CN112838374A - 一种柔性有源频率选择表面及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性有源频率选择表面及其控制方法，选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底和分别设置在介质基底上下侧的金属周期阵列。柔性有源频率选择表面工作时，对两个偏置***独立进行偏置可以配置四种工作状态分别是：双极化带阻、TE单极化带通、TM单极化带通、双极化带通，构成两种功能：电磁开关和极化选择。本发明集成多种功能与一体，基板柔软，适合复杂的应用场景，制作简单且具有良好的角度稳定性，具有广阔的应用前景。

Description

一种柔性有源频率选择表面及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种有源频率选择表面及其控制方法，尤其涉及一种柔性有源频率选择表面及其控制方法。
背景技术
随着科学技术和经济的发展，各种信息设备越来越多地应用于军事与民用领域，信息设备之间的电磁传输与电磁兼容、精密仪器抗电磁干扰、人体防电磁辐射等均要求对电磁信号实现传输控制或吸收损耗。而频率选择表面(FSS)对电磁波具有选择透过性，这使它广泛应用于雷达罩、空间电磁滤波器、对吸波材料改性等领域。
随着隐身技术的发展与进步，隐身飞行器平台上的雷达天线***以及各种射频传感器成为雷达散射截面(RCS)的主要贡献源，其隐身技术对于飞行器整体的隐身性能至关重要。但是雷达天线作为信息交互的最前端，必须保证自身正常收发电磁波，不能直接应用外形隐身技术或者涂覆雷达吸波材料等方法来实现其隐身技术。而目前，国内外采用最广泛的隐身技术是频率选择表面(FSS)技术。
FSS是由特定形状的单元图形周期性排列，形成二维的周期阵列结构，其反射特性和传输特性表现为频率的函数。对其传输特性具有影响作用的因素有单元的尺寸、排布方式、排列周期、电磁波入射角度等。由于FSS呈现出开放空间的电磁滤波器的功能，又被称为空间滤波器，在天线设计、表面波处理和雷达散射截面控制等方面备受关注，是天线和微波领域的研究热点之一。其中基于带通型FSS设计的天线罩，往往通过共形技术，将带外传输的电磁波反射到其他方向，减小后向散射；而天线罩在天线工作频带内呈现出得高透明性使得天线变为很大的散射源，不能做到真正隐身。为了改善这一缺点，缩减带内RCS，将有源频率选择表面的概念引入天线罩的设计中形成具有开关功能的天线罩。这一类的切换开关以达到频率选择表面在透明/全反射状态间转换的设计，可以有效缩减带内RCS，并且可以在较宽频带内呈现传输特性从而更加适合在宽频或者多频天线上应用，因此具有广阔的应用前景。
随着现有技术的不断发展，研究多功能有源频率选择表面结构对于吸波、隐身以及极化转换等应用来说具有更高的实用价值，它也是未来电磁超常媒质频率选择表面研究的一个重要热点。传统的有源频率选择表面只能实现一种功能，如电磁波开关或者极化选择或者频率调谐透波/吸波切换功能，不能高效利用资源。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的为提供一种电磁性能优异的柔性有源频率选择表面，本发明的第二目的为提供该柔性有源频率选择表面的控制方法。
技术方案：本发明的柔性有源频率选择表面，选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底和分别设置在介质基底上下侧的金属周期阵列。
进一步地，金属周期阵列包括若干个呈二维周期排布的金属单元。金属单元呈正方形，包括上下层金属图案、PIN二极管、金属过孔。PIN二极管位于上下层金属图案之间，PIN二极管连接上下层金属图案。
上下层金属图案是镜像对称的，每层金属图案由若干条曲折线组成且任意一条曲折线绕单元中心旋转得到另外的曲折线。
优选的，上下层对应位置曲折线通过金属过孔连通，每个金属过孔位于每条曲折线最内侧且呈中心对称分布。
PIN二极管位于上下层中心且正交放置，PIN二极管连接上层左右曲折线和下层前后曲折线。介质基底上侧的金属周期阵列和介质基底下侧的金属周期阵列呈正交排列。
介质基底采用聚四氟乙烯高频微波板。金属单元采用0.5oz～3oz厚度的铜。
本发明的柔性有源频率选择表面增强了控制手段和结构的灵活性。用硬质基板制成的频率选择表面已不能适应稍微复杂的应用环境，共性的频率选择表面或许能解决这个问题，但其一经制作变无法再次改变形状，为了进一步增加频率选择表面的灵活性，本发明采用低介电常数介质作为柔性基板，相对传统硬质基板具有更大的应用空间。而传统的柔性频率选择表面多为无源，也不适用于智能隐身***，本发明兼具柔性和多功能的优点，结构简单且制备方便，更好的实现了复杂电磁环境下的电磁调控性能。
本发明的有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在双极化带阻状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均不加载直流偏置电压；
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在双极化传输状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在TE极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在TM极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)利用特殊的曲折线拓扑结构，极大小型化了单元的尺寸，并且提高了角度与极化稳定性。且曲折线本身与金属直流馈线相连对PIN管进行偏置，使得单元内部无需额外的偏置线，极大避免了冗余偏置线对频率选择表面的电磁特性产生干扰；
