CN117374604B - 一种基于pin二极管的有源频率选择表面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，属于微波技术领域，包括至少一个周期排布的谐振单元，谐振单元从上到下依次设置有第一衬底介质层、第一金属频率选择表面层、第一介质结构层、第二金属频率选择表面层、第二衬底介质层、第二介质结构层、第三金属频率选择表面层以及第三衬底介质层，第一金属频率选择表面层和第二金属频率选择表面层均为电感方环结构，第三金属频率选择表面层为PIN二极管环形结构。采用上述结构的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，结构简单，馈电方式简便，可在宽频范围内实现透射和反射的切换，且对极化不敏感，适用于复杂电磁环境，且可由印刷PCB板实现，成本低，加工简单。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其是涉及一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种相同的单元沿二维方向周期排布的阵列结构，具有调控入射电磁波透射或反射的能力，且FSS本身不耗散能量。谐振单元是组成FSS的基本结构，可以通过设计不同的谐振单元使FSS具备特定的滤波性能，这使得FSS被广泛应用于天线隐身、电磁屏蔽及无线通讯等领域。通过合理利用FSS的滤波特性，可以使在工作频段内的电磁波以低插入损耗传输，反射在工作频段之外的电磁波，从而减少天线的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。
目前无源频率选择表面技术发展成熟，被广泛应用于各领域，但加工成型后的无源频率选择表面的滤波特性、谐振频率及工作带宽等电磁特性均已固定不变，因而无法快速适应多变的电磁环境并最大化发挥其滤波特性。因此，亟需一种克服电磁特性无法改变这一缺陷的有源频率选择表面结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，该结构透射带和反射带可切换，可切换频带带宽宽，电磁波透波率高，馈电方式简便，滤波特性可调控，且能够适应复杂电磁环境，解决了无源频率选择表面电磁特性固定不变的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，包括至少一个周期排布的谐振单元，所述谐振单元从上到下依次设置有第一衬底介质层、第一金属频率选择表面层、第一介质结构层、第二金属频率选择表面层、第二衬底介质层、第二介质结构层、第三金属频率选择表面层以及第三衬底介质层，所述第一金属频率选择表面层和所述第二金属频率选择表面层均为电感方环结构，所述第三金属频率选择表面层为PIN二极管环形结构，PIN二极管环形结构包括四个方形导电贴片、第一微带线、第二微线带以及PIN二极管，四个所述方形导电贴片中心对称分布，且相邻的所述方形导电贴片通过所述第一微带线相连接，每个所述第一微带线上设置有所述PIN二极管，四个所述方形导电贴片均连接有所述第二微线带，相邻谐振单元的PIN二极管环形结构通过所述第二微线带相连接。
优选的，所述第一衬底介质层和第二衬底介质层采用聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0027，厚度为0.15-0.20mm。
优选的，所述第三衬底介质层采用FR4板，FR4板的相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025，厚度为0.3-0.4mm。
优选的，所述第一介质结构层和所述第二介质结构层采用发泡材料或板料，发泡材料和板料的相对介电常数为1.01-1.2，发泡材料为聚甲基丙烯酰亚胺，所述第一介质结构层的厚度为2.0mm，所述第二介质结构层的厚度为5.0mm。
优选的，相邻所述电感方环结构之间的间隙为2.0mm，所述电感方环结构的边长为6.0mm，所述电感方环结构的线宽度为0.6mm，所述电感方环结构的四个角设置有用于设置电感的第一缝隙，所述第一缝隙宽度为0.3mm；
所述第一金属频率选择表面层中的电感为贴片电感，且电感值为1.2nH；
所述第二金属频率选择表面层中的电感为贴片电感，且电感值为2.0nH。
优选的，电感方环结构的材质为金、银或铜，采用喷印、电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于第一衬底介质层和第一衬底介质层上。
优选的，所述方形导电贴片的边长为1.5mm；
所述第一微带线的长度为2.5-2.7mm，线宽度为0.4mm；
所述第二微带线的长度为2.5mm，线宽度为0.4mm；
所述方形导电贴片、所述第一微带线以及所述第二微带线的材质为银或铜，相对设置的两个所述第二微带线尾端间距为8.0mm。
优选的，所述第一微带线中部设置有用于设置PIN二极管的第二缝隙，第二缝隙的长度为1.25mm。
优选的，四个所述方形导电贴片中心对称设置，且其中两个所述方形导电贴片在水平方向上相对设置，另外两个所述方形导电贴片在竖直方向上相对设置。
优选的，所述PIN二极管环形结构通过方形导电贴片、所述第一微带线以及所述第二微带线为PIN二极管实现直流馈电，调控PIN二极管实现透射-反射与全反射的切换。
因此，本发明采用上述结构的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，具有以下有益效果：
