CN114374097A - 一种宽频、多频及变频天线覆层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频、多频及变频天线覆层，该覆层由加载PIN二极管及变容二极管的宽频域可调谐带通型频率选择表面构成，在介质板上表面印制有上金属贴片、下表面印制有下金属贴片，上金属贴片和下金属贴片上分别加载有PIN二极管和变容二极管；上金属贴片和下金属贴片的结构相互沿中心旋转90°分布；均包括十字形金属贴片、弯折金属条和窄金属条带；PIN二极管和变容二极管分别加载在十字形金属贴片和弯折金属条的缝隙中；通过控制PIN二极管通断并同时调节变容二极管的容值，实现谐振频点从较高频点到较低频点再到更低频点的大范围连续可调。解决了频率选择表面需设额外直流偏置线的难题，拓展了可调谐频域范围，提高天线隐身效果。

Description

一种宽频、多频及变频天线覆层
技术领域
本发明属于人工超材料技术领域，涉及一种宽带、多频及变频天线覆层，具体涉及一种加载PIN二极管及变容二极管的宽频域可调谐带通型频率选择表面。
背景技术
随着雷达天线由传统的窄带天线向宽带、多频及变频天线发展，对用作天线覆层的频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)的设计提出了新的挑战。传统的频率选择表面一旦加工完成，其滤波特性便无法改变，很难满足宽带、多频及变频天线覆层的应用需求，因而频率选择表面的可重构成为了研究热点之一。工作频带可通过外部激励控制而改变的可调谐带通型FSS是可重构FSS的一种，它可随着天线的工作状态的改变而主动调节自身的滤波特性，提高天线隐身效果。为了更好的适应宽带、多频及变频天线覆层的应用需求，可调谐带通型频率选择表面的可调频域带宽是研究人员比较关注的性能之一。
实现频率选择表面可调谐的方法主要可分为电控和机械控制。其中加载变容二极管的方法应用最为广泛，因为该方法具有反应速度较快、成本较低、结构简单和调谐范围宽的优点。反向偏置的变容二极管可等效为电容，通过改变其两端的电压值可以改变其等效电容值，从而改变FSS的谐振等效电容，最终可改变FSS的工作频点。
2015年5月，X.G.Huang等人在IEEE Transactions Antennas and Propagation期刊上发表了一篇名为《Tunable 3-D Bandpass Frequency-Selective Structure WithWide Tuning Range》的论文，该论文公开了一种基于变容二极管的3D可调谐带通型频率选择表面。文中提出的FSS由印制电路板的周期阵列和插入其中的金属板构成，构造了加载变容二极管的步进阻抗谐振器(SIR)，同时设计了偏置线来实现对变容二极管的直流偏置，仿真结果表明，调节变容二极管的容值从0.56pF到2.8pF变化，实现了1.4GHz-2.75GHz的65％的频率调谐范围。
2018年3月，Baoqin Lin等人在Radio Sicence期刊上发表了一篇名为《Varactor-Tunable Frequency Selective Surface With an Appropriate Embedded BiasNetwork》的论文，该论文公开了一种基于变容二极管的可调谐带通型频率选择表面。文中所提出的FSS单元由环形槽构成，四个变容二极管均匀加载在环形槽上，实现对谐振频率的调控，同时也设计了嵌入式的偏置网络对变容二极管进行直流偏置，仿真结构表明，通过将变容二极管的容值从1pF变化到0.1pF，可在2.73GHz-6.16GHz的77.2％频域范围内调节该FSS的谐振频率。
总之，现有的可应用于宽带、多频及变频天线覆层的可调谐带通型频率谐表面的可调谐频域的带宽仍然不够宽，且可调谐频域的带宽与变容二极管的容值变化范围有关。同时现有的基于变容二极管的可调谐带通型频率选择表面的设计过程中，往往很难避免需要设计额外的偏置线网络。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于PIN二极管和变容二极管的宽频域可调谐带通型频率选择表面，用以解决现有技术中存在的可调谐带通型频率选择表面的可调谐频域带宽较窄的问题，同时本发明提出的结构无需额外设计偏置线，可进一步提高可调谐带通型频率选择表面的实际应用价值。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种宽频、多频及变频天线覆层，由加载PIN二极管和变容二极管的宽频域可调谐带通型频率选择表面构成，包括一层正方形介质板，在介质板上表面印制有上金属贴片、下表面印制有下金属贴片，上金属贴片和下金属贴片上分别加载有PIN二极管和变容二极管；上金属贴片和下金属贴片的结构相互沿中心旋转90°分布；均包括十字形金属贴片、弯折金属条和窄金属条带；PIN二极管加载在十字形金属贴片的缝隙中；变容二极管加载在弯折金属条的缝隙中；通过控制PIN二极管通断并同时调节变容二极管的容值，实现谐振频点从较高频点到较低频点再到更低频点的大范围连续可调。
