基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术在不同极化方式以及不同入射角度下的透射、反射带宽在

【技术实现步骤摘要】
基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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 Frequency Selective Surface,RFSS)应运而生。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提出一种基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，可以在X波段实现透射、反射功能切换，具有馈线简单、宽角入射和对极化方式不敏感的优点。
[0008]实现本专利技术目的的技术解决方案为：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，所述介质板上下表面分别设置有第一金属单元和第二金属单元；所述第一金属单元包括一个外围边长等于单元周期尺寸的第一方形环金属贴片，位于第一方形环金属贴片内侧的第二方形环金属贴片，以及位于第二方形环金属贴片内侧的第一方形金属贴片，其中最外层的第一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；第二金属单元为金属贴片结构，该贴片结构是在第二方形金属贴片的每条边上蚀刻矩形凹槽。
[0009]进一步的，平行的两条金属边上的二极管，其方向一致。
[0010]进一步的，未蚀刻矩形凹槽的第二方形金属贴片的边长f小于单元周期尺寸。
[0011]进一步的，第二方形金属贴片上蚀刻的矩形凹槽位于每条边的中间，其宽度小于第二方形金属贴片的边长的一半。
[0012]进一步的，第一方形金属贴片的边长小于第二方形环金属贴片的内边长。
[0013]进一步的，第二方形环金属贴片的外边长小于第一方形环金属贴片的内边长。
[0014]进一步的，第二方形环金属贴片的宽度大于第一方形环金属贴片的宽度。
[0015]进一步的，第一金属单元沿中线轴对称。
[0016]进一步的，第二金属单元所蚀刻的四个矩形凹槽呈上下左右对称分布。
[0017]进一步的，介质板的介电常数是2.2。
[0018]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)PIN管全都在介质板上表面，因此只需要进行单面馈电，方便加工；(2)该可重构FSS阵列以金属结构本身作为馈电网络，有效减少阵列内部的冗余馈线，减小馈电系统对阵列电磁特性的负面影响；(3)TE/TM极化波斜入射角度在0
°
至45
°
范围内，透射、反射状态下的
‑
2dB带宽均可以达到4GHz，具有宽频带内双极化、对斜入射角度不敏感的优点。
[0019]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。
附图说明
[0020]图1是可重构FSS上表面周期结构单元示意图。
[0021]图2是可重构FSS整体结构的分层示意图。
[0022]图3是可重构FSS上表面周期结构单元示意图。
[0023]图4是可重构FSS下表面周期结构单元示意图。
[0024]图5是本专利技术在PIN管截止、TE极化波以不同角度入射时的S11图。
[0025]图6是本专利技术在PIN管截止、TM极化波以不同角度入射时的S11图。
[0026]图7是本专利技术在PIN管导通、TE极化波以不同角度入射时的S21图。
[0027]图8是本专利技术在PIN管导通、TM极化波以不同角度入射时的S21图。
具体实施方式
[0028]下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，包括介质板，其特征在于，所述介质板上下表面分别设置有第一金属单元和第二金属单元；所述第一金属单元包括一个外围边长等于单元周期尺寸的第一方形环金属贴片，位于第一方形环金属贴片内侧的第二方形环金属贴片，以及位于第二方形环金属贴片内侧的第一方形金属贴片，其中最外层的第一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；所述第二金属单元为金属贴片结构，该金属贴片结构是在第二方形金属贴片的每条边上蚀刻矩形凹槽。2.根据权利要求1所述的基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，其特征在于，第一方形环金属贴片的平行的两条金属边上的PIN二极管，其方向一致。3.根据权利要求1所述的基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，其特征在于，未蚀刻矩形凹槽的第二方形金属贴片的边长小于单元周期尺寸。4.根据权利要求3所述的基于单面加载PIN二极管的宽带可重构频率选择表面，其特征在于，第二方形金属贴片上蚀刻的矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗志园，曹海若，鄢亚美，吴文，钱嵩松，司马博羽，王翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：