CN114824812B - 一种基于多层结构的超宽带能量选择表面 - Google Patents

一种基于多层结构的超宽带能量选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多层结构的超宽带能量选择表面，包括三层介质基板，相邻层介质基板之间具有一定的间隔；位于顶层的第一介质基板上设置有顶层金属结构，位于中间层的第二介质基板上设置有中间层金属结构，位于底层的第三介质基板上设置的底层金属结构与第一介质基板上设置的顶层金属结构、尺寸完全相同，通过设计介质基板上的金属结构，使得本发明具有频率选择和能量选择双重特性：在频域上，其可选择性低衰减透过设定的超宽频带内的信号，而对于设定频带外的信号则具有较大的衰减量；在能量域上，其可根据入射电场能量大小动态改变频带内和频带外信号透过时的衰减量，使得透过能量选择表面的信号能量低于限值，保障后级电路的正常工作。

Description

一种基于多层结构的超宽带能量选择表面
技术领域
本发明属于能量选择表面技术领域，特别涉及一种基于多层结构的超宽带能量选择表面。
背景技术
天线作为无线通信系统中的必要组成部分，在现代通信中具有重要地位。对于实际通信系统，通常需要在天线前端对接收信号进行一定的滤波，形成一定的抗干扰能力。频率选择结构和能量选择表面是应用于天线前端滤波的两种技术手段。频率选择结构是一种具有空间滤波特性的二维或三维周期结构组成的超表面，其对电磁波的频率具有不同的选择特性。而能量选择表面是一种具有频率选择和能量选择双重特性的超表面结构，其一般由金属结构和非线性器件组成。其中PIN二极管具有价格低、响应快、加工方便等优势，是一种常用的非线性器件。
在微波领域中，能量选择表面可用于制作天线罩，达到天线隐身和屏蔽的效果。随着频谱资源的日益紧张，高选择性的能量选择表面越来越成为一种研究热点。传统的能量选择表面通常具有较为平缓的带外抑制，无法提供良好的信号过滤的效果。准椭圆滤波传输特性具有良好的带外抑制效果，可以用来设计具有较高频率选择性的能量选择表面。同时，在能量域上，往往需要能量选择表面可以在较宽的频带内根据入射波能量的强弱自适应改变自身工作状态，阻止宽通带内的大功率信号透过，以应对复杂的工作环境。
现有能量选择表面技术公开号为113644449A的发明专利申请中提出了一种基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，其利用双层金属结构级联，并在上层金属结构上加载PIN二极管，实现了可以在X波段透射、反射可电控切换的频率选择结构。但上述可重构频率选择结构在工作频带外的抑制度不够，不能提供良好的频率选择性，并且，电控切换工作状态所需时间长。
从公开的文献来看，目前还没有提出将宽透波频带、高带外抑制与能量选择相结合的思路。而目前的通信系统面临的电磁环境日益复杂，需要能量选择表面在低能量信号入射时具有较宽的透波频带、良好的带外抑制，以及在高能量信号入射时具有较宽的屏蔽频带、良好的屏蔽效果。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于多层结构的超宽带能量选择表面，旨在同时实现宽的透波频带、良好的带外抑制以及宽的屏蔽频带，在低能量信号入射时实现超宽带准椭圆滤波特性，在高能量信号入射时实现较宽的屏蔽频带和良好的屏蔽效果。
为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
基于多层结构的超宽带能量选择表面，包括三层介质基板，所述三层介质基板之间通过支撑单元支撑，相邻层介质基板之间具有一定的间隔；
位于顶层的第一介质基板上设置有顶层金属结构，顶层金属结构为上下、左右对称结构，顶层金属结构包括两条金属条和两块长方形金属贴片，两条金属条纵向相对设置，在两条金属条之间的区域内横向相对设置有两块长方形金属贴片，两块长方形金属贴片之间纵向加载一个PIN二极管；
位于中间层的第二介质基板上设置有中间层金属结构，中间层金属结构为上下、左右对称结构，中间层金属结构包括一个金属方框和设置在金属方框内部区域的四个长方形金属贴片、两个T字形金属贴片，两个T字形金属贴片横向相对设置且两T字形金属贴片的纵向金属边的端头分别对应连接在金属方框其两横向边框的中部，四个长方形金属贴片分别设置在两个T字形金属贴片的左右两侧的半包围区域内，位于左上方的长方形金属贴片与其下方对应的T字形金属贴片的横向金属边之间加载一个PIN二极管，位于右下方的长方形金属贴片与其上方对应的T字形金属贴片的横向金属边之间加载一个PIN二极管；
