CN116130970B - 一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，用于实现多模式传输电磁波的水平极化TE波和垂直极化TM波，新型频率选择表面自上而下分别为第一金属层、介电基板、第二金属层、介电基板、第三金属层；第一金属层结构和第三金属层结构呈正交姿态。新型频率选择表面表现出四种不同工作模式：A模式为全极化滤波器；B模式为双极化屏蔽器；C模式为TE波独立传输，TM波被屏蔽；D模式为TM波独立传输，TE波被屏蔽；该结构在屏蔽状态下运行时，可以防止入射能量穿透结构，在0‑10GHz频带范围内传输系数均在‑10dB以下，具有非常稳定的斜入射性能响应；在传输状态下运行时，具有大角度的特性，能够获得在2.9‑4.5GHz频段内的宽传输频带和最小0.001dB的插入损耗。
Description
技术领域
本发明涉及电子通讯、信息工程领域，具体是一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面。
背景技术
随着无线通信系统的迅猛发展，越来越多的学者开始着手研究频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSSs)，由于其具有优秀的电磁波操纵特性而被广泛的应用于各个领域，比如工业和军事领域中的雷达罩、透镜天线和低雷达截面(Radar CrossSection，RCS)都是频率选择表面的具体应用。现有的频率选择表面产品中，无源FSSs结构不变，导致在复杂的工作环境下其工作效率会受到影响；因此，可重构工作状态的有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface，AFSS)应运而生，AFSS可重构的特性使得结构在工业军事领域成为更加具有竞争力的设计，比如，在天线罩应用中，AFSS结构的屏蔽功能可以保护天线在待机状态下不受到强带内电磁脉冲的影响，而当结构重构到传输状态时，结构又可以保证不影响其通信性能，更加适用于复杂的工作环境中。
近年来，行业内研究人员提出了各式各样的可重构AFSS结构。其中，开关型AFSS结构因其能够通过采用改变PIN二极管的偏置状态来实现这些设计结构的谐振响应的改变。在具有带通谐振响应的无损耗FSS结构中，该结构的响应是与二极管的状态保持一致的。通过在无损耗FSS结构安装二极管来改变结构的响应的技术也可以应用到有耗FSS结构中，实现有耗FSS结构可重构的吸收/反射响应。但研究表明，有耗模块可以消耗电路模拟吸收器上的激励电流，因此结构的吸收响应能够实现。然而当二极管处于正向偏置状态时，谐振元件被短路，谐振器无法被激励，导致输入的能量被反射，所以许多现有FSS结构设计具有以下这些缺陷：第一，由于其馈电系统的复杂性导致结构只能工作在单极化模式；第二，结构虽然在不同极化入射下具有相同的功能但是不能独立操纵不同极化波；第三，大多数可重构结构采用单谐振结构来实现传输响应，导致结构的通带过于狭窄。
发明内容
本发明的目的在于：提出了一种新型的AFSS结构，实现多模式操控电磁波的水平极化TE波和垂直极化TM波，获得一个具有独立控制不同极化波特性的宽带可重构传输窗口，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，包括至少4个结构单元，至少12个二极管、至少12个电容、至少12个电阻、至少12个电感，至少4条金属导线；
所述每个结构单元包含第一金属层、第二金属层、第三金属层和两片介电基板；所述两片介电基板分别设置在第一金属层和第二金属层、第二金属层和第三金属层之间；所述第一金属层和第三金属层包含矩阵排列的金属片，相邻金属片之间有缝隙；
所述各结构单元同向周期性无缝连接成矩形结构，形成新型频率选择表面自上而下分别为第一金属层、介电基板、第二金属层、介电基板、第三金属层；在第一金属层和第三金属层中分别形成矩阵排列的金属块；
所述第一金属层中，横向金属块之间通过二极管连接，形成横向通路；纵向金属块之间通过电容连接，各横向通路两端分别依次串联一个电感和一个电阻连接第一金属层金属导线，由第一金属层金属导线外接直流电压，并给各横向通路中的二极管施加偏置电压；
所述第三金属层中，纵向金属块之间通过二极管连接，形成纵向通路；横向金属块之间通过电容连接，各纵向通路两端分别依次串联一个电感和一个电阻连接第三金属层金属导线，由第三金属层金属导线外接直流电压，并给各纵向通路中的二极管施加偏置电压；第一金属层结构和第三金属层结构呈正交姿态；
基于连通状态的金属块使照射其表面的电磁波发生反射；而间断状态的金属块传输照射其表面的电磁波，三层结构共同作用下，通过控制第一金属层中二极管的偏置状态，实现对电磁波水平极化TE波的传输或屏蔽，通过控制第三金属层中二极管的偏置状态，实现对电磁波垂直极化TM波的传输或屏蔽，新型频率选择表面表现出A工作模式、B工作模式、C工作模式、D工作模式。