(2)通过两套偏置线***对上下两层金属阵列上的PIN管分别独立偏置，可以实现四种偏置状态，分别是双极化带阻，双极化透波、TE极化波选择和TM极化波选择等四种工作状态，能够在一块有源频率选择表面上实现电磁波开关和极化选择两种功能，器件结构简单，易于加工，角度与极化稳定性极佳；
(3)采用柔性介质基板制作有源频率选择表面，可以极大提高器件的柔软性，十分适合复杂的应用环境；在TE、TM极化和0～75°范围内展现出稳定的电磁特性；
(4)有效解决现有有源频率选择表面馈线冗余、功能单一、结构僵硬的问题，能广泛应用于电磁隐身、电磁兼容和可重构器件设计领域。
附图说明
图1是本发明基于PIN二极管的柔性多功能有源频率选择表面周期结构侧视图；
图2(a)、图2(b)分别是柔性多功能有源频率选择表面的上下层金属单元的结构示意图；
图3是多功能有源频率选择表面的阵列结构示意图；
图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别书是本发明基于PIN二极管的柔性多功能频率选择表面的上下层PIN二极管的偏置状态是“00”、“01”、“10”、“11”(如“01”表示上层PIN二极管截止而下层PIN二极管导通)时正入射下两种极化的电磁波传输系数与频率的关系图；
图5(a)、图5(b)分别是TE和TM极化下在“00”状态下的电磁波传输系数与频率和入射角度的关系图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
为了解决上述技术问题，本发明设计一种基于PIN二极管的柔性多功能有源频率选择表面，单元结构包括低剖面柔性介质基底和分别设置在介质基底上下侧的金属周期阵列。
金属周期阵列包括若干个呈二维周期排布的金属单元：
金属单元呈正方形，包含上下金属图案、两个PIN二极管、四个金属焊盘和四个金属过孔。其中上下层金属图案是镜像对称的，每层金属图案由四条曲折线组成且任意一条曲折线绕单元中心旋转90度、180度、170度可以得到另外三条曲折线。四个金属过孔用于连通上下层对应位置曲折线，每个过孔位于每条曲折线最内侧且四个过孔呈中心对称90度分布。两个PIN二极管分别位于上下层中心且正交放置，分别用于连接上层左右曲折线和下层上下曲折线。四个焊盘在上下层各分布两个用于焊接PIN管。
如图1、图2(a)-(b)所示，本发明通过基板(1)及其上下表面刻蚀的小型化曲折线图案2和3，实现了频率选择的功能：满足某特定频段的高效率反射，而在带外是无损耗透波；通过上层PIN二极管和下层PIN二极管的同时导通而在该频段呈现高透波率；通过上层(下层)PIN管导通而下层(上层)截止对TE(TM)极化入射波的反射而对TM(TE)极化入射波透过。进而实现了集电磁波开关和极化选择两种功能于一体的结构设计。图1中1为柔性介质基板，2、3分别为上下层金属图案，4是通直隔交电感，5是金属单元，A1～A4是上层曲折线贴片，A5～A8下层曲折线贴片，B1～B4是上层过孔位置，B5～B8是下层过孔位置，C1为上层PIN管，C2为下层PIN管，D1～D2为上层焊盘，D3～D4为下层焊盘。
介质基底采用F4B聚四氟乙烯高频微波板，厚度为0.25mm。金属单元采用35μm厚度的铜。PIN二极管采用BAR50-02L型号TSLP-2-1封装的PIN二极管。
本发明的多功能有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：
如果需要多功能有源频率选择表面工作在双极化带通状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；
如果需要多功能有源频率选择表面工作在双极化屏蔽状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均不加载直流偏置电压；
如果需要多功能有源频率选择表面工作在TE极化波屏蔽状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压；
如果需要多功能有源频率选择表面工作在TM极化波屏蔽状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压。
本发明的基于PIN管的柔性多功能有源频率选择表面整个单元结构的周长为4.4mm，整体高度为0.257mm。基板采用相对介电常数为2.2损耗角正切为0.007的F4B介质材料，厚度是0.25mm；基板上下表面周期排布的贴片型频率选择表面厚度皆为0.035mm，曲折线宽度为0.3mm，曲折线间的间隙为0.25mm，过孔为空心圆柱内壁敷铜，孔径为0.3mm。4为隔交电感为TDK公司MLG1608型号2.2nH感值，用来将偏置网络与金属阵列隔离避免其电磁干扰。
本发明中，上层(下层)偏置网络正极给到电压为Ut+(Ub+)，负极接地，代表“1”状态，上层PIN管导通；上层(下层)偏置网络正负极皆悬空，不接电源，代表“0”状态。上下层偏置网络不同的偏置状态组合共有四种，为：“00”、“01”、“10”、“11”。这四种偏置状态分别代表本发明基于PIN二极管的柔性多功能频率选择表面的四种工作状态：双极化带阻、TE极化选择透波、TM极化选择透波、双极化透波。
根据柔性多功能频率选择表面的具体工作频段和应用场景，介质基底1可以选择聚四氟乙烯、聚酰亚胺等、金属材料可以选导电性好的金属比如银、铜等，为方便焊接可以做沉锡工艺防止焊接时局部温度过高使金属氧化。PIN二极管可以根据所用频段的不同选择不同型号小封装PIN管，如NXP公司的BAP64LX型号、INFINEON公司的BAR50-02、BAR64型号、SKYWORKS公司的SMP1321、SMP1340型号等。
在本实施例中，多功能有源频率选择表面工作在微波波段，介质基底采用F4B2.2微波板材，厚度为0.25mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上下表面制作60X60的金属周期阵列，总尺寸为280mm X280mm。