位于底层的第三介质基板上设置的底层金属结构与第一介质基板上设置的顶层金属结构的结构、尺寸完全相同。
进一步地，本发明中所述支撑单元的结构形式不限，如采用柱式支撑，所述支撑单元为绝缘材料制成的支撑柱。
进一步地，本发明中相邻层介质基板之间为空气间隔。
进一步地，本发明中所述介质基板选用Rogers 5880。
进一步地，本发明中三个介质基板均为方形且边长相同。
进一步地，本发明中三个介质基板的厚度相同，相邻介质基板之间的间隔相等。
进一步地，本发明所述顶层金属结构整体呈边长为p的方形，两条金属条的长度为p，两条金属条分别作为顶层金属结构的左、右侧边，位于上方的长方形金属贴片的上侧边与顶层金属结构的上侧边齐平，位于下方的长方形金属贴片的下侧边与顶层金属结构的下侧边齐平。
进一步地，本发明所述中间层金属结构中，金属方框的边长为p，金属方框采用宽度相同的金属条围合而成，各长方形金属贴片的纵向中心与中间层金属结构其纵向中心线的距离为p/4。
进一步地，本发明所述超宽带能量选择表面具有6-10GHz的传输通带，相对带宽为50％，且在11.6GHz频点处具有一个传输零点。
另一方面，本发明提供一种超宽带能量选择表面，包括呈周期排布成阵列形式的多个上述任一种基于多层结构的超宽带能量选择表面。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提出一种具有准椭圆滤波特性的基于多层结构的超宽带能量选择表面，具有频率滤波和能量滤波的双重特性，可用于通信前端的天线罩。
本发明提出的基于多层结构的超宽带能量选择表面具有频率选择和能量选择的双重特性。在频域上，其相当于空间滤波器，能够选择透过工作频带内的入射波，并在带外产生一个传输零点，形成准椭圆滤波的传输特性，提高频率选择性；在能量域上，其在低能量信号入射时，能够形成上述准椭圆滤波传输特性，而当入射波能量超过一定门限时，其能够自适应切换状态，屏蔽工作频带内的入射波，防止高能量信号通过天线进入信号通道。
本发明结构简单，加工方便，可广泛应用于通信系统射频前端天线的屏蔽和隐身，对促进我国天线罩的发展具有重要意义。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的结构示意图；
图2是本发明一实施例的顶层结构示意图；
图3为本发明一实施例的中间层结构示意图；
图4为本发明一实施例的底层的结构示意图；
图5是本发明一实施例中的基于多层结构的超宽带能量选择表面在低能量信号入射时的等效电路图；
图6是本发明一实施例中的基于多层结构的超宽带能量选择表面在高能量信号入射时的等效电路图；
图7是本发明一实施例中的基于多层结构的超宽带能量选择表面在低能量信号和高能量入射时的传输系数示意图；
图8是本发明一实施例中超宽带能量选择表面的结构示意图；
图9是本发明一实施例中超宽带能量选择表面的主视图；
图中标号：
100、第一介质基板；101、顶层金属结构；102、第一金属条；103、第一长方形金属贴片；104、第二长方形金属贴片；105、第一PIN二极管；
200、第二介质基板；201、中间层金属结构；202、第三长方形金属贴片；203、第四长方形金属贴片；204、第五长方形金属贴片；205、第六长方形金属贴片；206、第一T字形金属贴片；207、第二T字形金属贴片；208、第二PIN二极管；209、第三PIN二极管；210、金属方框；
300、第三介质基板；301、底层金属结构；302、第二金属条；303、第七长方形金属贴片；304、第八长方形金属贴片；305、第四PIN二极管；
400、空气间隔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在一实施例中，参照图1至4，提供一种基于多层结构的超宽带能量选择表面，包括三层介质基板，分别为第一介质基板100、第二介质基板200和第三介质基板300。所述三层介质基板之间通过支撑单元(图中未示出)支撑，相邻层介质基板之间具有一定的间隔，具体为空气间隔400，即相邻层介质基板之间填充的是空气。关于支撑单元的设置方式以及支撑结构不限，可根据具体实施例灵活选择，如采用柱式支撑，所述支撑单元为绝缘材料制成的支撑柱。可在各层介质基板的四个角上加工四个过孔，利用过孔和支撑柱将三层介质基板进行分隔。支撑柱可以采用塑料材质，直径在可根据具体实施例灵活选择。
