CN111786122A - 一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化fss - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS。技术方案是：包括周期性设置的FSS单元；每个FSS单元包括三层结构。其中，第一层为阻抗表面层(1)，第二层为空气夹层(2)，第三层为带通FSS层(3)。阻抗表面层(1)包括介质板(4)和等效并联LC谐振结构(10)，等效并联LC谐振结构(10)的两端各通过一个电阻(7)与一个金属条臂(6)相连；两个金属条臂(6)的另一端各通过一个电感(13)与一个金属条带(12)电连接。第三层即带通FSS层。本发明不仅可以实现透波带可重构，并且在透波带内具有高透过率特性。

Description

一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS
技术领域
本发明属于电磁周期结构技术领域，涉及一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS(Frequency Selective Surface，频率选择表面)。
背景技术
FSS通常是由大量无源谐振单元组成的二维周期阵列结构，是一种能够实现空间电磁波调控的有效手段。已经被广泛地被应用于雷达和通信***中。具有高透过率的FSS可以被用作天线罩等领域，具有低反射率的FSS可以应用于天线隐身等领域。所以设计具有各种不同特性的FSS是微波领域的一个重要研究和发展方向。同时具有强的吸波特性(即低反射率)和强的透波特性(即高透过率)的FSS，即吸波与透波一体化FSS通常被应用于隐身天线罩的设计，近年来吸引了众多学者的关注。
与此同时，随着捷变频雷达和通信***的发展，吸波与透波一体化FSS天线罩的透波带也需要随着天线***工作频率的捷变而调节，即要求吸波与透波一体化FSS的透波带具有可重构特性。因此，具有可重构特性的吸波与透波一体化FSS天线罩也被学者提出来。如参考文献一(L.Wu,S.Zhong,J.Huang and T.Liu,"Broadband Frequency-SelectiveRasorber With Varactor-Tunable Interabsorption Band Transmission Window,"inIEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.67,no.9,pp.6039-6050,Sept.2019.)公开了一种的可重构吸波与透波一体化FSS，该吸波与透波一体化FSS的透波带损耗大于3.3dB，透过率小于50％。参考文献二(Y.Wang,S.Qi,Z.Shen,and W.Wu,"Tunable Frequency-Selective Rasorber Based on Varactor-Embedded Square-LoopArray,"IEEE Access,vol.7,pp.115552-115559,2019-01-012019.)也公开了一种可重构吸波与透波一体化FSS，该可重构吸波与透波一体化FSS的透波带损耗为2.5dB，透过率也小于50％。在实际的工程应用中，可重构的吸波与透波一体化FSS的透波带损耗期望小于1dB，透过率大于80％。因此，本发明提出一种具有高透过率特性的可重构吸波与透波一体化FSS，透波带损耗小于1dB，透过率大于80％，满足实际工程的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高透过率特性的可重构吸波与透波一体化FSS，这种FSS的特点是吸波与透波一体化FSS的可重构透波带具有高透过率特性。
本发明的技术方案是：一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，包括周期性设置的FSS单元，每个FSS单元均相同；
每个FSS单元包括三层结构，分别为：第一层(1)、第二层(2)和第三层(3)。
其中，第一层为阻抗表面层(1)，第二层为空气夹层(2)，第三层为带通FSS层(3)。其中，阻抗表面层(1)包括介质板(4)，等效并联LC谐振结构(10)位于介质板(4)的中心，等效并联LC谐振结构(10)的两端各通过一个电阻(7)与一个金属条臂(6)相连；两个金属条臂(6)的另一端各通过一个电感(13)与一个金属条带(12)电连接。等效并联LC谐振结构(10)、电阻(7)与金属条臂(6)排列形成的中轴线与两个金属条带(12)分别垂直。
