CN115603061A

CN115603061A - 一种三维超宽带能量选择表面

Info

Publication number: CN115603061A
Application number: CN202211508005.6A
Authority: CN
Inventors: 田涛; 刘培国; 黄贤俊; 毋召锋; 邓博文; 查淞; 刘晨曦
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2042-11-29
Also published as: CN115603061B

Abstract

本发明涉及一种三维超宽带能量选择表面，包括：多层单元组件；单元组件包括：介质基板和表面周期单元；表面周期单元包括：中心对称的贴片金属结构和两个PIN二极管；贴片金属结构包括：两个主体部分，用于连接两个主体部分的连接部分；连接部分呈长条状结构，且连接部分与主体部分平行且具有间隔的设置于两个主体部分之间；连接部分相对的两端分别与两个主体部分相连接；两个PIN二极管分别与两个主体部分相连接，且两个PIN二极管的正负连接方向是相反的；沿连接部分的长度方向，两个PIN二极管具有间隔的设置，且连接部分处于两个PIN二极管之间；沿连接部分的宽度方向，两个PIN二极管位于连接部分的相对两侧。

Description

一种三维超宽带能量选择表面

技术领域

本发明涉及能量选择表面技术领域，尤其涉及一种三维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。频率选择表面和能量选择表面是应用于天线前端滤波的两种技术手段。频率选择表面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。而能量选择表面是在传统频率选择表面的基础上加载非线性器件，形成的一种具有频率滤波和能量滤波双重特性的超表面结构。能量选择表面基于场致阻抗变化原理，可在不同的场强下实现高低阻抗的切换，从而产生两种状态，透波状态和防护状态，其中透波状态可以让频带内的信号正常透过，而防护状态可以将频带内的信号屏蔽在能量选择表面之外。

在微波领域中，能量选择表面可用于制作天线罩，达到天线隐身和防护的效果。随着超宽带技术的飞速发展，电子信息系统的用频波段越来越宽，超宽带能量选择表面的需求也日益紧迫。例如，中国专利CN109451718B公开了一种超宽带能量选择表面，其中所设计的方案即为二维超宽带能量选择表面，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51%的相对带宽。中国专利CN112117546B公开了一种C波段超宽带能量选择表面，该方案中利用三层金属结构级联，并在上下两层金属结构上加载PIN二极管，实现了67%的相对带宽。

但在上述现有的能量选择表面中，其在结构维度上都是二维的，其结构垂直于入射面。而二维结构谐振方式有限，只能产生有限的频率响应，很难实现宽带防护的要求。基于多层金属结构级联的二维能量选择表面则受限于所加载的非线性元器件，很难在很宽的频带内实现高低阻抗的切换，所以其工作带宽同样受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维超宽带能量选择表面，解决二维能量选择表面工作带宽受限的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种三维超宽带能量选择表面，包括：多个单元组件；

所述单元组件包括：介质基板和设置在所述介质基板上的表面周期单元；

在所述介质基板上，所述表面周期单元规则排布形成阵列，且相邻的所述表面周期单元相互连接；

所述表面周期单元包括：中心对称的贴片金属结构和连接在所述贴片金属结构上的两个PIN二极管；

所述贴片金属结构包括：两个主体部分，用于连接两个所述主体部分的连接部分；

所述连接部分呈长条状结构，且所述连接部分与所述主体部分平行且具有间隔的设置于两个所述主体部分之间；

所述连接部分相对的两端分别与两个所述主体部分相连接；

两个所述PIN二极管分别与两个所述主体部分相连接，且两个所述PIN二极管的正负连接方向是相反的；

沿所述连接部分的长度方向，两个所述PIN二极管具有间隔的设置，且所述连接部分处于两个所述PIN二极管之间；

沿所述连接部分的宽度方向，两个所述PIN二极管位于所述连接部分的相对两侧。

根据本发明的一个方面，两个所述主体部分相对的第一侧边为阶梯状侧边；

两个所述主体部分的第一侧边的第一台阶端与所述连接部分相对的两端分别固定连接。

根据本发明的一个方面，所述主体部分的所述第一侧边上还具有第二台阶端；

两个所述主体部分和所述连接部分之间分别围成两个中心对称的阶梯状凹槽；

所述阶梯状凹槽一端为以所述第一台阶端封闭的封闭端，另一端为开口端；

所述阶梯状凹槽包括：第一凹槽部分和宽度大于所述第一凹槽部分的第二凹槽部分；

所述第一凹槽部分的一端以所述第一台阶端封闭构成所述封闭端；

所述PIN二极管设置在所述第一凹槽部分的开口端。

根据本发明的一个方面，沿所述连接部分的长度方向，第一个所述阶梯状凹槽的第一凹槽部分的封闭端与第二个所述阶梯状凹槽的第一凹槽部分的开口端之间的距离满足：0 mm≤d≤0.6mm。