如图3所示，为本发明实施例的馈电方式。本发明上下两层阵列分别加载两个电压源，如图3中上层正极馈电点和下层正极馈电点分别接电压源正极Ub+和另一个电压源正极Ut+，而上层负极馈电点和下层负极馈电点都分别接两个电压源负极，可以共地。图中4是为阵列馈电的线路，5是有源频率选择表面单元。
如图4(a)-(d)所示，为本发明所设计结构的电磁参数曲线，图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)给出了外加直流偏置电压分别在不同编码状态“00”,“01”,“10”,“11”下时，对本实施例的多功能有源频率选择表面透射系数S21的实测结果。当编码状态为“00”时，上下两层的外加直流偏置电压均为0V，PIN管全部为断开状态，本发明实施例在TE、TM极化激励下分别在10GHz和9.3GHz处为双极化带通，-15dB带宽均为2GHz；当编码状态为“01”时，上层的外加直流偏置电压为0V，下层外加直流偏置电压为55V，本发明实施例在TE极化激励在7.2GHz～12.6GHz为单极化带通，***损耗小于5dB，在TM极化激励时在9.3GHz为单极化带通，-15dB带宽为2GHz；当编码状态为“10”时，上层的外加直流偏置电压为55V，下层外加直流偏置电压为0V，本发明实施例在TE极化激励时在10GHz为单极化带通，-15dB带宽为2GHz，在5GHz～12GHz为单极化带通，***损耗小于5dB；当编码状态为“11”时，上下两层的外加直流偏置电压均为55V，PIN管全部为导通状态，本发明实施例在TE、TM极化激励下在7.2GHz～12GHz为双极化传输状态，***损耗小于5dB。
图5(a)、图5(b)分别为本发明实施例在“00”偏置状态下TE、TM极化入射波激励下在0°～75°的透射系数图。可以看出本发明基于PIN二极管的柔性多功能频率选择表面在高达75°入射波激励下仍然能保持较好的电磁特性。
综上，本发明能在一块板子上实现两种功能，在多角度入射下具有稳定的电磁特性，且发明本身设计灵活、制作方便。

Claims (10)

1.一种柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底(1)和分别设置在介质基底(1)上下侧的金属周期阵列。
2.根据权利要求1所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述金属周期阵列包括若干个呈二维周期排布的金属单元(5)。
3.根据权利要求2所述的有源频率选择表面，其特征在于：所述金属单元(5)采用0.5oz～3oz厚度的铜。
4.根据权利要求2所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述金属单元(5)呈正方形，包括上下层金属图案和PIN二极管，PIN二极管位于上下层金属图案之间，用于连接上下层金属图案。
5.根据权利要求4所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述上下层金属图案是镜像对称的，每层金属图案由若干条曲折线组成且任意一条曲折线绕单元中心旋转得到另外的曲折线。
6.根据权利要求5所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：上下层对应位置曲折线通过金属过孔连通，每个金属过孔位于每条曲折线最内侧且呈中心对称分布。
7.根据权利要求5所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：PIN二极管位于上下层中心且正交放置，PIN二极管连接上层左右曲折线和下层前后曲折线。
8.根据权利要求1所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述介质基底(1)上侧的金属周期阵列和介质基底(1)下侧的金属周期阵列呈正交排列。
9.根据权利要求1所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述介质基底(1)采用聚四氟乙烯高频微波板。
10.一种权利要求1所述有源频率选择表面的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在双极化带阻状态，则在介质基底(1)上侧的金属周期阵列、介质基底(1)下侧的金属周期阵列上均不加载直流偏置电压；
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在双极化传输状态，则在介质基底(1)上侧的金属周期阵列、介质基底(1)下侧的金属周期阵列上均沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在TE极化波选择状态，则在介质基底(1)上侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压、在介质基底(1)下侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；
如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在TM极化波选择状态，则在介质基底(1)上侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压、在介质基底(1)下侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压。
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