CN114024146B - 一种可调频率选择表面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调频率选择表面结构，包括：介质基板以及布置在所述介质基板上的方形谐振组件；所述方形谐振组件包括多个且按照矩阵形式排列的带孔方形谐振单元；所述带孔方形谐振单元包括两个相同的方形带孔金属贴片，以及设置在两个所述方形带孔金属贴片之间的变容二极管；其中，两个所述方形带孔金属贴片的布置方式为镜像布置方式；在所述方形谐振组件中，同一行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管的布置方向相同，相邻行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管的布置方向相反。本发明能够实现特定频段的阻带连续可调性能。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别是涉及一种可调频率选择表面结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由介质基板上大量规则排布的金属单元谐振组件或金属屏上周期排列的开孔缝隙单元构成，其中，单元的形状、单元的排布方式以及介质的电性能等都会影响其频率选择的特性。频率选择表面对具有不同工作频率、不同极化方式和不同入射角度的电磁波具有选择特性。由于频率选择表面的空间滤波特性，使其广泛应用于军事及无线通信系统中。
频率选择表面常用在飞行器隐身、混合雷达罩隐身、电磁兼容及电磁屏蔽领域，其主要原理是将所需频段设计在频率选择表面的通带上，将易产生电磁干扰的频段设计在频率选择表面的阻带，从而利于信号的发射和接收以及设备的正常工作。从隐身的角度来看，低雷达散射截面积外形便于将敌方探测信号散射到四周空间，使探测方向回波大大减弱，同时不影响己方正常通讯，从而提高飞行器隐身和抗干扰性能。理想的频率选择表面，在通带具有较低的损耗，在通带外侧具有快速滚落进入阻带的特性，且阻带透过率越低越好。
频率选择表面对武器系统的发展具有深远的影响，传统的频率选择表面存在一定的缺陷，例如防护性差、体积大、不可调谐等缺陷，且其结构一旦设计完成，相应的性能就无法改变。
发明内容
为了至少解决背景技术中的其一缺陷，本发明提供了一种可调频率选择表面结构，以实现特定频段的阻带连续可调性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种可调频率选择表面结构，包括：介质基板以及布置在所述介质基板上的方形谐振组件；
所述方形谐振组件包括多个且按照矩阵形式排列的带孔方形谐振单元；所述带孔方形谐振单元包括两个相同的方形带孔金属贴片，以及设置在两个所述方形带孔金属贴片之间的变容二极管；其中，两个所述方形带孔金属贴片的布置方式为镜像布置方式；
在所述方形谐振组件中，同一行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管的布置方向相同，相邻行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管的布置方向相反。
可选的，所述方形带孔金属贴片上开设有三个方孔，分别为第一方孔、第二方孔和第三方孔；所述第一方孔和所述第二方孔布置在所述第三方孔的两侧，且呈对称分布。
可选的，所述第一方孔包括两条平行的横边和两条平行的竖边；所述第二方孔包括两条平行的横边和两条平行的竖边；所述第三方孔包括两条平行的横边和两条平行的竖边；
所述第三方孔的第一横边的一端与所述第一方孔的第一横边的一端连接，所述第三方孔的第一横边的另一端与所述第二方孔的第一横边的一端连接，且所述第三方孔的第一横边、所述第一方孔的第一横边、所述第二方孔的第一横边位于同一水平线上；
所述第三方孔的第二横边的一端与所述第一方孔的第二横边的一端连接，所述第三方孔的第二横边的另一端与所述第二方孔的第二横边的一端连接，且所述第三方孔的第二横边、所述第一方孔的第二横边、所述第二方孔的第二横边位于同一水平线上；
所述第三方孔的第一竖边与所述第一方孔的第一竖边为同一竖边，所述第三方孔的第二竖边与所述第二方孔的第一竖边为同一竖边。