第三层即带通FSS层，也称透波层。
本发明具有以下有益效果：本发明公开了一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，该结构不仅可以通过改变等效并联LC谐振结构(10)包括的变容二极管(9)的容值实现透波带可重构，并且在透波带内具有高透过率特性，仿真实验证明了上述结论。
附图说明
图1为本发明提供的可重构吸波与透波一体化FSS立体结构示意图；
图2为本发明具体实施例提供的可重构吸波与透波一体化FSS的第一层的结构上表面示意图；
图3为本发明具体实施例提供的可重构吸波与透波一体化FSS的第一层的结构下表面示意图；
图4为本发明具体实施例提供的可重构吸波与透波一体化FSS的第三层的结构示意图；
图5为本发明具体实施例提供的可重构吸波与透波一体化FSS反射与透射系数曲线；
具体实施方式
本具体实施例公开了一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，如图1，包括一个3*3个单元的立体结构示意图。该图是利用CST仿真软件画出的。在实际应用中，本发明提供的FSS的单元数无限定，数目根据需要确定。其中第一层为阻抗表面层(1)，第二层为空气夹层(2)，第三层为带通FSS层(3)。
图2为本发明具体实施例提供的吸波与透波一体化FSS第一层结构的上表面结构示意图，其中包括介质板(4)，印制在介质板(4)中心的等效并联LC谐振结构(10)，印制在介质板(4)上两个金属条臂(6)，两个金属条臂(6)分别排列在谐振结构(10)的两侧，并且每条金属条臂(6)通过电阻(7)与谐振结构(10)相连接。其中谐振结构(10)是本发明的核心，是实现高透过率的关键。谐振结构(10)包括依次连接的等效电容(14)、一个变容二极管(9)和一个电感(8)。其中，变容二极管(9)和电感(8)串联后再与等效电容(14)并联，形成等效并联LC谐振结构(10)。改变变容二极管(9)的容值，用于实现透波带可重构特性，电感(8)主要用于提高透波带的透过率。等效电容(14)是通过刻蚀在印制板(4)上的金属贴片的缝隙实现的。两个金属条臂(6)的另一端各通过一个电感(13)与一个金属条带(12)电连接。等效并联LC谐振结构(10)、电阻(7)与、金属条臂(6)排列形成的中轴线位于FSS单元的中轴线，并且与两个金属条带(12)分别垂直。金属条带(12)、电感(13)和等效并联LC谐振结构(10)可以位于印制板(4)的同一表面或者不同的表面。图3所提供的具体实施例为金属条带(12)、电感(13)和等效并联LC谐振结构(10)位于印制板(4)的不同表面。如图3所示，印制板(4)的下表面包括印制在其上的两个金属条带(12)，与两个金属条带(12)分别相连的电感(13)。图2所示的印制板(4)上表面金属条臂(6)与图3所示的印制板(4)下表面的电感(13)通过金属过孔(11)形成电连接。
FSS工作时，外接电源电压通过金属条带(12)加载到每个FSS单元。外接电源电压的正负极分别通过一个金属条带(12)，依次通过电感(13)、金属条臂(6)、电阻(7)施加到等效并联LC谐振结构(10)上。
图4为本发明具体实施例提供的吸波与透波一体化FSS的第三层结构示意图，第三层即带通FSS层，也称透波层。该层的结构为公知常识，通常是在覆铜的印制板表面刻蚀出各种形状的缝隙。本具体实施方式的结构为：在覆铜的介质板(5)表面，刻蚀出两个均匀排布的正方形缝隙(16)，在正方形缝隙上跨接四个变容二极管(15)，通过改变变容二极管(15)的容值用于实现透波带可重构。此结构主要用于和上层阻抗表面层(1)的通带匹配。四个变容二极管(15)排列成一条直线，直线位于FSS单元的中轴线。介质板(5)与介质板(4)的尺寸、厚度均相同。
本发明涉及组件的尺寸与集总器件的参数，如金属条臂(6)、金属条带(12)的宽窄和长度，电阻(7)、变容二极管(9)(15)、电感(8)(13)的器件参数，均可根据实际情况确定。金属条臂(6)、金属条带(12)均是通过在介质板(4)上覆铜形成的。