作为优选，上金属贴片包括紧贴横向两侧边缘处的窄金属条带、沿横向中线周期排列的十字形金属贴片、在十字形金属贴片两侧并沿横向直线周期排列的弯折金属条；PIN二极管加载在十字形金属贴片的缝隙中。
作为优选，下金属贴片包括紧贴纵向两侧边缘处的窄金属条带、沿纵向中线周期排列的十字形金属贴片、在十字形金属贴片两侧并沿纵向直线周期排列的弯折金属条；PIN二极管加载在十字形金属贴片的缝隙中。
作为优选，所述十字形金属贴片的外侧开阶梯型口。
作为优选，所述弯折金属条包括弯折段和变容二极管加载段，变容二极管加载在弯折金属条的缝隙中，并相对十字形金属贴片反向对称。
作为优选，弯折段凸起部和变容二极管加载段与PIN二极管相对应。
作为优选，沿横向和纵向中线周期排列的十字形金属贴片，其中心与整个单元结构的中心重合。
作为优选，沿横向和纵向中线周期排列的十字形金属贴片，其加载PIN二极管的宽度远大于紧贴单元横向和纵向边缘的窄金属条带的宽度的两倍。
作为优选，沿横向和纵向直线周期排列的弯折金属条，其宽度小于沿横向和纵向中线周期排列的十字形金属贴片的宽度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明所提出的用于宽频、多频及变频天线覆层设计的可调谐带通型频率选择表面结构中的各个PIN二极管和变容二极管，分别都通过金属条状结构相互串联，无需设计额外的偏置线对其进行电压偏置；通过加载PIN二极管作为电开关，控制其通/断状态能够改变FSS的谐振状态，使FSS的通带可在较高频点处到较低频点处切换，可实现FSS通带的较大范围偏移；通过同时加载变容二极管，在开关导通状态下，调节变容二极管的容值连续变化，可实现通带从较高频点处连续移动到较低频点处，在开关断开状态下调节变容二极管的容值连续变化，可实现通带从较低频点处连续移动到更低频处；这种同时加载开关结构和变容二极管的可调谐FSS结构与一般的仅通过加载变容二极管实现可调谐的FSS结构相比，具有更宽的可调谐频域带宽。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明单元结构的3D示意图；
图2是本发明单元结构的介质板上表面结构的俯视图；
图3是本发明单元结构的介质板下表面结构的俯视图；
图4(a)、(b)是本发明实施例1中PIN二极管导通状态下，TE极化和TM极化平面波垂直照射时的|S21|示意图；
图5(a)、(b)是本发明实施例1中PIN二极管断开状态下，TE极化和TM极化平面波垂直照射时的|S21|示意图；
图6(a)、(b)是本发明实施例2中PIN二极管导通状态下，TE极化和TM极化平面波垂直照射时的|S21|示意图；
图7(a)、(b)是本发明实施例2中PIN二极管断开状态下，TE极化和TM极化平面波垂直照射时的dB(|S21|)示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
参照图1，本发明宽频、多频及变频天线覆层，由加载PIN二极管和变容二极管的宽频域可调谐带通型频率选择表面构成。选择表面包括一层介质板2，介质板2的上表面印制有上金属贴片1，下表面印制有下金属贴片3，上金属贴片1和下金属贴片3中分别加载了PIN二极管4和变容二极管5。
在本实施例中，介质板的厚度为1mm，相对介电常数为2.2。
参照图2，上金属贴片1包括紧贴横向两侧边缘处的第一窄金属条带11、沿横向中线周期排列的第一十字形金属贴片13、在第一十字形金属贴片13两侧并沿横向直线周期排列的第一弯折金属条12；第一十字形金属贴片13的两侧分别加载有PIN二极管4，PIN二极管4加载在第一十字形金属贴片13的缝隙中；第一十字形金属贴片13的外侧开阶梯型口；第一弯折金属条12包括弯折段和变容二极管5加载段，变容二极管5加载在第一弯折金属条12的缝隙中，并相对第一十字形金属贴片13反向对称。弯折段凸起部和变容二极管5加载段与PIN二极管4相对应。
参照图3，下金属贴片3由上金属贴片1绕其中心旋转90°所得。包括紧贴横向两侧边缘处的第二窄金属条带31、沿横向中线周期排列的第二十字形金属贴片33、在第二十字形金属贴片33两侧并沿横向直线周期排列的第二弯折金属条32。
在本实施例中，金属贴片单元大小为p×p＝6.0mm×6.0mm；窄金属条带的宽度s1＝0.1mm；十字形金属贴片的横向宽度l1＝1.0mm，横向长度l2＝2.0mm，纵向长度w1＝2.2mm，纵向宽度w2＝0.8mm，各贴片间的缝隙d1＝0.8mm；弯折金属条结构的宽度s2＝0.1mm，弯折深度l＝0.5mm，其末端方片的横向长度t＝0.3mm，纵向宽度w＝1.1mm，各个弯折金属条间的缝隙d2＝0.8mm；横向直线排列的十字金属贴片结构与横向直线排列的弯折金属条结构间的距离d＝0.3mm。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：
单元大小调整为p×p＝5.0mm×5.0mm；十字形金属贴片的横向宽度调整为l1＝1.4mm，纵向长度调整为w1＝1.7mm，纵向宽度调整为w2＝0.7mm；弯折金属条结构的弯折深度调整为l＝0.3mm，其末端方片的横向长度调整为t＝0.2mm，纵向宽度调为w＝0.7mm。