根据本发明的一个方面，所述第一凹槽部分的宽度满足:0.4mm≤w ₂≤0.8mm；

所述第一凹槽部分的长度满足：4mm≤l ₂≤5mm；

所述第二台阶端为倾斜设置的，长度满足：0.2mm≤l ₁₂≤0.8mm；

所述第二凹槽部分的宽度满足:1.6mm≤w ₁≤2.1mm；

所述第二凹槽部分的长度满足：9mm≤l ₁≤12mm。

根据本发明的一个方面，所述表面周期单元的长度方向与所述连接部分的长度方向相平行；

所述表面周期单元的宽度满足：9mm≤p _x≤11mm；

所述表面周期单元的长度满足：p _z= l ₁×2+l ₁₂×2+l ₂+d。

根据本发明的一个方面，所述表面周期单元在入射电磁波能量小于预设值时，处于透波状态；其中，所述PIN二极管处于零偏；

所述表面周期单元在入射电磁波能量大于或等于预设值时，处于防护状态；其中，所述PIN二极管处于正偏。

根据本发明的一个方面，在所述介质基板上，所述表面周期单元的长度方向与电磁波传输方向k平行，宽度方向与电磁波的电场方向E平行；

沿垂直于入射面的方向，多个所述单元组件周期排列。

根据本发明的一个方面，相邻两个所述单元组件之间的间隔满足：9mm≤p _y≤11mm。

根据本发明的一个方面，所述三维超宽带能量选择表面工作在S波段和C波段。

根据本发明的一种方案，本发明的三维超宽带能量选择表面具有频率滤波和能量滤波特性，可选择性透过特定能量的信号，满足了通信前端的天线罩的需要。

根据本发明的一种方案，本发明的结构简单，加工方便，可广泛应用于通信系统射频前端天线的屏蔽，对促进我国天线罩的发展具有重要意义。此外，本发明还具有良好的工程应用价值以及理论的创新性。

根据本发明的一种方案，本发明的三维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，能够选择透过超宽频带内的入射波；在能量域上，其在低能量信号入射时，能够形成上述频域滤波特性，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，防止大功率信号通过天线进入信号通道。

根据本发明的一种方案，本发明的三维超宽带能量选择表面，其在设计维度上具有更高的灵活度，可以产生丰富的谐振模式，从而突破二维电磁结构的带宽的限制，大大拓展工作频段，在宽频范围内实现高低阻抗的切换，得到超宽的透波频带和良好的防护效果。

根据本发明的一种方案，本发明提出的三维超宽带能量选择表面，其在透波状态下具有超宽的传输通带，相对带宽大于70%。此外，本发明的三维超宽带能量选择表面，在切换到屏蔽模式后，在整个工作频带内具有10dB以上的防护效能。

根据本发明的一种方案，本发明的三维结构应用于能量选择表面的超宽带设计中，实现了透波状态下S波段和C波段91%的相对带宽，带内插入损耗小于1dB；防护状态下在1-10GHz整个频带内具有10dB以上的屏蔽效能。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三维超宽带能量选择表面的结构图；

图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三维超宽带能量选择表面中表面周期单元的结构图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三维超宽带能量选择表面的制备流程图，其中，（a）为单元组件的加工状态图，（b）为单元组件的组装状态图，（c）为单元组件之间的相对位置图；

图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三维超宽带能量选择表面的等效电路图，其中，（a）为透波状态下的等效电路图，（b）为防护状态下的等效电路图；

图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三维超宽带能量选择表面在透波和防护状态下的传输系数图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种三维超宽带能量选择表面，包括：多个单元组件1。在本实施方式中，单元组件1包括：介质基板11和设置在介质基板11上的表面周期单元12。在本实施方式中，在介质基板11上，表面周期单元12多个规则排布形成阵列，且相邻的表面周期单元12相互连接。