进一步地，前述的结构单元中：第一金属层包含4片金属片，4片金属片分别标贴于介电基板的4个角，各金属片的直角沿介电基板的直角重叠标贴；4片金属片之间形成十字形金属片间隙；4片金属片分别关于介电基板横向中线、纵向中线对称；
所述第二金属层包含一片十字形金属片，标贴于两片介电基板之间；
所述第三金属层和第一金属层结构相同，位置上第三金属层与第一金属层呈正交姿态；基于结构单元中第一金属层和第三金属层中金属片直角与介电基板4个直角的重叠标贴，相邻结构单元的金属片之间能无缝连接形成导电状态的金属块。
进一步地，前述的A工作模式为：第一金属层和第三金属层分别所接金属导线都不通直流电源，二极管都不工作，第一金属层的横向金属块为间断状态的金属块，第三金属层的纵向金属块为间断状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层传输水平极化TE波，第三金属层传输垂直极化TM波，新型频率选择表面表现为全极化滤波器。
进一步地，前述的B工作模式为：第一金属层和第三金属层分别所接金属导线同时都通入直流电源，二极管都工作，第一金属层的横向金属块为连通状态的金属块，第三金属层的纵向金属块为连通状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层屏蔽水平极化TE波，第三金属层屏蔽垂直极化TM波，新型频率选择表面表现为双极化屏蔽器。
进一步地，前述的C工作模式为：第一金属层所接金属导线不通直流电流，二极管不工作，第一金属层的横向金属块为间断状态的金属块；第三金属层所接金属导线通入直流电流，二极管工作，第三金属层的纵向金属块为连通状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层传输水平极化TE波，第三金属层屏蔽垂直极化TM波；新型频率选择表面表现为TE波独立传输，TM波被屏蔽。
进一步地，前述的D工作模式为：第一金属层所接金属导线通入直流电流，二极管工作，第一金属层的横向金属块为连通状态的金属块；第三金属层所接金属导线不通直流电流，二极管不工作，第三金属层的纵向金属块为间断状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层屏蔽水平极化TE波，第三金属层传输垂直极化TM波；新型频率选择表面表现为TM波独立传输，TE波被屏蔽。
本发明所述一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明设计的结构提出两个正交排列的FSS结构，通过两个FSS结构中二极管的不同偏置状态实现四种不同工作模式，并实现对TE和TM入射波的独立传输；
2、该结构在屏蔽状态下运行时，可以防止入射能量穿透结构，在0-10GHz频带范围内具有非常稳定的斜入射性能响应；该结构在传输状态下运行时，具有大角度的特性，能够获得在2.9-4.5GHz频段内的宽传输频带和最小0.001dB的插入损耗；
3、四个工作模式的通带和阻带特性响应达到了高度一致。
附图说明
图1是新型频率选择表面结构单元示意图；
图2是新型频率选择表面结构示意图；
图3是新型频率选择表面第一金属层示意图；
图4是新型频率选择表面第三金属层示意图；
图5是新型频率选择表面的四种工作模式；
图6是新型频率选择表面结构的等效电路图；
图7是新型频率选择表面四种工作模式下的传输特性响应图；
图8是A工作模式在不同入射偏振下的性能图；
图9是入射波传播方向上的电场分布图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
本发明提出一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，用于实现多模式传输电磁波的水平极化TE波和垂直极化TM波，包括至少4个结构单元，至少12个二极管、至少12个电容、至少12个电阻、至少12个电感，至少4条金属导线。
在本实施例中，如图1所示，每个结构单元包含第一金属层、第二金属层、第三金属层和两片介电基板；所述两片介电基板分别设置在第一金属层和第二金属层、第二金属层和第三金属层之间；其中，第一金属层包含4片金属片，4片金属片分别标贴于介电基板的4个角，各金属片的直角沿介电基板的直角重叠标贴；4片金属片分别关于介电基板横向中线、纵向中线对称；4片金属片之间形成十字形金属片间隙；第二金属层包含一片十字形金属片，标贴于两片介电基板之间；第三金属层和第一金属层结构相同，位置上第三金属层与第一金属层呈正交姿态。
