CN114336074B - 一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面，属于频率选择表面技术领域。该频率选择表面为多层PCB结构，包括两层矩形贴片、两层介质层和一层金属地板；该频率选择表面基于矩形贴片的主模TM010及其第一高次模TM100实现了双频响应；同时，在两层矩形贴片上分别加载PIN二极管，通过直流偏置信号对两层上的加载二极管分别控制，从而实现对两个工作频率的独立可开关控制。并且，FSS单元为对称结构，可选通任意线极化入射的电磁波，具有较强的实用性。
Description
技术领域
本发明属于频率选择表面技术领域，具体涉及一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)作为一种常见空间滤波器，可有效地选通或屏蔽特定频率的电磁波，在无线通信、军事隐身及电磁兼容等领域均有广泛的应用。为拓展其功能性，不同种类的FSS得到了发展和研究，如宽带FSS，双频FSS及多频FSS等。相较于宽带FSS，双频或多频FSS具有更多的灵活性，不同于前者覆盖整个工作带宽，后者可实现多个通带或阻带。但是，由于材料单元的尺寸限制，多频FSS较难实现，且其工作性能大多较差，因此，在实际应用中，双频FSS是一种较佳的FSS形式。
尽管双频FSS具有较强的实用性，但是现有报道的双频FSS大多为不可重构型FSS，具有一定的局限性。因此，在不可重构双频FSS的基础上，发展实现可重构特性具有较大的研究价值。具体来说，对于FSS，可重构特性一般可分为可开关和可调谐两种。可开关特性指FSS的通带可开关，在其处于打开状态时，可选通电磁波；而其关断时，反射电磁波；可调谐特性是指FSS的工作频率可以在一定范围内实现变化。Saptarshi Ghosh等人(SaptarshiGhosh and Kumar Vaibhav Srivastava,“A dual-band tunable frequency selectivesurface with indepe ndent wideband tuning,”IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.19,no.10,pp.1808-1812,October 2020)研究了一种基于变容二极管的独立可调谐的双频带阻型FSS，其通过在FSS中加载变容管，以实现对工作频率的调谐，同时，两个工作频率对应的二极管各自独立偏置，从而实现频率的独立可调谐。但是，该FSS的频率响应为带阻型，而非带通型。Henry Fabian-Gongora等人(Henry Fabian-Gongora,Alexander E.Martynyuk,Jorge Rod riguez-Cuevas,and Jose I.Martinez-Lopez,“Active dual-band frequency selective surfaces with close band spacingbased on switchable ring slots,”IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,vol.25,no.9,pp.606–608,September 2015.)报道了一种双频可开关FSS，该FSS由PIN二极管实现可开关特性。但是，该FSS在开关过程中，两个通带存在相互影响；且FSS为单极化设计，即其对入射电磁波的极化方向敏感，较难应用于实际场景。
因此，设计实现具有独立开关特性且极化不敏感的双频带通型FSS就成为了研究重点。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面。该FSS为多层PCB结构，包括两层矩形贴片和一层金属地板。该频率选择表面基于矩形贴片的主模TM010及其第一高次模TM100实现了双频响应；并且在两层矩形贴片上分别加载PIN二极管，通过直流偏置信号对两层上的加载二极管分别控制，从而实现对两个工作频率的独立可开关控制，同时，FSS单元为对称结构，可选通任意线极化入射的电磁波，具有较强的实用性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面，包括m×n个正方形的结构单元，所述结构单元从上至下依次为第一金属贴片层、第一介质层、金属地板层、第二介质层和第二金属贴片层；
