CN114824820B - 一种基于siw的可调谐频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于SIW的可调谐频率选择表面，属于人工电磁材料技术领域。该频率选择表面结合SIW技术，同时基于变容二极管的电可调特性和液晶的电磁可调特性，引入二阶谐振点，并设计了相匹配的馈电网络结构，通过改变直流馈电值，进而同时改变变容二极管的容值和液晶的相对介电常数，从而实现该材料透波窗口的可调谐。当变容二极管的容值在0.025pF‑0.19pF范围内调节，同时液晶的相对介电常数在2.15‑3.24内范围调节时，该材料的透波窗口的调谐范围为4.6GHz‑5.6GHz，可调范围广，其相对可调带宽为19.6％。

Description

一种基于SIW的可调谐频率选择表面
技术领域
本发明属于人工电磁材料技术领域，具体涉及一种基于SIW的可调谐频率选择表面。
背景技术
上世纪六十年代以来，基于人工周期结构的频率选择表面(frequency selectivesurface，FSS)成为了天线隐身研究中的重要主题之一。FSS是一种人工电磁周期结构，其本质为空间滤波器，但常规的超材料吸波体为被动式吸波，具有一旦制备成型，其吸波特性便无法改变的缺点，工作模式较为单一，难以满足智能隐身系统及复杂多变的电磁环境的要求。随着高技术的快速发展以及军事竞争的日益激烈，要求通信设备需要具备一定的调谐能力、抗干扰能力以及隐身能力等，因此，在变频天线的隐身设计中，可调谐FSS有着巨大潜力与价值。
目前国内外学者针对可调谐FSS的研制多采用PIN二极管、变容二极管、MEMS微机电开关、机械调谐等传统调谐手段，但机械调节手段响应较慢，且可调范围较窄。单独使用变容二极管的调谐能力有限，且作为非线性器件，随着电容值的增加，其频率调谐范围并不是线性变化的。近几年，利用可调材料实现调谐的新型调谐方式逐渐发展起来，常用的可调谐材料包括铁氧体、铁电薄膜材料、石墨烯材料以及液晶材料等，其中，液晶材料正凭借着其自身重量轻、介电常数线性可调、高频损耗小、调谐电压低等优势，被运用在可调谐FSS的设计中。为了进一步拓展可调谐范围，学者们也提出综合使用液晶材料和变容二极管的联合调谐方式，共同发挥液晶以及变容管的频率调谐能力。2018年，哈尔滨工业大学的于吉双提出了一种将液晶单元仅加载在FSS金属层之间的电容性结点处的调谐方法，设计了C波段小型化可调谐FSS，其可调谐范围为10.7％，但调谐范围仍不够高；2021年，电子科技大学的洪孝鹏采用变容二极管与液晶结合的方式设计了一款带阻型可调谐FSS，其调谐范围为11.49GHz-14.2GHz，调谐范围为2.71GHz，但未设计相应的馈电网络；同时，液晶材料的特殊性，使得其对应的馈电网络设计难度较大。
基片集成波导(Substrate integrated waveguide，SIW)技术具有损耗低、集成度高等优点，不仅在许多新型天线设计中具有很大的用途，在过去的几年中，基于SIW技术的频率选择表面(FSS)也得到了广泛的探索。在FSS设计中使用SIW配置的主要优点是在其传输频带中实现一个(或两个)快速滚降边缘，从而提高了FSS的选择性，而且损耗低，便于集成。尽管国内外对于SIW的器件研究已经有了大量的积累，但未有报道利用SIW配置的可调谐的FSS。
因此，如何基于SIW设计频率选择表面，使其具有选择性的同时具有高的可调谐范围，就成为待解决的问题。
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基于SIW的可调谐频率选择表面。该频率选择表面结合SIW技术，同时基于变容二极管的电可调特性和液晶的电磁可调特性，引入二阶谐振点，并设计了相匹配的馈电网络结构，通过改变直流馈电值，进而同时改变变容二极管的容值和液晶的相对介电常数，从而实现该材料透波窗口的可调谐，调谐范围广，同时具有高选择性、损耗低等优势。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于SIW的可调谐频率选择表面，包括n×n个结构单元，所述结构单元从上至下依次为上层FSS层、中间SIW层和下层FSS层；
