一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元及选择表面

1.本发明属于全自动化产品领域，涉及一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元及选择表面。

背景技术：

2.频率选择表面(frequency selective surface,fss)是由贴片或孔径单元周期排列而成的无限大阵列，起到空间滤波器的作用。由于优秀的滤波性能，已广泛应用于吸波器、雷达隐身、通信和电磁兼容等领域。
3.近年来随着多功能、多标准通信系统的日益发展，研究具有可调频功能的fss成为热点。根据调控方式的不同，可调频fss可分为机械调控、磁调控、微机调控和电压调控型。其中，机械调控和磁调控的fss具有调节速度慢、调频范围窄等缺点；微机调控的fss需要复杂的制作方法。而电压调控通常是在fss中加入pin管或变容二极管等有源元件，通过调节其偏置电压，实现频率特性的可调节功能。这种电压调控型的fss具有制备简单、成本低和响应速度快等优点，被广泛应用于多功能、多标准通信系统中。但是，这种含有源元件的可调控fss需要设置馈电网络，而馈电网络的引入将会影响初始fss的电磁性能。另一方面，目前设计的可调控fss测试结果表明，在角度稳定性方面上述fss表现差强人意——在同一偏置电压下，fss的谐振频率随入射波角度变化不稳定，这将会制约可调频fss在共形雷达天线罩以及其它结构上的应用。因此，需开展进一步的研究，以获得具有高角度稳定性的可调频fss。
4.与无源fss相比，可调频fss角度稳定性的分析难度更高。原因在于无源fss一旦制作完成，其传输响应是固定的；而可调频fss的传输响应会随着变容二极管偏置电压的变化而变化。而对于同一偏置电压下，可调频fss的谐振频率和插入损耗会随着入射角度和极化方式的变化而变化。其中插入损耗是由于变容二极管较大的结电容以及内部不可忽略的寄生电阻引起的。因此，需考虑不同偏置电压下，入射角度和极化方式对可调频fss谐振频率的偏移量以及相应插入损耗的影响。
5.目前，具有高角度稳定性的可调频fss主要采用3d结构或多层结构。南洋理工大学沈忠翔教授提出了3d带通可调fss，角度稳定性为60
°
，但是该结构为极化敏感结构；接着又提出了基于三层结构级联的双极化二阶可调频fss，仿真结果表明该结构在0
°‑
60
°
入射角时可产生稳定的响应，但未提供实验验证。而且采用3d结构或多层结构构成的可调频fss引入的制造误差较多，且剖面较高，难以用于天线罩等共形结构中。
6.因此，针对目前可调频fss存在的问题包括：一方面馈电网络的引入影响初始fss的电磁性能；另一方面，可调控fss结构剖面较厚、角度稳定性方面表现较差—随入射波角度和极化方式的变化而表现出不稳定的传输响应。