可选的，所述方形带孔金属贴片还包括第一延长边和第二延长边；
所述第一延长边为经过第一标记端并向外延伸的边，所述第二延长边为经过第二标记端并向外延伸的边；所述第一标记端为所述第一方孔的第一横边的另一端，所述第二标记端为所述第二方孔的第一横边的另一端；
在所述方形谐振组件中，位于同一行中各个所述带孔方形谐振单元之间是通过所述第一延长边和所述第二延长边连接在一起，以使位于同一行中各个所述变容二极管的电路连接方式为并联方式。
可选的，还包括第一馈电金属线和第二馈电金属线；
所述第一馈电金属线与位于矩阵第一列的带孔方形谐振单元中的第一标记延长边的另一端连接，所述第二馈电金属线与矩阵最后一列的带孔方形谐振单元中的第二标记延长边的另一端连接；
其中，所述带孔方形谐振单元包括第一方形带孔金属贴片和第二方形带孔金属贴片；当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的奇数行时，所述第一标记延长边为第一方形带孔金属贴片的第一延长边，当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的偶数行时，所述第一标记延长边为第二方形带孔金属贴片的第一延长边；当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的奇数行时，所述第二标记延长边为第二方形带孔金属贴片的第二延长边，当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的偶数行时，所述第二标记延长边为第一方形带孔金属贴片的第二延长边；
在工作过程中，当所述变容二极管的正极与所述第一方形带孔金属贴片连接且所述变容二极管的负极与所述第二方形带孔金属贴片连接时，所述第一馈电金属线与外界电源的正极连接时，所述第二馈电金属线与所述外界电源的负极连接，当所述变容二极管的正极与所述第二方形带孔金属贴片连接且所述变容二极管的负极与所述第一方形带孔金属贴片连接时，所述第一馈电金属线与外界电源的负极连接时，所述第二馈电金属线与所述外界电源的正极连接。
可选的，所述第一方孔和所述第二方孔的横边长度均为1mm；所述第三方孔的横边长度为4mm；所述第一方孔和所述第二方孔的竖边长度均为4.3mm；所述第三方孔的竖边长度为3.8mm。
可选的，所述变容二极管的电容值参数调节范围为0.3pF-2.22pF；所述变容二极管的加载电压范围为0V-20V。
可选的，所述带孔方形谐振单元的尺寸为16mm×10mm，所述方形带孔金属贴片的尺寸为8mm×4.6mm。
可选的，在所述带孔方形谐振单元中，两个所述方形带孔金属贴片之间的间隙为0.4mm，且所述变容二极管位于所述间隙处。
可选的，所述介质基板为FR4基板，所述介质基板厚度为0.4mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种可调频率选择表面结构，利用特定金属图样和变容二极管来改变相邻方形带孔金属贴片间的等效电容值，进而实现特定频段的阻带连续可调。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的可调频率选择表面结构的带孔方形谐振单元的结构示意图；
图2是本发明提供的可调频率选择表面结构的阵列及连接方式示意图；
图3是本发明提供的可调频率选择表面结构的整体示意图；
图4是本发明提供的方形带孔金属贴片的结构示意图；
图5是本发明提供的方形带孔金属贴片的尺寸示意图；
图6是本发明提供的可调频率选择表面结构在各频段反射特性S11参数曲线示意图；
图7是本发明提供的可调频率选择表面结构在各频段透射特性S21参数曲线示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的目的是提供一种多波段内连续可调的频率选择表面结构。本发明通过单层带孔方形谐振组件与变容二极管联合实现频率选择功能，以提升频率选择表面的总体性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明提供的一种可调频率选择表面结构包括带孔方形谐振组件1和介质基板2。