图5是本发明公开的仿真实验的结果。实验中采用的FSS的参数如下：介质板(4)和介质板(5)的为长18mm，宽9mm的长方形，第二层的空气夹层(2)的厚度为8.0mm，FSS整体的厚度为9.0mm。介质板(4)和介质板(5)均采用相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037，厚度为0.508mm的罗杰斯4350B板材。两个电阻(7)的大小都是150欧姆。一个变容二极管(9)和四个变容二极管(15)，均通过改变偏置电压调节容值。本仿真实验中，在偏置电压为2V-20V的情况下，变容二极管(9)和变容二极管(15)的容值均在0.50pF-0.14pF之间变化。电感(8)的感值为5nH，电感(13)的感值为270nH。
进行仿真实验得到上述参数的FSS的反射(S11)系数和传输(S21)系数与频率之间的关系曲线，其中横坐标为频率，左侧纵坐标表示反射系数以及传输系数。从图例可知，其中C1表示第一层结构(1)上的变容二极管(9)的容值，C2表示第三层结构(3)上的变容二极管(15)的容值，分别调节变容二极管(9)和变容二极管(15)的容值，使第一层结构和第三层结构透波带匹配。图5公开本发明分别在不同容值下的反射(S11)和透射(S21)系数曲线。反射系数曲线在C1＝0.14pF和C2＝0.14pF时被标记为三角形，透射系数曲线在C1＝0.14pF和C2＝0.14pF时被标记为正方形；反射系数曲线在C1＝0.30pF和C2＝0.30pF时被标记为圆形，透射系数曲线在C1＝0.30pF和C2＝0.30pF时被标记为菱形；反射系数曲线在C1＝0.50pF和C2＝0.25pF时被标记为正六边形，透射系数曲线在C1＝0.50pF和C2＝0.25pF时被标记为五角星。
从图中可以看出本发明提出的吸波透波一体化FSS在不同容值C1与C2的调节下，透波带在5.75GHz-4.91GHz之间可调节，实现了可重构特性。同时，透波带损耗均小于0.61dB，透过率大于87％。对比已经公开的可重构吸波与透波一体化FSS，本发明公开的可重构吸波与透波一体化FSS具有高透过率特性。
下面对本发明的透波机理进行解释：由于该结构中的空气夹层(2)对电磁波几乎没有损耗作用，只是起到将第一层(1)和第三层(3)分隔开来的作用。对于透波带要求第一层和第三层都具有高透过率的透波特性。对于第一层结构，其高透过率特性的实现主要谐振结构(10)实现。第三层(3)结构，在第一层结构(1)所决定的透波带内，表现出全透过特性；在第一层结构(1)所决定的透波带外，该结构表现的是全反射特性。加载在第一层(1)和第三层(3)上用于透波带可重构的实现。

Claims (5)

1.一种具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，包括周期性设置的FSS单元，每个FSS单元均相同；FSS是指频率选择表面；每个FSS单元包括三层结构，分别为：第一层、第二层和第三层；
其特征在于，其中，第一层为阻抗表面层(1)，第二层为空气夹层(2)，第三层为带通FSS层(3)；阻抗表面层(1)包括介质板(4)，等效并联LC谐振结构(10)位于介质板(4)的中心，等效并联LC谐振结构(10)的两端各通过一个电阻(7)与一个金属条臂(6)相连；两个金属条臂(6)的另一端各通过一个电感(13)与一个金属条带(12)电连接；等效并联LC谐振结构(10)、电阻(7)与金属条臂(6)排列形成的中轴线与两个金属条带(12)分别垂直；第三层即带通FSS层，也称透波层。
2.根据权利要求1所述的具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，其特征在于，等效并联LC谐振结构(10)包括依次连接的等效电容(14)、一个变容二极管(9)和一个电感(8)；变容二极管(9)和电感(8)串联后再与等效电容(14)并联。
3.根据权利要求1所述的具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，其特征在于，带通FSS层(3)是在覆铜的介质板(5)表面，刻蚀出两个均匀排布的正方形缝隙(16)，在正方形缝隙上跨接四个变容二极管(15)。
4.根据权利要求2所述的具有高透过率的可重构吸波与透波一体化FSS，其特征在于，带通FSS层(3)是在覆铜的介质板(5)表面，刻蚀出两个均匀排布的正方形缝隙(16)，在正方形缝隙上跨接四个变容二极管(15)。
5.一种天线罩，其特征在于，使用材料为权利要求1、2、3或4所述的FSS。
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