技术实现要素：

7.为了解决附加的馈电网络对初始fss结构的电磁特性带来不利影响的问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：采用馈电网络与fss单元的一体化结构设计方法，一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，包括介质层、提供变容二极管馈电网络的顶层和底层；
8.紧贴介质层、设置在所述介质层上方的顶层；
9.紧贴介质层、设置在所述介质层下方的底层；
10.所述介质层中心设置有金属过孔；
11.所述顶层包括第一金属贴片和变容二极管组；
12.所述底层包括第二金属贴片；
13.所述第一金属贴片的中心点通过所述金属过孔与第二金属贴片的中心点相连接
14.所述变容二极管组分别与所述第一金属贴片、第二金属贴片相连接。
15.进一步地，所述变容二极管组包括4个变容二极管。
16.进一步地，所述第一金属贴片包括方环和具有4个桥臂的弯曲十字结构；
17.所述弯曲的桥臂的一端均与通过所述第一金属贴片的中间点相连接；
18.所述方环和具有4个桥臂的弯曲十字结构关于中心点对称；
19.上一个弯曲的桥臂以中心点为圆点顺时针或逆时针旋转90度以后与下一个弯曲的桥臂重合；
20.所述方环与变容二极管的阴极相连接；
21.所述弯曲十字结构的桥臂与变容二极管的阳极相连接。
22.进一步地，所述介质层、第一金属贴片和第二金属贴片的周期尺寸相等。
23.进一步地，所述第二金属贴片包括4个弯曲的偶极子；
24.所述弯曲的偶极子通过中间点交叉相连接；
25.上一个弯曲的偶极子顺时针或逆时针旋转90度后与下一个弯曲的偶极子重合；
26.所述4个弯曲的偶极子关于中心点对称；
27.所述第二金属贴片与多个变容二极管的阳极相连接。
28.进一步地，所述介质层只有一层。
29.进一步地，所述第一金属贴片、第二金属贴片的厚度均为0.035mm。
30.一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面，包括多个所述的频率选择表面单元结构。
31.本发明提供的一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元及选择表面，采用馈电网络与fss单元的一体化结构设计方法，提出了一个低剖面、极化不敏感、高角度稳定性的可调频fss。该结构可以在te和tm极化的入射角由0
°
变化到70
°
时保持稳定的传输响应，实验结果与仿真结果具有较好的一致性。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
33.图1(a)是可调频频率选择表面3d示意图；(b)是可调频频率选择表面的顶层示意图；(c)是可调频频率选择表面的中间层示意图；(d)是可调频频率选择表面的底层示意图；
34.图2是(a)是电容值为0.33pf时te极化波入射可调频fss仿真传输系数，(b)是电容值为0.33pf时tm极化波入射可调频fss仿真传输系数，(c)是电容值为0.21pf时te极化波入射可调频fss仿真传输系数，(d)是电容值为0.21pf时tm极化波入射可调频fss仿真传输系数；
35.图3(a)为制作样件的顶层图，(b)为制作样件的底层图；
36.图4为测试装置示意图；
37.图5(a)为垂直入射条件下透波系数的仿真结果图，(b)为相应透波系数的实测结果图；
38.图6(a)为可调频频率选择表面在10v电压斜入射条件下te极化波测试传输系数，(b)为可调频频率选择表面在10v电压斜入射条件下tm极化波测试传输系数，(c)为可调频频率选择表面在20v电压斜入射条件下te极化波测试传输系数，(d)为可调频频率选择表面在20v电压斜入射条件下tm极化波测试传输系数。
具体实施方式
39.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
40.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
42.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关
系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
44.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
45.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
46.图1(a)是可调频频率选择表面3d示意图；(b)是可调频频率选择表面的顶层示意图；(c)是可调频频率选择表面的中间层示意图；(d)是可调频频率选择表面的底层示意图；
47.一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，包括介质层、提供变容二极管馈电网络的顶层和底层；
48.所述顶层紧贴介质层、设置在所述介质层上方；该选择表面为低剖面，所述介质层只有一层；