如图2所示，在本实施例中，新型频率选择表面包含4个结构单元，4个结构单元同向周期性无缝连接成矩形结构，形成新型频率选择表面自上而下分别为第一金属层、介电基板、第二金属层、介电基板、第三金属层；其中，第一金属层如图3所示，横向金属块之间通过二极管连接，形成横向通路；纵向金属块之间通过电容连接，各横向通路两端分别依次串联一个电感和一个电阻连接第一金属层金属导线，由第一金属层金属导线外接直流电压，并给各横向通路中的二极管施加偏置电压；第三金属层如图4所示，纵向金属块之间通过二极管连接，形成纵向通路；横向金属块之间通过电容连接，各纵向通路两端分别依次串联一个电感和一个电阻连接第三金属层金属导线，由第三金属层金属导线外接直流电压，并给各纵向通路中的二极管施加偏置电压；第一金属层结构和第三金属层结构呈正交姿态。
如图5所示，三层结构共同作用下，通过分别控制第一金属层和第三金属层中二极管的偏置状态，新型频率选择表面表现出A工作模式、B工作模式、C工作模式、D工作模式：A工作模式为：第一金属层和第三金属层分别所接金属导线都不通直流电源，新型频率选择表面表现为全极化滤波器；B工作模式为：第一金属层和第三金属层分别所接金属导线同时都通入直流电源，新型频率选择表面表现为双极化屏蔽器；C工作模式为：第一金属层所接金属导线不通直流电源，第三金属层所接金属导线通入直流电流，新型频率选择表面表现为TE波独立传输，TM波被屏蔽；D工作模式为：第一金属层所接金属导线通入直流电流，第三金属层所接金属导线不通直流电源，新型频率选择表面表现为TM波独立传输，TE波被屏蔽。
图6为新型频率选择表面结构的等效电路图，在本发明设计中，TE入射波和TM入射波分别等效为一个电路图。结构中的两层介电基板分别等效为电路中的L2C2和L3C3，结构中的第二金属层等效为电感L5，当TE入射波入射时，第一金属层和第三金属层等效为电路中的L1C1和L4C4支路。二极管在导通状态时等效为LR电路，在不导通状态时等效为LC电路。对于第一金属层中的二极管，可以视为等效电路中与C1并联的一个元器件，这样的设计有助于实现TE入射波对结构的可重构特性。相同地，在TE入射波时的等效电路中不考虑第三金属层中的二极管，但是二极管在不导通状态下可能会影响传输模式下的二阶滤波器和偏振不敏感性能，因此，为了恢复结构所需的滤波性能，采用补偿电容Cc与C4并联加载的方法，这可以使该设计沿TM和TE方向呈现相似的阻抗特性。由于第一金属层和第三金属层结构具有相同的结构并且相互正交排列分布，当TM入射波入射时的等效电路，交换第一金属层和第三金属层的等效电路支路即可实现功能。
图7为新型频率选择表面四种不同工作模式下的传输特性响应图，如图所示，TE入射波和TM入射波可以在四种工作模式下被独立传输或屏蔽，并且在相应的状态下获得几乎相同的传输响应。对于传输状态，即A工作模式下的TE和TM入射波、在C工作模式下的TE入射波、在D工作模式下的TM入射波，带通传输窗口都在2.9-4.5GHz频率带宽之间，-3dB分数带宽达到了43.2％，而最小插入损耗仅有0.001dB。在0-45°入射角度时，滤波器的通带纹波均小于0.5dB，具有超稳定的滤波性能；对于屏蔽状态，即B工作模式下的TE入射波和TM入射波、C工作模式下的TM入射波、D工作模式下的TE入射波，0-11GHz频带范围内的传输系数均在-10dB以下，呈现出了稳定的电磁波屏蔽性能。
图8为A工作模式在不同入射偏振下的性能图，从A工作模式中可以看出，A工作模式可以实现全极化滤波特性，尽管交叉极化波在10GHz附近产生了窄纹波，但不同的极化入射可以实现几乎相同的带通性能。由于所提出的具有导通状态二极管结构可能会在旋转偏振入射下引入交叉偏振功率，因此在B、C和D工作模式下无法获得与偏振无关的行为。
图9为入射波传播方向上的电场分布图。通过测量电场的具体分布进一步验证本发明的可实现性。本发明在2.9-4.5GHz频率段内具有带通传输窗口。在这频带内的电磁波根据结构的工作模式实现传输屏蔽特性，而在这频段范围外的电磁波不管在何种工作模式下，电磁波被反射，结构实现屏蔽特性。如图9所示，选取了三个频率点，分别为1GHz、3.8GHz、8GHz，其中3.8GHz为谐振频率点，位于带通传输窗口内。以3.8GHz为列分析，从测量结果中可以看出，本发明在A工作模式下电磁波能够传输，具有带通滤波器的功能，在B工作模式下电磁波被屏蔽，起到电磁屏蔽器功能。在C工作模式下，结构的可重构通带内的TE入射波具有传输响应，TM波具有屏蔽响应。在D工作模式下，TM入射波具有传输响应，TE波具有屏蔽响应。通过电场分布不难看出，在传输状态下，本发明设计前后的电磁能量相似，都得到了高透过率窗口；反之，在屏蔽工作状态下，可以明显的观察到强烈的驻波(图中白色的部分)，而且电磁能量无法传输透射这种结构，屏蔽性能稳定。
虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (6)