所述第一介质层和第二介质层均为正方形；
所述第一金属贴片层由四个相同矩形金属贴片组成，每个矩形贴片设置于介质层垂直投影的四分之一面积的中心，其余三个矩形金属贴片由左上角第一矩形金属贴片以介质层中心点为旋转中心，依次旋转90°、180°、270°得到，每个矩形贴片的一条长边中心设置加载缝隙的微带线结构，所述缝隙用于设置开关器件，微带线结构末端设置金属盲孔，且贯穿第一介质层，另一长边中心设置金属连接线，所述金属连接线连接相邻矩形贴片的短边中心，左上角第一矩形金属贴片和右下角第三矩形金属贴片的微带线结构位置相同，右上角第二矩形金属贴片和左下角第四矩形金属贴片的微带线结构位置相同；
金属地板层在与第一金属贴片层中四个矩形金属贴片相对应的位置设置4个相同工字型的缝隙单元，所述缝隙单元由三条互不接触的缝隙组成，其中两条缝隙与矩形金属贴片的长边平行，剩余一条缝隙设置于与对应矩形金属贴片中心线的重合线上；
第二金属贴片层与第一金属贴片层基本相同，仅是每个矩形贴片的一条短边中心设置加载缝隙的微带线结构，微带线结构末端设置金属盲孔，且贯穿第二介质层，一条长边中心设置金属连接线。
进一步地，所述金属地板层中的缝隙位置决定了频选的耦合方式，当其位于矩形贴片中间部分下方时，对应为磁耦合，当其位于矩形贴片的边缘部分下方时，对应为电耦合；缝隙尺寸与电磁波的耦合强度相关。
进一步地，所述金属地板层中的缝隙优选为频率选择表面的两个频带分别采用两种不同的耦合方式以降低相互影响。
进一步地，与矩形金属贴片长边平行的缝隙与矩形金属贴片长边垂直投影的距离≤0.2a，其中，a为矩形贴片的宽度。
进一步地，为保证频率选择表面的工作性能，m和n的取值不小于5。
进一步地，所述开关器件可以为PIN二极管、射频开关(MEMS)或金属搭接条等。
进一步地，通过改变开关器件的通断，从而实现两个通带的独立可开关；当开关器件关断时，视为电容，此时矩形贴片与金属地板相互隔离，其谐振频率仅由自身尺寸决定，由于第一矩形贴片和第二矩形贴片尺寸相同，此时上下两矩形贴片处于匹配状态，电磁波可以较低的损耗通过，即对应的通带为打开状态；当开关器件导通时，视为一阻值很小的电阻，此时矩形贴片被短路到金属地板，会对矩形贴片谐振模式产生扰动，从而改变其谐振频率，对于矩形贴片的两个工作模式来说(即两个通带)，该扰动分别产生于上下两层矩形贴片的其中一层，因此，当关闭其中一层的二极管时，均导致上下两层贴片对应的模式谐振频率不一致，此时上下两层贴片处于阻抗失配状态，电磁波被反射，即对应通带处于关闭状态。
进一步地，所述PIN二极管Skyworks SMP1345，其在关断状态的典型电容值为0.118pF，在导通状态的典型电阻值为1欧姆。
进一步地，矩形贴片尺寸与其选通频率的关系可表示为
式中，a为矩形贴片长边或短边尺寸初始值，c为真空中光速，f0为矩形贴片的选通频率，εr为介质基板相对介电常数。
进一步地，所述结构的具体尺寸根据工作频率确定，本发明优选为65mm×65mm；第一金属贴片层中矩形贴片的尺寸为27.5mm×17.5mm；弯折线结构线宽为0.2mm，线间距为0.2mm，弯折宽度为1.2mm，金属盲孔直径为0.3mm；金属地板层中两个相同缝隙的尺寸为10.8mm×0.8mm，位于中心的缝隙的尺寸为5mm×0.8mm；第二金属贴片层中矩形贴片的尺寸为27.5mm×17.5mm；弯折线结构线宽为0.2mm，线间距为0.2mm，弯折宽度为1.2mm，金属盲孔直径为0.3mm，第一介质层的厚度为1.524mm，第二介质层的厚度为1.524mm；。
进一步地，所述介质层为射频介质基板，优选型号为F4B，相对介电常数为3.0，金属贴片层为PCB印刷电路。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过矩形贴片的不同工作模式及旋转对称结构，当电磁波入射到该频选时，电场矢量可被分解为两互相垂直的矢量，在这两个矢量方向上，矩形贴片的工作模式分别为主模和第一高次模，因此当电磁波频率与贴片的工作模式相对应时，可以较低的损耗通过，从而实现双频透波响应，同时，FSS采用的旋转对称结构可很好的抑制交叉极化分量，因此其对极化不敏感；通过加载开关器件，实现FSS双频透波响应的可开关特性，若开关器件为二极管，则该结构的加载方式较为简单，且偏置线路间为直流隔离，可实现独立可开关特性。