参照图2，一实施例中，位于顶层的第一介质基板100上设置有顶层金属结构101，顶层金属结构101为上下、左右对称结构，顶层金属结构101包括两条第一金属条102和两块长方形金属贴片，两块长方形金属贴片分别为第一长方形金属贴片103和第二长方形金属贴片104。两条第一金属条102纵向相对设置，在两条第一金属条102之间的区域内横向相对设置有第一长方形金属贴片103和第二长方形金属贴片104，第一长方形金属贴片103和第二长方形金属贴片104之间纵向加载一个第一PIN二极管105。
参照图3，一实施例中，位于中间层的第二介质基板200上设置有中间层金属结构201，中间层金属结构201为上下、左右对称结构，中间层金属结构201包括一个金属方框210和设置在金属方框210内部区域的四个长方形金属贴片、两个T字形金属贴片，两个T字形金属贴片分别为第一T字形金属贴片206和第二T字形金属贴片207。第一T字形金属贴片206和第二T字形金属贴片207横向相对设置，位于上方的第一T字形金属贴片206的纵向金属边的端头对应连接在金属方框210其上侧横向边框的中部，位于下方的第二T字形金属贴片207的纵向金属边的端头对应连接在金属方框210其下侧横向边框的中部。四个长方形金属贴片分别设置在两个T字形金属贴片的左右两侧的半包围区域内。其中四个长方形金属贴片分别为分布在左上方、右上方、左下方和右下方的第三长方形金属贴片202、第四长方形金属贴片203、第五长方形金属贴片204和第六长方形金属贴片205。位于左上方的第三长方形金属贴片202与其对应的第一T字形金属贴片206的横向金属边之间加载有第二PIN二极管208，位于右下方的第六长方形金属贴片205与其对应的第二T字形金属贴片207的横向金属边之间加载有第三PIN二极管209。
参照图4，一实施例中，位于底层的第三介质基板300上设置有底层金属结构301，底层金属结构301与第一介质基板100上设置的顶层金属结构101的结构、尺寸完全相同。即，底层金属结构301为上下、左右对称结构，底层金属结构301包括两条第二金属条302和两块长方形金属贴片，两块长方形金属贴片分别为第七长方形金属贴片303和第八长方形金属贴片304。两条第二金属条302纵向相对设置，在两条第二金属条302之间的区域内横向相对设置有第七长方形金属贴片303和第八长方形金属贴片304，第七长方形金属贴片303和第八长方形金属贴片304之间纵向加载第四PIN二极管305。
参照图1至4，第一PIN二极管105、第二PIN二极管208、第三PIN二极管209以及第四PIN二极管305的正负极方向一致。
本发明中上述三层金属结构之间存在电磁耦合。本发明是针对线极化电磁波的能量选择表面，可对工作极化的电磁波进行响应，而不影响与之垂直极化的电磁波。本发明提出的能量选择表面在不同的入射信号功率下具有不同的传输特性。在入射电磁波能量较小时，各PIN二极管零偏，能量选择表面选择性低衰减地透过设定频带内的信号，具有超宽带准椭圆滤波的空间滤波功能，带内插入损耗小于1dB。当入射电磁波能量超过设计阈值时，各PIN二极管正偏，能量选择表面自适应提高信号透过时的衰减量，透波带被关闭，带内信号被屏蔽在能量选择表面之外，从而保护后级电路。
参照图1、图2、图3和图4，三层介质基板材质、形状、尺寸均相同，厚度均为h1，相邻介质基板之间的间隔均为h2。h1可根据加工基材的常用厚度，优选值为0.254mm。h2的值在2-3mm之间，优选值为2.5mm。
顶层金属结构101整体呈边长为p的方形，两条第一金属条102的长度为p，两条第一金属条102分别作为顶层金属结构101的左、右侧边，位于上方的第一长方形金属贴片103的上侧边与顶层金属结构101的上侧边齐平，位于下方的第二长方形金属贴片104的下侧边与顶层金属结构101的下侧边齐平。第一金属条102的宽度为w2，第一长方形金属贴片103和第二长方形金属贴片104的宽度均为w1，第一长方形金属贴片103和第二长方形金属贴片104之间的间距为d1。w1的范围在4-6mm之间，优选为5mm。d1在1.5-2mm之间。w2在0.1-0.2mm之间，优选为0.1mm，可根据PCB加工精度确定。