本发明的工作原理是：根据等效电路分析理论，设入射电场方向为横向，则窄金属条带可等效为电感L1；弯折金属条结构和变容二极管可等效为串联L2C2；PIN二极管断开状态可等效为电容C3，导通状态可等效为小电阻R0；十字形金属贴片结构可等效为L3，与PIN二极管串联。当PIN二极管导通时，电感L＝L1//L3与串联L2C2之间产生并联谐振，在f1处形成通带；当PIN二极管断开时，电感L1与串联L2C2之间产生并联谐振，在f2处形成通带。由于窄金属条带的宽度s1小于十字形金属贴片的横向宽度l1，由于宽度与电感成反比，电感L3小于电感L1，即电感L小于电感L1。又由于电容和电感越小谐振频率越大，所以f1大于f2。在PIN二极管导通状态下，从小到大连续调节变容二极管的容值C3，则谐振频点可从f1连续移动到f2；在PIN二极管断开状态下，重新从小到大连续调节变容二极管5的容值C3，则谐振频点可从f2继续连续移动到更低频。综合上述，通过控制PIN二极管通断并同时调节变容二极管的容值，可实现谐振频点从较高频点f1到较低频点f2再到更低频点的大范围连续可调。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例1中的可调谐FSS进行建模，PIN二极管导通状态以集总边界的电阻R＝0.85Ω模拟，变容二极管以集总边界的可变电容Cv模拟，Cv分别取0.1pF、0.2pF、0.3pF及0.4pF，入射波垂直照射，在1GHz-8GHz频带范围内进行仿真，计算其S参数。结果如图4(a)、(b)所示，其中，图4(a)为上述实施例1在TE极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的dB(|S21|)；图4(b)为本上述实施例1在TM极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的|S21|。
1.2利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例1中的可调谐FSS进行建模，PIN二极管断开状态以集总边界的电容C＝0.21pF模拟，变容二极管以集总边界的可变电容Cv模拟，Cv分别取0.1pF、0.2pF、0.4pF及0.7pF，入射波垂直照射，在1GHz-8GHz频带范围内进行仿真，计算其S参数。结果如图5(a)、(b)所示，其中，图5(a)为上述实施例1在TE极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的dB(|S21|)；图5(b)为上述实施例1在TM极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的|S21|。
1.3利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例2中的可调谐FSS进行建模，PIN二极管导通状态以集总边界的电阻R＝0.85Ω模拟，变容二极管以集总边界的可变电容Cv模拟，Cv分别取0.1pF、0.2pF、0.3pF及0.4pF，入射波垂直照射，在1GHz-8GHz频带范围内进行仿真，计算其S参数。结果如图6(a)、(b)所示，其中，图6(a)为上述实施例2在TE极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的|S21|；图6(b)为本上述实施例2在TM极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的|S21|。
1.4利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例2中的可调谐FSS进行建模，PIN二极管断开状态以集总边界的电容C＝0.21pF模拟，变容二极管以集总边界的可变电容Cv模拟，Cv分别取0.1pF、0.2pF、0.4pF及0.7pF，入射波垂直照射，在1GHz-8GHz频带范围内进行仿真，计算其S参数。结果如图7(a)、(b)所示，其中，图7(a)为上述实施例2在TE极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的|S21|；图7(b)为上述实施例2在TM极化波垂直照射下，不同Cv值对应的随频率变化的|S21|。
2、仿真结果分析：
参照图4(a)和图4(b)，本发明实施例1在PIN二极管导通状态下，当TE极化和TM极化的平面波垂直照射到本发明实施例1表面时，Cv＝0.1pF时，通带中心频点为5.75GHz；Cv＝0.2pF时，通带中心频点移动到4.32GHz；Cv＝0.3pF时，通带中心频点移动到3.66GHz；Cv＝0.4pF时，通带中心频点移动到3.34GHz。TE极化波和TM极化波照射下的仿真曲线基本一致。