2.本发明双频响应透波插入损耗小于1.5dB，关断时透射系数小于-10dB，且两个通带中任意一个通带在开关时对另一通带没有影响，整体处于较优行业水平。
3.本发明的结构可由印刷版工艺实现，成本低，加工简单。
附图说明
图1为本发明结构单元侧视图。
图2为本发明结构单元第一金属贴片层示意图。
图3为本发明结构单元金属地板层示意图。
图4为本发明结构单元第二金属贴片层示意图。
图5为本发明FSS电磁仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面，包括n×n个正方形的结构单元，结构单元的侧视图如图1所示，从上至下依次为第一金属贴片层1、第一介质层4、金属地板层12、第二介质层8和第二金属贴片层7；
第一金属贴片层1的结构如图2所示，由四个相同矩形金属贴片组成，其余三个矩形金属贴片由左上角的第一矩形金属贴片以第一介质层中心点为旋转中心，依次旋转90°、180°、270得到，矩形金属贴片的尺寸为27.5mm×17.5mm，第一矩形金属贴片远离旋转中心的长边中心位置设置加载带缝隙的微带线结构，微带线结构的缝隙用于设置PIN二极管3，微带线结构末端设置金属盲孔2，金属盲孔贯穿第一介质层，二极管3通过盲孔2连接到金属地板层12，另一长边的中心位置设置金属弯折连接线5，且金属弯折连接线与相邻矩形金属贴片的短边中心相连；左上角第一矩形金属贴片和右下角第三矩形金属贴片的微带线结构位置相同，右上角第二矩形金属贴片和左下角第四矩形金属贴片的微带线结构位置相同；
其中，矩形金属贴片的尺寸初始值可根据公式计算得到：
式中，a为矩形贴片长边或短边的尺寸初始值，c为真空中光速，f0为矩形贴片的谐振频率，εr为介质基板相对介电常数。矩形金属贴片的两条边对应两个通带，两个通带频率不同，根据通带频率可以分别计算得到矩形贴片的长边和短边尺寸。
第一介质层4和第二介质层8的厚度均为1.524mm，尺寸为65mm×65mm；
金属地板层12的结构如图3所示，在与第一金属贴片层中4个矩形金属贴片相对应的位置设置4个相同工字型的缝隙单元6，所述缝隙单元由三条互不相连的缝隙组成，其中两条缝隙相同，且与对应矩形金属贴片的长边平行，剩余一条缝隙设置于相对应的矩形金属贴片的中心线上；金属地板层的尺寸为65mm×65mm，两条相同的矩形缝隙的尺寸为10.8mm×0.8mm，为于中心的缝隙的尺寸为5mm×0.8mm；
第二金属贴片层的结构如图4所示，其与第一金属贴片层结构类似，位于左上角的第一矩形金属贴片远离旋转中心的长边中心位置设置金属连接线，与右下角第四矩形金属贴片相邻的短边中心设置加载带缝隙的微带线结构；位于右上角的第二矩形金属贴片靠近旋转中心的长边中心位置设置金属连接线11，金属连接线的另一端与另一相邻矩形金属贴片的短边中心相连，与左上角第一矩形金属贴片相邻的短边中心设置加载带缝隙的微带线结构；微带线结构的缝隙用于设置PIN二极管9，微带线结构末端设置金属盲孔10，金属盲孔贯穿第二介质层，二极管通过盲孔连接到金属地板层。
由图1可知，所述第一金属贴片层1通过PIN二极管3和金属盲孔2连接至金属层5，所述第二金属贴片层7通过PIN二极管9和金属盲孔8连接至金属层5；即第一金属贴片层1与第二金属贴片层7在直流上相互隔离，可通过相应的偏置线路分别提供直流偏置信号，以实现所述FSS的独立可重构特性。
图5为本发明FSS在高频电磁仿真软件中，采用周期边界条件，线极化波垂直入射时的电磁仿真结果图，空心散点与实心散点分别代表TE极化和TM极化入射时仿真结果。其中，图(a)为两层金属层中的PIN二极管均处于关断状态的仿真结果，图(b)为第一金属层中的二极管3导通，第二金属层中的二极管9关断时的仿真结果，图(c)为二极管3关断，二极管9导通时的仿真结果，图(d)为二极管均导通时的仿真结果。如图(a)所示，当两层金属层中的二极管均关断时，FSS的频率响应为双频透波响应，透波的1dB带宽分别为3.024～3.096GHz，4.224～4.4GHz，各透波带的最小插入损耗分别为1dB，0.7dB。当二极管3导通，二极管9关断时，位于高频的透波带关闭，关闭后的透波系数小于-10dB；反之当二极管3关断，二极管9导通时，位于低频的透波带关闭。当二极管均导通时，FSS的两个透波带全部关闭。实际运用时，可通过弯折连接线5和弯折连接线11对两层二极管分别进行偏置，从而实现独立可开关特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (8)