(1)通过调控PIN二极管的处于OFF状态时，可以实现在1-7.62GHz频带范围内透波率大于-1.5dB，在8.32-11.71GHz频带范围内透波率小于-10dB，具有透射-反射的滤波特性；通过调控PIN二极管的处于ON状态时，可以实现在1-12GHz频带范围内反射率大于-2dB，具有全反射的滤波特性，通过调控PIN二极管可实现透射-反射与全反射的切换。
(2)从透射到反射的中间缓冲的频段较窄。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构示意图。
图2是本发明一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构爆炸图。
图3是本发明第一金属频率选择表面层结构示意图。
图4是本发明第一金属频率选择表面层和第二金属频率选择表面层整合后的结构示意图。
图5是本发明包含22×22个电感方环结构的周期排布图。
图6是本发明第三金属频率选择表面层结构示意图。
图7是本发明包含22×22个PIN二极管环形结构的周期排布图。
图8是本发明电磁波垂直入射时第一金属频率选择表面层的透射率曲线。
图9是本发明电磁波垂直入射时第二金属频率选择表面层的透射率曲线。
图10是本发明电磁波垂直入射时第一金属频率选择表面层和第二金属频率选择表面层整合后的透射率曲线。
图11是本发明电磁波垂直入射时第三金属频率选择表面层中PIN二极管处于ON状态时的反射率曲线。
图12是本发明电磁波垂直入射时第三金属频率选择表面层中PIN二极管处于OFF状态时的透射率曲线。
图13是电磁波垂直入射时，本发明实施例1结构中PIN二极管处于ON状态时的反射率曲线。
图14是本发明电磁波入射角度变化时PIN二极管处于ON状态时的反射率曲线。
图15是本发明电磁波垂直入射时PIN二极管处于OFF状态时的透射率曲线。
图16是本发明电磁波入射角度变化时PIN二极管处于OFF状态时的透射率曲线。
附图标记
1、第一衬底介质层；2、第一金属频率选择表面层；3、第一介质结构层；4、第二金属频率选择表面层；5、第二衬底介质层；6、第二介质结构层；7、第三金属频率选择表面层；8、第三衬底介质层；9、电感方环结构；10、电感；11、PIN二极管环形结构；12、方形导电贴片；13、第一微带线；14、第二微带线；15、PIN二极管。
具体实施方式
实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
本实施例的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，包括22个周期排布的谐振单元。
如图1-2所示，谐振单元从上到下依次设置有第一衬底介质层1、第一金属频率选择表面层2、第一介质结构层3、第二金属频率选择表面层4、第二衬底介质层5、第二介质结构层6、第三金属频率选择表面层7以及第三衬底介质层8。
第一衬底介质层1和第二衬底介质层5采用聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0027，厚度为0.15mm。第三衬底介质层8采用FR4板，FR4板的相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025，厚度为0.3mm。第一介质结构层3和第二介质结构层6采用聚甲基丙烯酰亚胺，相对介电常数为1.01，第一介质结构层3的厚度为2.0mm，第二介质结构层6的厚度为5.0mm。
如图3-5所示，第一金属频率选择表面层2和第二金属频率选择表面层4均为电感方环结构9。相邻电感方环结构9之间的间隙为2.0mm，电感方环结构9的边长为6.0mm，即每个周期为8.0mm，电感方环结构9的线宽度为0.6mm，电感方环结构9的四个角设置有用于设置电感10的第一缝隙，第一缝隙宽度为0.3mm。第一金属频率选择表面层2中的电感10为贴片电感，且电感10值为1.2nH；第二金属频率选择表面层4中的电感10为贴片电感，且电感10值为2.0nH。电感方环结构9的材质为金、银或铜，采用喷印、电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于第一衬底介质层1和第一衬底介质层1上。
本实施例中，第一金属频率选择表面层2所对应的透射率如图8所示，该结构在8.86GHz有一个反射极点；第二金属频率选择表面层4所对应的透射率如图9所示，在11.11GHz有一个反射极点。将两层结构相叠加，中间间隔厚度为5.0mm的第一介质结构层3。整合后的结构示意图如图4所示，透射率图如10所示，从图中可以发现，透射率小于-10dB的频带范围为8.41-11.86GHz，透射率大于-1.5dB与透射率小于-10dB的过渡带带宽为0.55GHz，具有优良的陡截止特性。
本实施例中，电磁波垂直入射时，本实施例第三金属频率选择表面层7中PIN二极管处于ON状态时的反射率曲线如图11所示，该结构反射率大于-1.5dB的频带范围为1～7.79GHz；本实施例第三金属频率选择表面层7中PIN二极管处于OFF状态时的透射率曲线如图12所示，该结构透射率大于-1.5dB的频带范围为1.0～13.76GHz。
本实施例中，电磁波垂直入射时，本发明结构中PIN二极管处于ON状态时的反射率曲线如图13所示，此时第三金属频率选择表面层7呈现出高通低阻的滤波特性，由图可知本发明在1.0～12GHz范围内，反射率大于-2dB，到达了全反射的效果；电磁波入射角度从0以步长15变化至45时，PIN二极管处于ON状态时的反射率曲线如图14所示，本实施例的反射率曲线在频率为1.0～12GHz范围内能保持谐振特性基本不变，具有优良斜入射稳定性。