所述上层FSS层从上至下依次为第一金属层、第一介质层和第二金属层；第一金属层由四个尺寸相同的矩形金属贴片组成，每个矩形金属贴片长边设置两条缝隙，缝隙上分别焊接一个电容和一个变容二极管；第二金属层为正中心设置“十字型”缝隙的方形金属贴片，第二金属层的尺寸和第一介质层尺寸相同，且第一金属层中每个矩形金属贴片的两个缝隙关于“十字型”缝隙的一条臂对称；
所述中间SIW层包括第二介质层、隔离层、液晶和若干个外围金属柱；第二介质基板中心设置“十字型”缝隙，与第二金属层的“十字型”缝隙上下重叠，第二介质层内部加载液晶，且液晶不与外围金属柱接触；所述若干个外围金属柱尺寸相同，均匀设置于第二介质层的边缘，外围金属柱为实心半圆柱，且直径与第二介质层边缘重合，高度与第二介质层厚度相等，相邻两个外围金属柱之间的距离相等，外围金属柱与第二介质层共同构成SIW谐振腔，用于屏蔽相邻结构单元间的电磁传播；所述隔离层设置于外围金属柱的上下表面，用于防止馈电时短路；
所述下层FSS层与上层FSS层结构相同，从上至下依次为第三金属层、第三介质层和第四金属层；
所述可调谐频率选择表面还包括馈电结构，所述馈电结构包括两个金属馈电圆柱和馈电线；所述两个金属馈电圆柱分别设置于第一介质层中心和第三介质层中心，用于给电容与变容二极管的馈电；所述馈电线设置于第一金属层和第四金属层的表面，两层金属层表面均设置4条子馈电线，每一条子馈电线均连接第一金属层和第四金属层中缝隙之间的矩形金属贴片，且不与第二金属层的“十字型”缝隙重叠，其中，两条相邻的子馈电线延伸至第一介质层的同一侧边缘。
进一步地，结构单元的个数n≥8。
进一步地，所述隔离层为绿油。
进一步地，所述可调谐频率选择表面馈电具体过程为：在第二金属层表面和第三金属层表面分别加载正负电压对液晶进行馈电；变容二极管通过金属馈电圆柱与馈电线进行馈电。
进一步地，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层长宽尺寸均相同，优选为30mm×30mm。
进一步地，所述第一介质层和第三介质层的材料均为RogersRO4350B，厚度均为0.508mm；第二介质层的材料是Taconic TLY5，厚度为1mm。
进一步地，所有的变容二极管型号相同，所有的电容型号相同。
进一步地，所述第一金属层与第三金属层中设置的电容的容值为1pF，封装为0402；变容二极管选用的型号为MAVR0110201141，其电容变化范围为0.025pF-0.19pF。
进一步地，所述第二介质层中液晶的相对介电常数可调范围为2.15-3.24，损耗角正切为0.002。
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.本发明可调谐频率选择表面结合了SIW技术，同时基于变容二极管的电可调特性和液晶的电磁可调特性进行设计，使FSS在实现可调谐的同时具有高选择性、损耗低等优势；并且，可调谐FSS采用三个二维结构组合而成，均可由印刷PCB板实现，成本低、加工简单。
2.本发明可调谐FSS可通过改变直流馈电值，进而同时改变变容二极管的容值和液晶的相对介电常数，从而实现该材料透波窗口的可调谐，实现调谐手段简单，且设计了相匹配的馈电网络，对结构性能影响很小。当变容二极管的容值在0.025pF-0.19pF范围内调节，同时液晶的相对介电常数在2.15-3.24内范围调节时，该材料的透波窗口的调谐范围为4.6GHz--5.6GHz，可调范围广，其相对可调带宽为19.6％。
附图说明
图1为本发明可调谐FSS的单元结构示意图。
图2为本发明可调谐FSS的单元结构分层示意图。
图3为本发明上层FSS层中的金属层结构示意图；
其中，(a)为第一金属层结构示意图；(b)为第二金属层结构示意图。
图4为本发明中间SIW层的结构示意图。
图5为本发明可调谐FSS的馈电结构中的馈电线结构示意图。
图6为本可调谐FSS的频率响应仿真结果图；
其中，(a)为S21结果图；(b)为S11结果图。
图7为本可调谐FSS在液晶相对介电常数不变，变容二极管容值改变仿真结果图；
其中，(a)为S21结果图；(b)为S11结果图。
图8为本可调谐FSS在变容二极管容值不变，液晶相对介电常数改变仿真结果图；
其中，(a)为S21结果图；(b)为S11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。
一种基于SIW的可调谐频率选择表面，包括n×n个结构单元，结构单元示意图如图1所示，分层示意图如图2所示，结构单元从上至下依次为上层FSS层(1)、中间SIW层(6)与下层FSS层(10)。