1.一种具有独立可开关特性的双频带通型频率选择表面，其特征在于，包括m×n个结构单元，所述结构单元从上至下依次为第一金属贴片层、第一介质层、金属地板层、第二介质层和第二金属贴片层；
所述第一介质层和第二介质层均为正方形；
所述第一金属贴片层由四个相同矩形金属贴片组成，每个矩形贴片设置于第一介质层垂直投影的四分之一面积的中心，其余三个矩形金属贴片由左上角第一矩形金属贴片以介质层中心点为旋转中心，依次旋转90°、180°、270°得到，每个矩形贴片的一条长边中心设置加载缝隙的微带线结构，所述缝隙用于设置开关器件，微带线结构末端设置金属盲孔，且贯穿第一介质层，另一长边中心设置金属连接线，所述金属连接线连接相邻矩形贴片的短边中心，左上角第一矩形金属贴片和右下角第三矩形金属贴片的微带线结构位置相同，右上角第二矩形金属贴片和左下角第四矩形金属贴片的微带线结构位置相同；
金属地板层在与第一金属贴片层中四个矩形金属贴片相对应的位置设置4个相同工字型的缝隙单元，所述缝隙单元由三条互不接触的缝隙组成，其中两条缝隙与矩形金属贴片的长边平行，剩余一条缝隙设置于与对应矩形金属贴片中心线的重合线上；
第二金属贴片层与第一金属贴片层基本相同，区别仅是每个矩形贴片的一条短边中心设置加载缝隙的微带线结构，微带线结构末端设置金属盲孔，且贯穿第二介质层，一条长边中心设置金属连接线；金属地板层中的缝隙位置决定了频选的耦合方式，当其位于矩形贴片中间部分下方时，对应为磁耦合，当其位于矩形贴片的边缘部分下方时，对应为电耦合；缝隙尺寸与电磁波的耦合强度相关。
2.如权利要求1所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，m和n的取值不小于5。
3.如权利要求1所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，所述金属地板层中的缝隙为频率选择表面的两个频带分别采用两种不同的耦合方式，以降低相互影响。
4.如权利要求1所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，所述开关器件为PIN二极管、射频开关或金属搭接条。
5.如权利要求4所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，所述PIN二极管为Skyworks SMP1345。
6.如权利要求1所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，矩形贴片尺寸与其选通频率的关系为，
式中，a为矩形贴片长边或短边尺寸初始值，c为真空中光速，f0为矩形贴片的选通频率，εr为介质基板相对介电常数。
7.如权利要求1所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层为射频介质基板，金属贴片层为PCB印刷电路。
8.如权利要求1所述的双频带通型频率选择表面，其特征在于，所述结构单元的具体尺为65mm×65mm；第一金属贴片层中矩形贴片的尺寸为27.5mm×17.5mm；弯折线结构线宽为0.2mm，线间距为0.2mm，弯折宽度为1.2mm，金属盲孔直径为0.3mm；金属地板层中两个相同缝隙的尺寸为10.8mm×0.8mm，位于中心的缝隙的尺寸为5mm×0.8mm；第二金属贴片层中矩形贴片的尺寸为27.5mm×17.5mm；弯折线结构线宽为0.2mm，线间距为0.2mm，弯折宽度为1.2mm，金属盲孔直径为0.3mm，第一介质层的厚度为1.524mm，第二介质层的厚度为1.524mm。
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114336074A (zh) | 2022-04-12 |
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