49.所述底层紧贴介质层、设置在所述介质层下方的底层；
50.所述介质层中心设置有金属过孔；
51.所述顶层包括第一金属贴片和变容二极管组；所述变容二极管组包括4个变容二极管；
52.所述底层包括第二金属贴片；
53.所述第一金属贴片的中心点通过所述金属过孔与所述第二金属贴片的中心点相连通；
54.所述变容二极管组分别与所述第一金属贴片、第二金属贴片相连接。
55.所述第一金属贴片包括方环及设置在方环内部的具有4个桥臂的弯曲十字结构；
56.所述弯曲的桥臂的一端均与通过所述第一金属贴片的中间点相连接；
57.所述方环和具有4个桥臂的弯曲十字结构关于中心点对称；
58.上一个弯曲的桥臂以中心点为圆点顺时针或逆时针旋转90度以后与下一个弯曲的桥臂重合；
59.所述方环与变容二极管的阴极相连接；
60.所述弯曲十字结构的桥臂与变容二极管的阳极相连接所述弯曲十字结构包括第一边、第一折弯、第二折弯、第三折弯、第四折弯和第五折弯；
61.所述第一边、第一折弯、第二折弯、第三折弯、第四折弯和第五折弯首尾依次连接；
62.所述第一边、第一折弯、第二折弯、第三折弯、第四折弯和第五折弯相连接时成90度角；
63.所述第一边的长度l1＝0.8mm，第一折弯的长度l2＝0.55mm，第三折弯的长度l3＝1.3mm；第五折弯的长度l4＝1.2mm；
64.所述第一边、第一折弯、第二折弯、第三折弯、第四折弯和第五折弯的宽度均为w1＝0.3mm；
65.所述第五折弯距离方形边框的内边框的距离g＝0.35mm；
66.所述方形边框的宽度是d＝1.4mm；
67.所述介质层、第一金属贴片和第二金属贴片均为正方形，所述正方形的边长为10mm。
68.第一金属贴片和第二金属贴片采用金属铜；
69.所述第二金属贴片包括4个弯曲的偶极子；
70.所述弯曲的偶极子通过中间点交叉相连接；
71.上一个弯曲的偶极子顺时针或逆时针旋转90度后与下一个弯曲的偶极子重合；
72.所述4个弯曲的偶极子关于中心点对称；
73.所述第二金属贴片与多个变容二极管的阳极相连接；
74.所述弯曲的偶极子包括第二边、第六折弯、第七折弯、第八折弯和第九折弯；
75.所述第二边、第六折弯、第七折弯、第八折弯和第九折弯首尾依次连接；
76.所述第二边、第六折弯、第七折弯、第八折弯和第九折弯相连接时成90互成90度角；
77.所述第二边的长度l6＝0.8mm，所述第六折弯、第七折弯的垂直距离为l7＝1.3mm，第九折弯的长度l5＝1.75mm，
78.所述第二边的长度、第六折弯、第七折弯、第八折弯和第九折弯的宽度w2＝0.3mm；
79.所述介质层厚度，t＝0.5mm，超薄介质层的采用f4b-2，εr＝2.65，tanδ＝0.005；
80.所述第一金属贴片、第二金属贴片的厚度为0.035mm。
81.所述介质层、第一金属贴片和第二金属贴片的周期尺寸相等。所述周期尺寸为一个单位的尺寸，该制作频选样件可以做成一个周期尺寸的几倍或几十倍；
82.一种可调频频率选择表面，包括多个所述的选择表面单元结构。
83.为研究所提出可调频fss在不同电容值下的角度稳定性，分别计算了电容值为0.33pf和0.21pf时，te和tm极化波在不同角度入射时结构的传输系数，图2是(a)是电容值为0.33pf时te极化波入射可调频fss仿真传输系数，(b)是电容值为0.33pf时tm极化波入射可调频fss仿真传输系数，(c)是电容值为0.21pf时te极化波入射可调频fss仿真传输系数，(d)是电容值为0.21pf时tm极化波入射可调频fss仿真传输系数；。从图中可以看出，所设计的fss对于两种极化波在高达70
°
的入射角范围内都显示出稳定的通带频率响应。这是由于设计的fss结构具有较小的单元尺寸以及超低剖面。但当电容值减小至0.21pf时，在te响应中带外出现了尖锐的谐波，并且当电容值不变时，随着入射角度的增大，在tm响应中带外出现了寄生谐振。其中te响应中尖锐的谐波是由于fss单元之间不平衡的电场激发了高阶共振模式。tm响应中寄生谐振一方面是由于曲折金属贴片存在的弯曲模式引起，另一方面是由于垂直于结构表面的电场分量与导电金属通孔耦合所导致，可通过减小金属通孔的直径来减弱耦合。考虑到带外尖锐的谐波和寄生谐振远离目标频带，其影响可以忽略。因此，该结构具有较高的角度稳定性。
84.为进一步验证可调频fss结构的有效性，采用印刷电路板技术(printed circuit boards,pcb)制作了fss样件，
85.图3(a)为制作样件的顶层图，(b)为制作样件的底层图；
86.，整体尺寸为240mm
×
240mm，20
×
20个单元印制在厚度为0.5mm、材料为f4b-2介质基板两侧。集成电感(lqw15an6n2b00d,6.2nh,murata inc.)对称地焊接在馈线上，这些电感会在自身谐振频率处表现为高阻抗特性，同时可以在整个可调频范围内提供隔离射频信号的作用。该结构的每一个变容二极管并联连接，具有反应时间短、所需电压小、实验误差小等优点。
87.在微波暗室中采用自由空间测量法对上述可调频fss样件的透波系数进行测量。