可调频率选择表面结构由多个周期性分布的单元构成，具体为带孔方形谐振组件1为单层结构且设置在介质基板2上。所述方形谐振组件1包括多个且按照矩阵形式排列的带孔方形谐振单元。所述带孔方形谐振单元包括两个相同的方形带孔金属贴片，以及设置在两个所述方形带孔金属贴片之间的变容二极管0；其中，两个所述方形带孔金属贴片的布置方式为镜像布置方式。
在所述方形谐振组件1中，同一行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管0的布置方向相同，相邻行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管0的布置方向相反。故在工作期间，相邻行同一列变容二极管的加载电压方向相反，同一行不同列变容二极管的加载电压方向相同。
在本发明中，镜像布置的一组方形带孔金属贴片可以称为一单元图案，那么变容二极管是设置在单元图案间隙中，且反向交错并联连接。
在本发明中，由于方形谐振组件为单元周期结构，各单元图案缝隙处皆有一变容二极管，那么通过调节加载电压就可以改变单元图案缝隙间的电容值，实现了频率选择表面在多波段的可调谐功能，具体为：可调频率选择表面结构的阻带在2-5GHz和11-12.6GHz连续可调，且20GHz附近有稳定阻带。
请参见图2和图3，变容二极管01和变容二极管02相邻且位于不同行，故变容二极管01和变容二极管02为不同的放置方向，具体为放置方向相反。此外，馈电金属线交错布置，使整个电路为并联以加载相等的电压。
请参见图4，所述方形带孔金属贴片上开设有三个方孔，分别为第一方孔3、第二方孔4和第三方孔5；所述第一方孔3和所述第二方孔4布置在所述第三方孔5的两侧，且呈对称分布。其中，整个所述方形带孔金属贴片沿中轴线对称。
所述第一方孔3包括两条平行的横边b和两条平行的竖边d；所述第二方孔4包括两条平行的横边b和两条平行的竖边d；所述第三方孔5包括两条平行的横边a和两条平行的竖边c。
所述第三方孔5的第一横边的一端与所述第一方孔3的第一横边的一端连接，所述第三方孔5的第一横边的另一端与所述第二方孔4的第一横边的一端连接，且所述第三方孔5的第一横边、所述第一方孔3的第一横边、所述第二方孔4的第一横边位于同一水平线上；所述第三方孔5的第二横边的一端与所述第一方孔3的第二横边的一端连接，所述第三方孔5的第二横边的另一端与所述第二方孔4的第二横边的一端连接，且所述第三方孔5的第二横边、所述第一方孔3的第二横边、所述第二方孔4的第二横边位于同一水平线上；所述第三方孔5的第一竖边与所述第一方孔3的第一竖边为同一竖边，所述第三方孔5的第二竖边与所述第二方孔4的第一竖边为同一竖边。
进一步地，所述方形带孔金属贴片还包括第一延长边和第二延长边。
所述第一延长边为经过第一标记端并向外延伸的边，所述第二延长边为经过第二标记端并向外延伸的边；所述第一标记端为所述第一方孔的第一横边的另一端，所述第二标记端为所述第二方孔的第一横边的另一端。
在所述方形谐振组件中，位于同一行中各个所述带孔方形谐振单元之间是通过所述第一延长边和所述第二延长边连接在一起，以使位于同一行中各个所述变容二极管的电路连接方式为并联方式。
在以上基础上，本发明提供的一种可调频率选择表面结构还包括第一馈电金属线和第二馈电金属线。第一馈电金属线平行设置在方形带孔金属贴片一侧，第二馈电金属线平行设置在方形带孔金属贴片另一侧。
所述第一馈电金属线与位于矩阵第一列的带孔方形谐振单元中的第一标记延长边的另一端连接，所述第二馈电金属线与矩阵最后一列的带孔方形谐振单元中的第二标记延长边的另一端连接；其中，方形带孔金属贴片及馈电金属线的材质均为纯铜。
请参见图5，所述带孔方形谐振单元包括两个镜像布置第一方形带孔金属贴片6和第二方形带孔金属贴片7；当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的奇数行时，所述第一标记延长边为第一方形带孔金属贴片6的第一延长边，当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的偶数行时，所述第一标记延长边为第二方形带孔金属贴片7的第一延长边；当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的奇数行时，所述第二标记延长边为第二方形带孔金属贴片7的第二延长边，当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的偶数行时，所述第二标记延长边为第一方形带孔金属贴片6的第二延长边。