中间层金属结构201中，金属方框210的边长为p，金属方框210采用宽度相同的金属条围合而成，各长方形金属贴片的纵向中心与中间层金属结构其纵向中心线的距离为p/4。第三长方形金属贴片202、第四长方形金属贴片203、第五长方形金属贴片204和第六长方形金属贴片205尺寸相同，长度均为l1，宽度均为w3。中间层金属结构201中的各长方形金属贴片与相邻的T字形金属贴片的横向金属边之间的间隔均为d3，第三长方形金属贴片202、第四长方形金属贴片203与金属方框上侧横向边框的距离均为d4，第五长方形金属贴片204和第六长方形金属贴片205与金属方框下侧横向边框的距离均为d4。各T字形金属贴片的纵向金属条的宽度为w4。各T字形金属贴片的横向金属条的长度为l2，宽度为w5。两T字形金属贴片之间的间隔为d2，金属方框210的宽度为w6。上述各个参数，可以合理设定。
在优选实施例中，l1可根据p、d2、d3、d4、w5、w6确定，具体地l1＝p/2-d2/2-d3-d4-w5-w6。
在优选实施例中，w3的值在1-1.5mm之间。d3等于d4，范围在0.2-0.3mm之间，优选为0.25mm。w4的优选值为1.5mm。l2的值在5-6mm之间。w5的值在0.1-0.3mm之间。d2的值在1-1.5mm之间。w6的值在0.2-0.5mm之间。
本发明工作在C波段和X波段，能够根据入射电磁波能量自适应改变自身传输特性，在不影响正常工作信号的同时，自适应的屏蔽高能量的入射波，保护后级电路安全。
本发明利用PIN二极管的开关特性实现基于多层结构的超宽带能量选择表面的可重构特性。当入射电磁波能量较小时，各PIN二极管处于零偏状态，能量选择表面可以低插损的传输入射波，各PIN二极管可以等效为一个电容C_d，此时上层金属结构和下层金属结构可分别等效为一个电感电容并联电路，形成传输极点。而中间层金属结构可以等效为多个电感电容的串并联形式，可以同时产生传输极点和传输零点。如图5所示，三层金属结构等效的电路成并联状态。此时的电路相当于一种三阶准椭圆带通滤波器，具有三个传输极点和一个传输零点。通过能量选择表面尺寸优化，可以利用三个传输极点实现超宽带的透波频带；将传输零点设计在传输极点后方，可以实现带外陡降特性，提高频率选择性。
当入射电磁波的能量超过一定的限度时，PIN二极管两端的感应电压超过PIN二极管的导通门限，PIN二极管导通，能量选择表面传输特性改变，如图6所示，此时各PIN二极管相当于一个阻值较小的电阻R_d。上、下层金属结构表现为电感与电阻的并联，原有谐振被破坏，传输极点消失。中间层金属结构的PIN二极管同样相当于一个阻值较小的电阻R_d，传输零点和传输极点同样遭到破坏。因而，在感应到高能量的入射波时，整体结构自适应提高信号透过时的衰减量，可以形成全频带的屏蔽效果，保护后级电路不受破坏。
本发明中的二极管型号可以利用其它具有开关特性的半导体二极管代替。
本发明中采用的介质基板型号不限，优选地采用Rogers 5880，介电常数2.2，厚度0.254毫米，基于多层结构的超宽带能量选择表面中的具体尺寸参数可根据应用频段进行适当调整。
在一具体实施例中，所提供的基于多层结构的超宽带能量选择表面，采用图1至4中所示结构，介质基板选用Rogers 5880。其他参数由表1给出(单位：mm)：
表1
对上述实施例中的基于多层结构的超宽带能量选择表面仿真模拟，说明本发明的有效性。上述实施例中的基于多层结构的超宽带能量选择表面在低能量信号和高能量信号入射时的传输衰减如图7所示，其中，实线代表低能量信号入射下的传输衰减，虚线代表高能量信号入射下的传输衰减。可以看出，在低能量信号入射时，基于多层结构的超宽带能量选择表面具有6-10GHz的传输通带，相对带宽为50％，传输损耗在6-10GHz内小于1dB，并且在11.6GHz处具有一个传输零点，零点深度达60dB，从而有效提高了其频率选择特性。在高能量信号入射时，基于多层结构的超宽带能量选择表面在工作频带内(6-10GHz)的屏蔽效能达到20dB以上，并且在2-16GHz的超宽频带内具有10dB以上的屏蔽效能。这有效提高了能量选择表面后级电路应对高能量辐照波的能力。