所述上层FSS层(1)从上至下依次为第一金属层、第一介质层(4)和第二金属层(5)；第一金属层的结构示意图如图3(a)所示，由四个尺寸相同的矩形金属贴片(2)组成，每个矩形金属贴片长边对称设置两条缝隙，缝隙上分别焊接一个电容和一个变容二极管，电容用作隔直器件以避免短路；第二金属层(5)为正中心设置“十字型”缝隙的方形金属贴片，第二金属层的尺寸和第一介质层尺寸相同，且第一金属层中每个矩形金属贴片的两个缝隙关于“十字型”缝隙的一条臂对称；第一介质层中间有金属馈电圆柱(3)，半径为0.3mm，用于上层电容与变容二极管的馈电；
所述中间SIW层(6)的结构示意图如图4所示，包括第二介质层(7)、隔离层、液晶(8)和若干个外围金属柱(9)；第二介质层(7)中心设置“十字型”缝隙，与第二金属层的“十字型”缝隙上下重叠，第二介质层内部加载液晶(8)，且液晶(8)不与外围金属柱(9)接触；所述若干个外围金属柱(9)尺寸相同，均匀设置于第二介质层的边缘，外围金属柱(9)为实心半圆柱，且直径与第二介质层边缘重合，高度与第二介质层厚度相等，相邻两个外围金属柱之间的距离相等，外围金属柱与第二介质层共同构成SIW谐振腔，用于屏蔽相邻结构单元间的电磁传播；第二介质层(7)外围金属柱的上下表面覆盖绿油(隔离层)，防止金属电极短路；
所述下层FSS层(10)与上层FSS层结构相同，从上至下依次为第三金属层、第三介质层和第四金属层；第三金属层由四个矩形金属贴片组成，每个矩形金属贴片上分别焊接一个电容和变容二极管，四个矩形金属贴片上焊接的变容二极管和电容型号相同；所述第四金属层为一个带有十字缝隙的金属贴片；所述第三介质层中心有金属馈电圆柱，用于给第三金属层的电容与变容二极管的馈电；
所述可调谐频率选择表面还包括馈电结构，所述馈电结构包括两个金属馈电圆柱和馈电线；两个金属馈电圆柱分别设置于第一介质层和第三介质层中心，用于电容与变容二极管的馈电；所述馈电线的结构如图5所示，设置第一金属层和第四金属层的表面，两层金属层表面均设置4条子馈电线，每一条子馈电线均连接第一金属层和第四金属层中缝隙之间的矩形金属贴片，且不与第二金属层的“十字型”缝隙重叠，其中，两条相邻的子馈电线延伸至第一介质层的同一侧，与边缘馈电线连接。
实施例1
上层FSS层尺寸为30mm×30mm，第一金属层中矩形金属贴片长度为7.1mm，宽度为0.8mm，缝隙宽度为0.4mm；电容的容值为1pF，封装为0402；变容二极管选用的型号为MAVR0110201141，其电容变化范围为0.025pF-0.19pF；第二金属层上“十字型”缝隙的长度为22mm，宽度为1.1mm；第一介质层(4)的材料为RogersRO4350B，具体参数为：εr＝3.48，tanσ＝0.0037，厚度为0.508mm；
第二介质层(7)尺寸为30mm×30mm，材料为Taconic TLY5，具体参数为εr＝2.2，tanσ＝0.0009，厚度为1mm；液晶相对介电常数可调范围为2.42-3.2，损耗角正切为0.002；外围金属柱的半径为0.6mm；
金属馈电圆柱(3)半径为0.3mm，高度为0.508mm；馈电线(11)线宽0.2mm。
图6为本发明可调谐FSS加载馈电网络后在电磁仿真软件中，采用周期边界条件，电磁波垂直入射时的电磁仿真结果图，横坐标为频率，纵坐标为S参数。从图中可以看出，当变容二极管的容值在0.025pF-0.19pF范围内调节，同时液晶的相对介电常数在2.15-3.24内范围调节时，该材料的透波窗口发生移动。随着变容二极管和液晶相对介电常数均增大时，透波窗口往低频方向移动，透波窗口的的调谐范围为4.6GHz-5.6GHz，其相对可调带宽为19.6％，调谐范围广。
图7为本发明可调谐FSS在液晶相对介电常数不变，变容二极管容值发生变化时，该材料的反射系数S11和透射系数S21仿真结果图。通过仿真结果可以看出，当液晶相对介电常数为2.42不变，变容二极管容值在0.025pF～0.19pF范围内发生改变时，非尖锐边带处的谐振频点发生移动。随着变容二极管容值增大，非尖锐边带处的谐振频点向低频移动。此时，尖锐边带处的谐振频点几乎不发生移动。
图8为本发明可调谐FSS在变容二极管容值不变，液晶相对介电常数发生变化时，该材料的反射系数S11(b)和透射系数S21(a)仿真结果图。由仿真结果可知，当变容二极管容值为0.19pF不变，液晶相对介电常数在2.42-3.2范围内发生改变时，尖锐边带处的谐振频点发生移动。随着液晶相对介电常数变大，尖锐边带处的谐振频点向低频移动。此时，非尖锐边带处的谐振频点几乎不发生移动。