在工作过程中，当所述变容二极管的正极与所述第一方形带孔金属贴片连接且所述变容二极管的负极与所述第二方形带孔金属贴片连接时，所述第一馈电金属线与外界电源的正极连接时，所述第二馈电金属线与所述外界电源的负极连接，当所述变容二极管的正极与所述第二方形带孔金属贴片连接且所述变容二极管的负极与所述第一方形带孔金属贴片连接时，所述第一馈电金属线与外界电源的负极连接时，所述第二馈电金属线与所述外界电源的正极连接，以使相邻行同一列变容二极管的加载电压方向相反，同一行不同列变容二极管的加载电压方向相同。且通过改变外界电源的电压值，调节加载电压以改变第一方形带孔金属贴片6和第二方形带孔金属贴片7之间的等效电容参数，从而调谐频率选择表面谐振点。
其中，所述第一方孔3和所述第二方孔4的尺寸为1mm×4.3mm，第三方孔5的尺寸为4mm×3.8mm，具体地：所述第一方孔3和所述第二方孔4的横边b长度均为1mm；所述第三方孔5的横边a长度为4mm；所述第一方孔3和所述第二方孔4的竖边d长度均为4.3mm；所述第三方孔5的竖边c长度为3.8mm。
在图5中，f＝8mm，g＝16mm，h＝4mm，k＝9.6mm，n＝0.2mm。
在本发明中，所述带孔方形谐振单元的尺寸为16mm×10mm，所述方形带孔金属贴片的尺寸为8mm×4.6mm，馈电金属线部分线宽为0.2mm。
在本发明中，在所述带孔方形谐振单元中，两个所述方形带孔金属贴片之间的间隙e为0.4mm，且所述变容二极管位于所述间隙处。
在本发明中，所述介质基板2为FR4基板，所述介质基板厚度为0.4mm
图6为本发明提供的可调频率选择表面各频段反射特性S11参数曲线示意图，通过改变加载电压0V-20V，可实现谐振频率在8GHz-10.6GHz的连续调节，且18GHz附近稳定不变。8GHz-10.6GHz频段内反射系数在-15dB左右，18GHz处的反射系数-25dB左右。
图7为本发明提供的可调频率选择表面各频段透射特性S21参数曲线示意图，通过改变加载电压0V-20V，可实现谐振频率在2GHz-5GHz、11-12.6GHz的连续调节，且20GHz附近稳定不变。2GHz-5GHz频段内透射系数为-29dB至-35dB左右，11-12.6GHz频段内透射系数的为-18dB至-24dB左右，20GHz处的透射系数为-30dB左右。
本发明提供的一种基于变容二极管的简单可调频率选择表面结构，通过加载0V-20V偏置电压，进而调节二极管的电容值参数0.3pF-2.22pF，实现频率选择表面的可调谐功能，提升频率选择表面的总体性能，具体为谐振频率在2-5GHz和11-12.6GHz连续可调，且20GHz附近有稳定阻带。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种可调频率选择表面结构，其特征在于，包括：介质基板以及布置在所述介质基板上的方形谐振组件；
所述方形谐振组件包括多个且按照矩阵形式排列的带孔方形谐振单元；所述带孔方形谐振单元包括两个相同的方形带孔金属贴片，以及设置在两个所述方形带孔金属贴片之间的变容二极管；其中，两个所述方形带孔金属贴片的布置方式为镜像布置方式；
在所述方形谐振组件中，同一行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管的布置方向相同，相邻行各所述带孔方形谐振单元中的变容二极管的布置方向相反；
所述方形带孔金属贴片上开设有三个方孔，分别为第一方孔、第二方孔和第三方孔；所述第一方孔和所述第二方孔布置在所述第三方孔的两侧，且呈对称分布；
所述第一方孔包括两条平行的横边和两条平行的竖边；所述第二方孔包括两条平行的横边和两条平行的竖边；所述第三方孔包括两条平行的横边和两条平行的竖边；