在本实施方式中，表面周期单元12包括：中心对称的贴片金属结构a和连接在贴片金属结构a上的两个PIN二极管b。其中，贴片金属结构a采用贴片金属制成，具体可通过预先设置在介质基板11上的方式进行加工以形成所需要的形状。在本实施方式中，贴片金属结构a采用矩形贴片金属制成，具体的，可通过去除矩形贴片金属上的部分以形成贴片金属结构a的结构图案。

在本实施方式中，贴片金属结构a包括：两个主体部分121，用于连接两个主体部分121的连接部分122。其中，连接部分122呈长条状结构，且连接部分122与主体部分121平行且具有间隔的设置于两个主体部分121之间；在本实施方式中，连接部分122相对的两端分别与两个主体部分121相连接；两个PIN二极管b分别与两个主体部分121相连接，且两个PIN二极管b的正负连接方向是相反的。在本实施方式中，沿连接部分122的长度方向，两个PIN二极管b具有间隔的设置，且连接部分122处于两个PIN二极管b之间；沿连接部分122的宽度方向，两个PIN二极管b位于连接部分122的相对两侧。

如图2所示，根据本发明的一种实施方式，两个主体部分121相对的第一侧边分别进行部分去除，形成阶梯状侧边。在本实施方式中，主体部分121整体呈长条状结构，其第一侧边通过加工成为阶梯状侧边，而与第一侧边相对的第二侧边则为直边。在本实施方式中，由于第一侧边被加工成了阶梯状侧边，进而其包括：相互平行的第一侧边部分1211、第二侧边部分1212、第三侧边部分1213，以及连接第一侧边部分1211和第二侧边部分1212的第一台阶端121a，连接第二侧边部分1212和第三侧边部分1213的第二台阶端121b。在本实施方式中，由于主体部分121的第一侧边呈阶梯状侧边，进而在第一侧边上形成了阶梯状的凸出部分，从而方便了连接部分122的连接。具体的，两个主体部分121的第一侧边上所形成的第一台阶端121a与连接部分122相对的两端分别固定连接。

如图2所示，根据本发明的一种实施方式，由于主体部分121的第一侧边上还形成有第二台阶端121b；进而，两个主体部分121和连接部分122之间分别围成两个中心对称的阶梯状凹槽12a。在本实施方式中，阶梯状凹槽12a一端为以第一台阶端121a封闭的封闭端，另一端为开口端。

在本实施方式中，阶梯状凹槽12a包括：第一凹槽部分12a1和宽度大于第一凹槽部分12a1的第二凹槽部分12a2；其中，第一凹槽部分12a1的一端以第一台阶端121a封闭构成封闭端；PIN二极管b设置在第一凹槽部分12a1的开口端。

如图2所示，根据本发明的一种实施方式，沿连接部分122的长度方向，第一个阶梯状凹槽12a的第一凹槽部分12a1的封闭端与第二个阶梯状凹槽12a的第一凹槽部分12a1的开口端之间的距离满足：0 mm≤d≤0.6mm。

如图2所示，根据本发明的一种实施方式，第一凹槽部分12a1的宽度满足:0.4mm≤w ₂≤0.8mm；第一凹槽部分12a1的长度（即第二侧边部分1212的长度）满足：4mm≤l ₂≤5mm；

在本实施方式中，第二台阶端121b为倾斜设置的，实现了第一凹槽部分12a1与第二凹槽部分12a2连接位置的过渡，其长度满足0.2mm≤l ₁₂≤0.8mm；在本实施方式中，第二凹槽部分12a2的宽度满足:1.6mm≤w ₁≤2.1mm；第二凹槽部分12a2的长度（即第三侧边部分1213的长度）满足：9mm≤l ₁≤12mm。

如图2所示，根据本发明的一种实施方式，表面周期单元12的长度方向与连接部分122的长度方向相平行；其中，表面周期单元12的宽度满足：9mm≤p _x≤11mm；表面周期单元12的长度满足：p _z= l ₁×2+l ₁₂×2+l ₂+d。

通过上述设置，表面周期单元12中的相关结构尺寸设置在上述范围内，实现了其超宽带的透波频带和防护频带。更为有效的保证了本发明的工作性能。

根据本发明的一种实施方式，表面周期单元12在入射电磁波能量小于预设值时，处于透波状态；其中，PIN二极管b处于零偏；表面周期单元12在入射电磁波能量大于或等于预设值时，处于防护状态；其中，PIN二极管b处于正偏。