1.一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，用于实现多模式传输电磁波的水平极化TE波和垂直极化TM波，其特征在于，包括至少4个结构单元，至少12个二极管、至少12个电容、至少12个电阻、至少12个电感，至少4条金属导线；
各结构单元分别均包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和两片介电基板；所述两片介电基板分别设置在第一金属层和第二金属层、第二金属层和第三金属层之间；所述第一金属层和第三金属层包含矩阵排列的金属片，相邻金属片之间有缝隙；
各结构单元分别均同向周期性无缝连接成矩形结构，形成新型频率选择表面自上而下分别为第一金属层、介电基板、第二金属层、介电基板、第三金属层；在第一金属层和第三金属层中分别形成矩阵排列的金属块，所述金属块包括横向金属块和纵向金属块；
所述第一金属层中，横向金属块之间通过二极管连接，形成横向通路；纵向金属块之间通过电容连接，各横向通路两端分别依次串联一个电感和一个电阻连接第一金属层金属导线，由第一金属层金属导线外接直流电压，并给各横向通路中的二极管施加偏置电压；
所述第三金属层中，纵向金属块之间通过二极管连接，形成纵向通路；横向金属块之间通过电容连接，各纵向通路两端分别依次串联一个电感和一个电阻连接第三金属层金属导线，由第三金属层金属导线外接直流电压，并给各纵向通路中的二极管施加偏置电压；第一金属层结构和第三金属层结构呈正交姿态；
基于连通状态的金属块使照射其表面的电磁波发生反射；而间断状态的金属块传输照射其表面的电磁波，三层结构共同作用下，通过控制第一金属层中二极管的偏置状态，实现对电磁波水平极化TE波的传输或屏蔽，通过控制第三金属层中二极管的偏置状态，实现对电磁波垂直极化TM波的传输或屏蔽，新型频率选择表面表现出四种工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，其特征在于，所述结构单元中：第一金属层包含4片金属片，4片金属片分别标贴于介电基板的4个角，各金属片的直角沿介电基板的直角重叠标贴；4片金属片分别关于介电基板横向中线、纵向中线对称；4片金属片之间形成十字形金属片间隙；
所述第二金属层包含一片十字形金属片，标贴于两片介电基板之间；
所述第三金属层和第一金属层结构相同，位置上第三金属层与第一金属层呈正交姿态；基于结构单元中第一金属层和第三金属层中金属片直角与介电基板4个直角的重叠标贴，相邻结构单元的金属片之间能无缝连接形成导电状态的金属块。
3.根据权利要求1所述的一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，其特征在于，所述工作模式的其中一种为：第一金属层和第三金属层分别所接金属导线都不通直流电源，二极管都不工作，第一金属层的横向金属块为间断状态的金属块，第三金属层的纵向金属块为间断状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层传输水平极化TE波，第三金属层传输垂直极化TM波，新型频率选择表面表现为全极化滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，其特征在于，所述工作模式的其中一种为：第一金属层和第三金属层分别所接金属导线同时都通入直流电源，二极管都工作，第一金属层的横向金属块为连通状态的金属块，第三金属层的纵向金属块为连通状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层屏蔽水平极化TE波，第三金属层屏蔽垂直极化TM波，新型频率选择表面表现为双极化屏蔽器。
5.根据权利要求1所述的一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，其特征在于，所述工作模式的其中一种为：第一金属层所接金属导线不通直流电流，二极管不工作，第一金属层的横向金属块为间断状态的金属块；第三金属层所接金属导线通入直流电流，二极管工作，第三金属层的纵向金属块为连通状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层传输水平极化TE波，第三金属层屏蔽垂直极化TM波；新型频率选择表面表现为TE波独立传输，TM波被屏蔽。
6.根据权利要求1所述的一种具有独立控制工作模式的新型频率选择表面，其特征在于，所述工作模式的其中一种为：第一金属层所接金属导线通入直流电流，二极管工作，第一金属层的横向金属块为连通状态的金属块；第三金属层所接金属导线不通直流电流，二极管不工作，第三金属层的纵向金属块为间断状态的金属块；三层结构共同作用下，第一金属层屏蔽水平极化TE波，第三金属层传输垂直极化TM波；新型频率选择表面表现为TM波独立传输，TE波被屏蔽。
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