所述第三方孔的第一横边的一端与所述第一方孔的第一横边的一端连接，所述第三方孔的第一横边的另一端与所述第二方孔的第一横边的一端连接，且所述第三方孔的第一横边、所述第一方孔的第一横边、所述第二方孔的第一横边位于同一水平线上；
所述第三方孔的第二横边的一端与所述第一方孔的第二横边的一端连接，所述第三方孔的第二横边的另一端与所述第二方孔的第二横边的一端连接，且所述第三方孔的第二横边、所述第一方孔的第二横边、所述第二方孔的第二横边位于同一水平线上；
所述第三方孔的第一竖边与所述第一方孔的第一竖边为同一竖边，所述第三方孔的第二竖边与所述第二方孔的第一竖边为同一竖边。
2.根据权利要求1所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，所述方形带孔金属贴片还包括第一延长边和第二延长边；
所述第一延长边为经过第一标记端并向外延伸的边，所述第二延长边为经过第二标记端并向外延伸的边；所述第一标记端为所述第一方孔的第一横边的另一端，所述第二标记端为所述第二方孔的第一横边的另一端；
在所述方形谐振组件中，位于同一行中各个所述带孔方形谐振单元之间是通过所述第一延长边和所述第二延长边连接在一起，以使位于同一行中各个所述变容二极管的电路连接方式为并联方式。
3.根据权利要求2所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，还包括第一馈电金属线和第二馈电金属线；
所述第一馈电金属线与位于矩阵第一列的带孔方形谐振单元中的第一标记延长边的另一端连接，所述第二馈电金属线与矩阵最后一列的带孔方形谐振单元中的第二标记延长边的另一端连接；
其中，所述带孔方形谐振单元包括第一方形带孔金属贴片和第二方形带孔金属贴片；当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的奇数行时，所述第一标记延长边为第一方形带孔金属贴片的第一延长边，当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的偶数行时，所述第一标记延长边为第二方形带孔金属贴片的第一延长边；当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的奇数行时，所述第二标记延长边为第二方形带孔金属贴片的第二延长边，当所述带孔方形谐振单元位于矩阵的偶数行时，所述第二标记延长边为第一方形带孔金属贴片的第二延长边；
在工作过程中，当所述变容二极管的正极与所述第一方形带孔金属贴片连接且所述变容二极管的负极与所述第二方形带孔金属贴片连接时，所述第一馈电金属线与外界电源的正极连接时，所述第二馈电金属线与所述外界电源的负极连接，当所述变容二极管的正极与所述第二方形带孔金属贴片连接且所述变容二极管的负极与所述第一方形带孔金属贴片连接时，所述第一馈电金属线与外界电源的负极连接时，所述第二馈电金属线与所述外界电源的正极连接。
4.根据权利要求1所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，所述第一方孔和所述第二方孔的横边长度均为1mm；所述第三方孔的横边长度为4mm；所述第一方孔和所述第二方孔的竖边长度均为4.3mm；所述第三方孔的竖边长度为3.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，所述变容二极管的电容值参数调节范围为0.3pF-2.22pF；所述变容二极管的加载电压范围为0V-20V。
6.根据权利要求1所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，所述带孔方形谐振单元的尺寸为16mm×10mm，所述方形带孔金属贴片的尺寸为8mm×4.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，在所述带孔方形谐振单元中，两个所述方形带孔金属贴片之间的间隙为0.4mm，且所述变容二极管位于所述间隙处。
8.根据权利要求1所述的一种可调频率选择表面结构，其特征在于，所述介质基板为FR4基板，所述介质基板厚度为0.4mm。
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