根据本发明的一种实施方式，在介质基板11上，表面周期单元12的长度方向与电磁波传输方向k平行，宽度方向与电磁波的电场方向E平行。

如图1、图3（c）所示，根据本发明的一种实施方式，相邻两个单元组件1之间的间隔满足：9mm≤p _y≤11mm。单元组件的排列方向垂直于入射面，与电磁波的磁场方向H平行。需要注意的是，入射面为Ek平面，垂直于入射面的面为EH平面。

根据本发明的一种实施方式，三维超宽带能量选择表面工作在S波段和C波段。

通过上述设置，本发明的三维超宽带能量选择表面，与传统二维能量选择表面相比，其表面周期单元的长度方向与电磁波的传输方向k平行，因此在设计维度上具有更高的灵活度，可以产生丰富的谐振模式，从而得到更宽的工作频带。

通过上述设置，本发明的能量选择表面具有两种工作状态，透波状态和防护状态。在入射电磁波能量较小时，二极管零偏，能量选择表面处于透波状态，具有超宽的透波频带，带内插入损耗小于1dB。当入射电磁波能量超过设计阈值时，二极管正偏，能量选择表面处于防护状态，透波频带被关闭，带内信号被屏蔽在能量选择表面之外，从而保护后级电路。

根据本发明的一种实施方式，PIN二极管b可替换为具有开关特性的半导体二极管。

本发明提出的能量选择表面具有频域滤波与能域滤波的双重特性：在频域上，该能量选择表面能选择性透过设定的超宽频带内的电磁波；在能域上，其对于低能量的信号能形成上述频域滤波特性，对于高能量信号则会自适应改变自身的传输状态，屏蔽工作频带内的入射波，防止大功率信号通过天线进入信号通道。

为进一步说明本发明，结合附图对本方案做进一步举例。

首先，在具有一定厚度的介质基板11上加工矩形的金属贴片，以10×5个表面周期单元的阵列方式进行金属贴片的设置；在本实施方式中，介质基板11采用Rogers 5880，厚度设置为0.508mm；需要注意的是，在实际应用中，介质基板11的材料和厚度是可以调整的，表面周期单元12的个数也是可以调整的。

其次，根据设计方案对各个金属贴片进行加工，以形成中心对称的贴片金属结构a，参见图3(a)；需要注意的是，对各个金属贴片进行加工所采用的参数可根据应用频段进行适当的调整。在本实施方式中，所设计的加工尺寸如下表1所示（单位：mm）：

表1

进一步的，在加工完的贴片金属结构a上加载PIN二极管；在本实施方式中，PIN二极管选用SMP1345。在本实施方式中，两个PIN二极管的正负方向相反的加载在贴片金属结构a上；

进一步的，将介质基板11上的10×5个表面周期单元的阵列进行分割，参见图3（a）；具体的，通过裁剪的方式获得5个介质基板11上具有10个表面周期单元的单独阵列，此时，每条包含介质基板11和10个表面周期单元12是单独阵列构成本发明的单元组件1；

进一步的，按照p _y=10mm的间隔距离将5个单元组件1分别翻转使其间隔的平行设置构成本实施例的三维超宽带能量选择表面，参见图3（b）和图3（c）。

在本实施方式中，利用PIN二极管的开关特性实现三维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，二极管处于零偏状态，能量选择表面表现为透波状态，二极管可以等效为一个电容C，金属结构可以等效为传输线（参见图4（a）所示），此时上下两个第一凹槽部分12a1发生耦合，电路可以产生四个传输极点，得到3-8GHz的传输通带，相对带宽为91%，带内插入损耗小于1dB。

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二极管的导通门限，二极管导通，能量选择表面切换到防护状态，此时的二极管相当于一个阻值较小的电阻R。此时的电路被电阻R短路，原有谐振被破坏，传输极点消失，入射波无法传输透过，参见图4（b）所示。因而，在感应到高能量的入射波时，整体结构自适应切换到防护状态，可以形成全频带的屏蔽效果，保护后级电路不受破坏。

如图5所示，通过上述参数获得的三维超宽带能量选择表面在透波状态下，传输损耗在3-8GHz内小于1dB，相对带宽达到了91%。在防护状态下，1-10GHz的超宽频带内的屏蔽效能达到10dB以上。可见，有效提高了能量选择表面后级电路应对高功率辐照波的能力。图5中，实线代表透波状态，虚线代表防护状态。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维超宽带能量选择表面，其特征在于，包括：多个单元组件（1）；