本发明首次实现了能量选择表面在宽透波频带、高带外抑制和自适应重构上的结合，能够在低能量信号入射时具有准椭圆滤波带通传输特性，带内插入损耗小于1dB，带外高频段具有一个传输零点，提高了频率选择特性；在高能量信号入射时在工作频带内具有20dB以上的屏蔽效能，以及2-16GHz超宽频带内具有10dB以上的屏蔽效能。
参照图8和图9，一实施例中提供一种超宽带能量选择表面，包括呈周期排布成阵列形式的多个上述任一种基于多层结构的超宽带能量选择表面。图8和9中的超宽带能量选择表面，是由3×3个基于多层结构的超宽带能量选择表面周期排布成阵列形式。在实际应用中，不限于3×3个基于多层结构的超宽带能量选择表面，数量可以更多。在超宽带能量选择表面中，相邻基于多层结构的超宽带能量选择表面中的各PIN二极管的正负方向一致。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，包括三层介质基板，所述三层介质基板之间通过支撑单元支撑，相邻层介质基板之间具有一定的间隔；
位于顶层的第一介质基板上设置有顶层金属结构，顶层金属结构为上下、左右对称结构，顶层金属结构包括两条金属条和两块长方形金属贴片，两条金属条纵向相对设置，在两条金属条之间的区域内横向相对设置有两块长方形金属贴片，两块长方形金属贴片之间纵向加载一个PIN二极管；
位于中间层的第二介质基板上设置有中间层金属结构，中间层金属结构为上下、左右对称结构，中间层金属结构包括一个金属方框和设置在金属方框内部区域的四个长方形金属贴片、两个T字形金属贴片，两个T字形金属贴片横向相对设置且两T字形金属贴片的纵向金属边的端头分别对应连接在金属方框其两横向边框的中部，四个长方形金属贴片分别设置在两个T字形金属贴片的左右两侧的半包围区域内，位于左上方的长方形金属贴片与其下方对应的T字形金属贴片的横向金属边之间加载一个PIN二极管，位于右下方的长方形金属贴片与其上方对应的T字形金属贴片的横向金属边之间加载一个PIN二极管；
位于底层的第三介质基板上设置的底层金属结构与第一介质基板上设置的顶层金属结构的结构、尺寸完全相同。
2.根据权利要求1所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，所述支撑单元为绝缘材料制成的支撑柱。
3.根据权利要求1所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，相邻层介质基板之间为空气间隔。
4.根据权利要求1所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，所述介质基板选用Rogers 5880。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，三个介质基板均为方形且边长相同。
6.根据权利要求5所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，三个介质基板的厚度相同，相邻介质基板之间的间隔相等。
7.根据权利要求6所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，顶层金属结构整体呈边长为p的方形，两条金属条的长度为p，两条金属条分别作为顶层金属结构的左、右侧边，位于上方的长方形金属贴片的上侧边与顶层金属结构的上侧边齐平，位于下方的长方形金属贴片的下侧边与顶层金属结构的下侧边齐平。
8.根据权利要求7所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，中间层金属结构中，金属方框的边长为p，金属方框采用宽度相同的金属条围合而成，各长方形金属贴片的纵向中心与中间层金属结构其纵向中心线的距离为p/4。
9.根据权利要求1或2或3或4或6或7或8所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面，其特征在于，所述基于多层结构的超宽带能量选择表面具有6-10GHz的传输通带，相对带宽为50％，且在11.6GHz频点处具有一个传输零点。
10.超宽带能量选择表面，其特征在于，包括呈周期排布成阵列形式的多个权利要求1所述的基于多层结构的超宽带能量选择表面。
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