[发明专利]基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面

说明书

本发明公开了一种基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，包括介质板以及介质板上下表面的金属单元；其中介质板上表面的第一金属单元是双方形缝隙环结构，最外层的方形环金属贴片的每条边由中间断开并通过PIN二极管连接，介质板下表面的第二金属单元是在方形金属贴片的每条边蚀刻一个矩形凹槽。本发明在不同极化方式以及不同入射角度下的透射、反射带宽在‑2dB均可以达到4GHz，具有双极化、宽频带并且对入射角度不敏感的优点，可用于雷达、超宽带天线等领域。

技术领域

本发明属于周期结构中频率选择表面设计领域，具体涉及一种基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面。

背景技术

频率选择表面是一种可用于空间滤波的二维周期平面结构，它对不同工作频率、入射角度和极化状态的电磁波具有选择滤波特性。通过一定参数的调整，可以实现FSS在工作频段内带通或带阻。无源频率选择表面在单元结构确定之后，其电磁特性就基本固定，不能适应多变的电磁环境。因此，可重构频率选择表面(Reconfigurable FrequencySelective Surface,RFSS)应运而生。

可重构频率选择表面主要通过以下几种方式实现：1、在FSS结构中加载有源器件(如PIN二极管、变容二极管)。2、使用电磁特性可变的介质作为FSS衬底(如铁氧体基底、光感有机材料等)。3、改变层间耦合，对于多层频率选择表面，可以通过控制不同层间的耦合方式和耦合强度来改变频率选择表面的谐振特性。PIN二极管作为一种微波射频开关，具有响应速度快、体积小、价格便宜等优点，是实现可重FSS的比较常用的方式。基于PIN二极管的可重构频率选择表面，可以通过改变二极管的状态改变单元的谐振状态。二极管的加载方式分为单面加载和双面加载两种，双面加载的方式在性能上容易实现双极化，但加工上有一定难度；而单面加载的方式容易加工，但是性能上想要实现双极化宽带宽，则较为困难。另外，由于电控器件都需要外加偏置电压，因此通常需要在频率选择表面阵列内添加馈线。然而额外的馈线会极大地影响有源频率选择表面地电磁特性(如频率偏移、插损增加、虚假信号响应等)，同时会增加制作难度。通过合理设计有源频率选择表面拓扑结构，将金属周期结构本身作为馈线，能够去除有源频率选择表面阵列内冗余的馈线，极大减小馈电系统带来的负面影响。

南京航空航天大学在专利“一种并联馈电型多功能有源频率选择表面”(公开号：CN106785467A)提出了一种并联馈电型有源频率选择表面。该有源频率选择表面包含介质基底和正交排布在介质基底两侧的金属周期阵列，金属周期阵列包括若干个呈周期性排布的金属单元。金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属T型结构和二极管，其中，两个金属细线结构平行设置，两个金属T型结构的横边平行设置，竖边通过二极管连成一条直线。金属周期阵列中,同一排的相邻金属单元中二极管的方向相反，同一列的金属单元中二极管的方向相同。介质一侧的金属周期阵列加载变容二极管,另一侧的金属周期阵列加载PIN二极管。通过控制下层PIN二极管的通断，实现TE极化下电磁开关功能，有源频率选择表面在带通和带阻两种状态下，其隔离度在3GHz处大于24dB。该有源频率选择表面虽然馈线简单，但在实现电磁开关功能时传输带宽窄，通带内插入损耗大，没有提到入射角度问题，且不能实现双极化。

东南大学在专利“一种C波段有源人工电磁表面”(公开号：108365343A)中，提出了一种C波段有源人工电磁表面，由缝隙型人工电磁表面、有源元件与馈电网络组成，其中有源元件由PIN二极管和高频恒值电容串联而成。所述缝隙型人工电磁表面包括在介质基板上表面加工的方环缝隙结构，以及介质基板内部的金属通孔。所述金属通孔连接介质基板背面的直流馈电线，所有馈电线组成馈电网络。所述介质基板下表面的馈电网络分为正、负两部分，分别连接PIN二极管的负极和正极，通过对PIN二极管施加偏置电压，改变工作状态，实现人工电磁表面“开”、“关”两种状态。器件中心频率5.10GHz,“开”状态时插入损耗小于1dB带宽为1.32GHz,“关”状态时隔离度大于20dB带宽为0.85GHz。该人工电磁表面切换带宽较窄，未考虑到双极化和角度问题。

由此可见，单面加载PIN二极管，同时实现双极化、宽带宽的可重构频率选择表面仍具有较大挑战。