所述单元组件（1）包括：介质基板（11）和设置在所述介质基板（11）上的表面周期单元（12）；

在所述介质基板（11）上，所述表面周期单元（12）多个规则排布形成阵列，且相邻的所述表面周期单元（12）相互连接；

所述表面周期单元（12）包括：中心对称的贴片金属结构（a）和连接在所述贴片金属结构（a）上的两个PIN二极管（b）；

所述贴片金属结构（a）包括：两个主体部分（121），用于连接两个所述主体部分（121）的连接部分（122）；

所述连接部分（122）呈长条状结构，且所述连接部分（122）与所述主体部分（121）平行且具有间隔的设置于两个所述主体部分（121）之间；

所述连接部分（122）相对的两端分别与两个所述主体部分（121）相连接；

两个所述PIN二极管（b）分别与两个所述主体部分（121）相连接，且两个所述PIN二极管（b）的正负连接方向是相反的；

沿所述连接部分（122）的长度方向，两个所述PIN二极管（b）具有间隔的设置，且所述连接部分（122）处于两个所述PIN二极管（b）之间；

沿所述连接部分（122）的宽度方向，两个所述PIN二极管（b）位于所述连接部分（122）的相对两侧。

2.根据权利要求1所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，两个所述主体部分（121）相对的第一侧边为阶梯状侧边；

两个所述主体部分（121）的第一侧边的第一台阶端（121a）与所述连接部分（122）相对的两端分别固定连接。

3.根据权利要求2所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，所述主体部分（121）的所述第一侧边上还具有第二台阶端（121b）；

两个所述主体部分（121）和所述连接部分（122）之间分别围成两个中心对称的阶梯状凹槽（12a）；

所述阶梯状凹槽（12a）一端为以所述第一台阶端（121a）封闭的封闭端，另一端为开口端；

所述阶梯状凹槽（12a）包括：第一凹槽部分（12a1）和宽度大于所述第一凹槽部分（12a1）的第二凹槽部分（12a2）；

所述第一凹槽部分（12a1）的一端以所述第一台阶端（121a）封闭构成所述封闭端；

所述PIN二极管（b）设置在所述第一凹槽部分（12a1）的开口端。

4.根据权利要求3所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，沿所述连接部分（122）的长度方向，第一个所述阶梯状凹槽（12a）的第一凹槽部分（12a1）的封闭端与第二个所述阶梯状凹槽（12a）的第一凹槽部分（12a1）的开口端之间的距离满足：0 mm≤d≤0.6mm。

5.根据权利要求4所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，所述第一凹槽部分（12a1）的宽度满足:0.4mm≤w ₂≤0.8mm；

所述第一凹槽部分（12a1）的长度满足：4mm≤l ₂≤5mm；

所述第二台阶端（121b）为倾斜设置的，长度满足0.2mm≤l ₁₂≤0.8mm；

所述第二凹槽部分（12a2）的宽度满足:1.6mm≤w ₁≤2.1mm；

所述第二凹槽部分（12a2）的长度满足：9mm≤l ₁≤12mm。

6.根据权利要求5所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，所述表面周期单元（12）的长度方向与所述连接部分（122）的长度方向相平行；

所述表面周期单元（12）的宽度满足：9mm≤p _x≤11mm；

所述表面周期单元（12）的长度满足：p _z= l ₁×2+l ₁₂×2+l ₂+d。

7.根据权利要求1至6任一项所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，所述表面周期单元（12）在入射电磁波能量小于预设值时，处于透波状态；其中，所述PIN二极管（b）处于零偏；

所述表面周期单元（12）在入射电磁波能量大于或等于预设值时，处于防护状态；其中，所述PIN二极管（b）处于正偏。

8.根据权利要求7所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，在所述介质基板（11）上，所述表面周期单元（12）的长度方向与电磁波传输方向k平行，宽度方向与电磁波的电场方向E平行；

沿垂直于入射面的方向，多个所述单元组件（1）周期排列。

9.根据权利要求8所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，相邻两个所述单元组件（1）之间的间隔满足：9mm≤p _y≤11mm。

10.根据权利要求9所述的三维超宽带能量选择表面，其特征在于，所述三维超宽带能量选择表面工作在S波段和C波段。