本实施例中，电磁波垂直入射时，PIN二极管处于OFF状态时的反射率曲线如图15所示，此时第三金属频率选择表面层7呈现出低通高阻的滤波特性，由图可知本发明实例在整个1-7.62GHz频带范围内透射率大于-1.5dB，电磁波入射角度从0以步长15变化至45时，PIN二极管处于OFF状态时的透射率曲线如图16所示，本实施例的反射率曲线在频率为1.0～7.62GHz范围内能保持谐振特性基本不变，具有优良斜入射稳定性，通过调控PIN二极管处于OFF状态，可以实现在1.0～7.62GHz频带范围内透波率大于-1.5dB，在8.32-11.71GHz频带范围内透波率小于-10dB，具有透射-反射的滤波特性；通过调控PIN二极管的处于ON状态时，可以实现在1.0～12GHz频带范围内反射率大于-2dB，具有全反射的滤波特性。
第三金属频率选择表面层7为PIN二极管环形结构11，PIN二极管环形结构11包括四个方形导电贴片12、第一微带线13、第二微线带14以及PIN二极管15，四个方形导电贴片12中心对称分布，且相邻的方形导电贴片12通过第一微带线13相连接，每个第一微带线13上设置有PIN二极管15，四个方形导电贴片12均连接有第二微线带14，相邻谐振单元的PIN二极管环形结构11通过第二微线带14相连接。
如图6所示，方形导电贴片12的边长为1.5mm，第一微带线13的长度为2.52mm，线宽度为0.4mm，第二微线带14的长度为2.5mm，线宽度为0.4mm，方形导电贴片12、第一微带线13以及第二微线带14的材质为银或铜，相对设置的两个第二微线带14尾端间距为8.0mm。
第一微带线13中部设置有用于设置PIN二极管15的第二缝隙，第二缝隙的长度为1.25mm。四个方形导电贴片12中心对称设置，且其中两个方形导电贴片12在水平方向上相对设置，另外两个方形导电贴片12在竖直方向上相对设置。PIN二极管环形结构11通过方形导电贴片12、第一微带线13以及第二微线带14为PIN二极管15实现直流馈电，调控PIN二极管实现透射-反射与全反射的切换。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：包括至少一个周期排布的谐振单元，所述谐振单元从上到下依次设置有第一衬底介质层、第一金属频率选择表面层、第一介质结构层、第二金属频率选择表面层、第二衬底介质层、第二介质结构层、第三金属频率选择表面层以及第三衬底介质层，所述第一金属频率选择表面层和所述第二金属频率选择表面层均为电感方环结构，相邻所述电感方环结构之间的间隙为2.0mm，所述电感方环结构的边长为6.0mm，所述电感方环结构的线宽度为0.6mm，所述电感方环结构的四个角设置有用于设置电感的第一缝隙，所述第一缝隙宽度为0.3mm；所述第一金属频率选择表面层中的电感为贴片电感，且电感值为1.2nH；所述第二金属频率选择表面层中的电感为贴片电感，且电感值为2.0nH；
所述第三金属频率选择表面层为PIN二极管环形结构，PIN二极管环形结构包括四个方形导电贴片、第一微带线、第二微带线以及PIN二极管，四个所述方形导电贴片中心对称分布，且相邻的所述方形导电贴片通过所述第一微带线相连接，每个所述第一微带线上设置有所述PIN二极管，四个所述方形导电贴片均连接有所述第二微带线，相邻谐振单元的PIN二极管环形结构通过所述第二微带线相连接；
所述方形导电贴片的边长为1.5mm；
所述第一微带线的长度为2.5-2.7mm，线宽度为0.4mm；
所述第二微带线的长度为2.5mm，线宽度为0.4mm；
所述方形导电贴片、所述第一微带线以及所述第二微带线的材质为银或铜，相对设置的两个所述第二微带线尾端间距为8.0mm；
所述第一微带线中部设置有用于设置PIN二极管的第二缝隙，第二缝隙的长度为1.25mm；
四个所述方形导电贴片中心对称设置，且其中两个所述方形导电贴片在水平方向上相对设置，另外两个所述方形导电贴片在竖直方向上相对设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述第一衬底介质层和第二衬底介质层采用聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0027，厚度为0.15-0.20mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述第三衬底介质层采用FR4板，FR4板的相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025，厚度为0.3-0.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述第一介质结构层和所述第二介质结构层采用发泡材料或板料，发泡材料和板料的相对介电常数为1.01-1.2，发泡材料为聚甲基丙烯酰亚胺，所述第一介质结构层的厚度为2.0mm，所述第二介质结构层的厚度为5.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：电感方环结构的材质为金、银或铜，采用喷印、电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于第一衬底介质层和第一衬底介质层上。
6.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管的有源频率选择表面结构，其特征在于：所述PIN二极管环形结构通过方形导电贴片、所述第一微带线以及所述第二微带线为PIN二极管实现直流馈电，调控PIN二极管实现透射-反射与全反射的切换。
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|---|---|
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