参照图5(a)和图5(b)，本发明实施例1在PIN二极管断开状态下，当TE极化和TM极化的平面波垂直照射到本发明实施例1表面时，Cv＝0.1pF时，通带中心频点为3.50GHz；Cv＝0.2pF时，通带中心频点移动到2.80GHz；Cv＝0.4pF时，通带中心频点移动到2.12GHz；Cv＝0.7pF时，通带中心频点移动到1.68GHz。TE极化波和TM极化波照射下的仿真曲线基本一致。
以上图4(a)、(b)和图5(a)、(b)的仿真结果说明，本发明实施例1可以通过控制PIN二极管的通断，并同时调节变容二极管的容值在0.1pF-0.7pF变化，实现通带中心频点在1.68GHz-5.75GHz(109.6％)的宽频带范围内连续可调，同时本发明实施例1结构具有双极化稳定性。
参照图6(a)和图6(b)，本发明实施例2在PIN二极管导通状态下，当TE极化和TM极化的平面波垂直照射到本发明实施例2表面时，Cv＝0.1pF时，通带中心频点为6.84GHz；Cv＝0.2pF时，通带中心频点移动到5.11GHz；Cv＝0.3pF时，通带中心频点移动到4.26GHz；Cv＝0.4pF时，通带中心频点移动到3.72GHz。TE极化波和TM极化波照射下的仿真曲线基本一致。
参照图7(a)和图7(b)，本发明实施例2在PIN二极管断开状态下，当TE极化和TM极化的平面波垂直照射到本发明实施例2表面时，Cv＝0.1pF时，通带中心频点为4.18GHz；Cv＝0.2pF时，通带中心频点移动到3.30GHz；Cv＝0.4pF时，通带中心频点移动到2.57GHz；Cv＝0.7pF时，通带中心频点移动到1.92GHz。TE极化波和TM极化波照射下的仿真曲线基本一致。
以上图6(a)、(b)和图7(a)、(b)的仿真结果说明，本发明实施例2可以通过控制PIN二极管的通断，并同时调节变容二极管的容值在0.1pF-0.7pF变化，实现通带中心频点在1.92GHz-6.84GHz(112.3％)的宽频带范围内连续可调，同时本发明实施例2结构具有双极化稳定性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，由加载PIN二极管和变容二极管的宽频域可调谐带通型频率选择表面构成，包括一层正方形介质板(2)，在介质板(1)上表面印制有上金属贴片(1)、下表面印制有下金属贴片(3)，上金属贴片(1)和下金属贴片(3)上分别加载有PIN二极管(4)和变容二极管(5)；
所述上金属贴片(1)和下金属贴片(3)的结构相互沿中心旋转90°分布；均包括十字形金属贴片、弯折金属条和窄金属条带；所述PIN二极管(4)加载在十字形金属贴片的缝隙中；所述变容二极管(5)加载在弯折金属条的缝隙中；
通过控制PIN二极管通断并同时调节变容二极管的容值，实现谐振频点从较高频点到较低频点再到更低频点的大范围连续可调。
2.根据权利要求1所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，所述上金属贴片(1)包括紧贴横向两侧边缘处的窄金属条带、沿横向中线周期排列的十字形金属贴片、在十字形金属贴片两侧并沿横向直线周期排列的弯折金属条；PIN二极管(4)加载在十字形金属贴片的缝隙中。
3.根据权利要求1所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，所述下金属贴片(3)包括紧贴纵向两侧边缘处的窄金属条带、沿纵向中线周期排列的十字形金属贴片、在十字形金属贴片两侧并沿纵向直线周期排列的弯折金属条；PIN二极管(4)加载在十字形金属贴片的缝隙中。
4.根据权利要求2或3所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，所述十字形金属贴片的外侧开阶梯型口。
5.根据权利要求2或3所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，所述弯折金属条包括弯折段和变容二极管(5)加载段，变容二极管(5)加载在弯折金属条的缝隙中，并相对十字形金属贴片反向对称。
6.根据权利要求5所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，弯折段凸起部和变容二极管(5)加载段与PIN二极管(4)相对应。
7.根据权利要求2或3所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，沿横向和纵向中线周期排列的十字形金属贴片，其中心与整个单元结构的中心重合。
8.根据权利要求2或3所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，沿横向和纵向中线周期排列的十字形金属贴片(13)和(33)，其加载PIN二极管(4)的宽度远大于紧贴单元横向和纵向边缘的窄金属条带(11)和(31)的宽度的两倍。
9.根据权利要求2或3所述的宽频、多频及变频天线覆层，其特征在于，沿横向和纵向直线周期排列的弯折金属条(12)和(32)，其宽度小于沿横向和纵向中线周期排列的十字形金属贴片(13)和(33)的宽度。
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