.根据权利要求1所述的X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述竖直方向镂空的偶极子中间为对边相互平行的矩形缝隙。
5.根据权利要求1所述的X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述宽度渐变的短截线中，远离竖直方向偶极子一侧的宽度不小于0.4mm。
6.根据权利要求1所述的X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述宽度渐变的短截线中，靠近竖直方向偶极子一侧的宽度与短偶极子宽度相同。
7.根据权利要求1所述的X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，其特征在于，所述金属单元以中心线成轴对称。
8.根据权利要求1所述的X波段宽带大角度双极化的有源可重构频率选择表面，其特征在于，介质板的介电常数为2.2。
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