88.图4为测试装置示意图，所用仪器包括矢量网络分析仪(agilent n5242a)、发射和接收天线(2～8ghz)、为变容二极管供电的直流电压源(hjs-480-0-36)。天线的位置距样件约0.8m，为了减小边缘效应以及提高测试精度，将样件放置在锥形吸波器中间。未放置样件时锥形吸波器测的透波系数作为归一化系数，并采用时域门技术滤除了绕射波对测量结果的影响。
89.变容二极管两端偏置电压由6v调到20v，每增加2v采集一组频率响应数据。图5(a)为垂直入射条件下透波系数的仿真结果，图5(b)为相应透波系数的实测结果。从图5可知，当电压由6v升高至20v，仿真和实测的通带中心频率均由3ghz提高至4.53ghz，仿真中心频点和实测中心频点吻合性较好。仿真的插入损耗由6.2db变化到2.4db，实测的插入损耗由7.1db变化到2.48db。
90.图6(a)为可调频频率选择表面在10v电压斜入射条件下te极化波测试传输系数，(b)为可调频频率选择表面在10v电压斜入射条件下tm极化波测试传输系数，(c)为可调频频率选择表面在20v电压斜入射条件下te极化波测试传输系数，(d)为可调频频率选择表面在20v电压斜入射条件下tm极化波测试传输系数。
91.当变容二极管电压为10v时，从图6(a)和(b)的实测结果可以看出，对于te和tm极化波，当入射角度增大至70
°
时谐振频率偏移量均为0.8％。当变容二极管电压为20v时，从图6(c)和(d)的实测结果可以看出，随着te极化波入射角度的增大，谐振频率向低频移动，当角度增大至70
°
时，谐振频率偏移量为3.19％。而对于tm极化波，随着入射角度的增大，谐振频率几乎没有偏移，且插入损耗逐渐减小。
92.以上实测结果表明所设计的可调频fss的偏置电压为10v-20v时，在高达70
°
的大范围入射角范围内对于te和tm极化波都显示出稳定的通带频率响应。因此，采用紧凑、低剖面的单元结构可获得较好的角度稳定性。
93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，其特征在于：包括介质层、提供变容二极管馈电网络的顶层和底层；紧贴介质层、设置在所述介质层上方的顶层；紧贴介质层、设置在所述介质层下方的底层；所述介质层中心设置有金属过孔；所述顶层包括第一金属贴片和变容二极管组；所述底层包括第二金属贴片；所述第一金属贴片的中心点通过所述金属过孔与第二金属贴片的中心点相连接所述变容二极管组分别与所述第一金属贴片、第二金属贴片相连接。2.根据权利要求1所述一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元一种可调频频率选择表面单元，其特征在于：所述变容二极管组包括4个变容二极管。3.根据权利要求2所述一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，其特征在于：所述第一金属贴片包括方环和具有4个桥臂的弯曲十字结构；所述弯曲的桥臂的一端均与通过所述第一金属贴片的中间点相连接；所述方环和具有4个桥臂的弯曲十字结构关于中心点对称；上一个弯曲的桥臂以中心点为圆点顺时针或逆时针旋转90度以后与下一个弯曲的桥臂重合；所述方环与变容二极管的阴极相连接；所述弯曲十字结构的桥臂与变容二极管的阳极相连接。4.根据权利要求2所述一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，其特征在于：所述介质层、第一金属贴片和第二金属贴片的周期尺寸相等。5.根据权利要求1所述的一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，其特征在于：所述第二金属贴片包括4个弯曲的偶极子；所述弯曲的偶极子通过中间点交叉相连接；上一个弯曲的偶极子顺时针或逆时针旋转90度后与下一个弯曲的偶极子重合；所述4个弯曲的偶极子关于中心点对称；所述第二金属贴片与多个变容二极管的阳极相连接。6.根据权利要求1所述一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，其特征在于：所述介质层只有一层。7.根据权利要求1所述一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，其特征在于：所述第一金属贴片、第二金属贴片的厚度均为0.035mm。8.一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面，其特征在于：包括多个如权利要求1-7任所述的频率选择表面单元结构。

技术总结

本发明一种宽角域稳定的可调频双极化频率选择表面单元，包括介质层、提供变容二极管馈电网络的顶层和底层；紧贴介质层、设置在介质层上方的顶层；紧贴介质层、设置在介质层下方的底层；介质层中心设置有金属过孔；顶层包括第一金属贴片和变容二极管组；底层包括第二金属贴片；第一金属贴片的中心点通过金属过孔与第二金属贴片的中心点相连接；变容二极管组分别与第一金属贴片、第二金属贴片相连接；采用馈电网络与FSS单元的一体化结构设计方法，提出了一个低剖面、极化不敏感、高角度稳定性的可调频FSS。该结构可以在TE和TM极化的入射角由0