综上可知，非尖锐边带是由变容二极管的容值影响，尖锐边带是由加载液晶的SIW谐振腔影响。由此，可以通过同时改变变容二极管和液晶的相对介电常数，从而实现该材料透波窗口的可调谐。本发明所提出的可调谐FSS可控制透波窗口的调谐范围，优于已有报道的文献资料；且可调谐FSS单元结构的尺寸为30mm×30mm，具有小型化特性。
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 (9)

1.一种基于SIW的可调谐频率选择表面，其特征在于，包括 n × n 个结构单元，所述结构单元从上至下依次为上层FSS层、中间SIW层和下层FSS层；
所述上层 FSS层从上至下依次为第一金属层、第一介质层和第二金属层；第一金属层由四个尺寸相同的矩形金属贴片组成，每个矩形金属贴片长边设置两条缝隙，缝隙上分别焊接一个电容和一个变容二极管；第二金属层为正中心设置“十字型”缝隙的方形金属贴片，第二金属层的尺寸和第一介质层尺寸相同，且第一金属层中每个矩形金属贴片的两个缝隙关于“十字型”缝隙的一条臂对称；
所述中间SIW层包括第二介质层、隔离层、液晶和若干个外围金属柱；第二介质基板中心设置“十字型”缝隙，与第二金属层的“十字型”缝隙上下重叠，第二介质层内部加载液晶，且液晶不与外围金属柱接触；所述若干个外围金属柱尺寸相同，均匀设置于第二介质层的边缘，外围金属柱为实心半圆柱，且直径与第二介质层边缘重合，高度与第二介质层厚度相等，相邻两个外围金属柱之间的距离相等，外围金属柱与第二介质层共同构成SIW谐振腔，用于屏蔽相邻结构单元间的电磁传播；所述隔离层设置于外围金属柱的上下表面，用于防止馈电时短路；
所述下层 FSS 层与上层 FSS层结构相同，从上至下依次为第三金属层、第三介质层和第四金属层；
所述可调谐频率选择表面还包括馈电结构，所述馈电结构包括两个金属馈电圆柱和馈电线；所述两个金属馈电圆柱分别设置于第一介质层中心和第三介质层中心，用于给电容与变容二极管的馈电；所述馈电线设置于第一金属层和第四金属层的表面，两层金属层表面均设置4条子馈电线，每一条子馈电线均连接第一金属层和第四金属层中缝隙之间的矩形金属贴片，且不与第二金属层的“十字型”缝隙重叠，其中，两条相邻的子馈电线延伸至第一介质层的同一侧边缘。
2.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，结构单元的个数n≥8。
3.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所述隔离层为绿油。
4.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所述可调谐频率选择表面馈电具体过程为：在第二金属层表面和第三金属层表面分别加载正负电压对液晶进行馈电；变容二极管通过金属馈电圆柱与馈电线进行馈电。
5.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层长宽尺寸均相同，为30mm×30mm。
6.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层和第三介质层的材料均为RogersRO4350B，厚度均为0.508mm；第二介质层的材料是Taconic TLY5，厚度为1mm。
7.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所有的变容二极管型号相同，所有的电容型号相同。
8.如权利要求7所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所述第一金属层与第三金属层中设置的电容的容值为1pF，封装为0402；变容二极管选用的型号为MAVR0110201141，其电容变化范围为0.025pF-0.19pF。
9.如权利要求1所述的可调谐频率选择表面，其特征在于，所述第二介质层中液晶的相对介电常数可调范围为2.15-3.24，损耗角正切为0.002。
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