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CN111555037A - 一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面 - Google Patents

一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电磁兼容技术领域，公开了一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，包括级联在一起的三层结构，第一层为无源光栅结构，第二层为频率选择表面结构，第三层为加载二极管的有源光栅结构，第二层位于第一层和第三层之间，频率选择表面结构包括介质层，介质层的左右两侧面上均设有十字架覆铜层，这种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，可极化选择，又能时域可调，加载二极管的有源光栅能够实现电磁波频点处的反射和投射，能够实现透射型的极化选择，工作频段在低频范围。

Description

一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面
技术领域
本发明涉及电磁兼容技术领域，特别涉及一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面。
背景技术
频率选择表面是由大量谐振单元(金属贴片或缝隙)组成的周期性阵列结构，能够有效地控特定频率电磁波反射和传输，广泛地运用于空间滤波器和天线罩。与传统的天线罩相比，频率选择表面天线罩不仅能够提高雷达工作频带内的透波率，保证雷达正常工作，而且还能降低工作频带外的电磁波反射率，获得良好的隐身效果。有源频率选择表面是在传统FSS上加入某种激励，然后通过人为控制激励，实现电气性能可变。目前实现有源FSS主要有三种方式：在无源FSS结构中加入有源器件(PIN管和变容二极管)、使用电磁特性可变的介质衬底和控制不同层间的耦合方式，其中以无源FSS结构中加入有源器件研究最为广泛。随着技术的发展，结构简单、频率可调性强、极化稳定、入射角稳定、馈电网络简易的有源频率选择表面需求迫切。雷达技术在对飞行器、舰船等军事目标探测侦察、监控中起着越来越重要的作用。但是现在的有源频率选择表面的工作频段一直选用在高频，另外一般造价高，馈电网络难以设计，并且反射和透射的可调现在提出的少之又少。
基于这种新挑战，本发明提供了一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，馈电网络简单可调，另外工作频段在低频范围，并且实现了时域可控的开关来调节电磁波的反射和透射。
发明内容
本发明提供一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，能够实现电磁波频点处的反射和投射，能够实现透射型的极化选择，工作频段在低频范围。
本发明提供了一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，包括：包括级联在一起的三层结构，第一层为无源光栅结构，第二层为频率选择表面结构，第三层为加载二极管的有源光栅结构，第二层位于第一层和第三层之间。
所述第一层、第二层和第三层均包括介质板。
所述无源光栅结构为在第一层中介质板的左侧面上沿y方向设置多条相互平行且等间距的铜线。
所述频率选择表面结构为在第二层中介质板的左侧面上设有第一十字架覆铜层，且在介质板的右侧面上设有第二十字架覆铜层，第一十字架覆铜层和第二十字架覆铜层的长度与介质板的长度相等，第一十字架覆铜层和第二十字架覆铜层的宽度与介质板的宽度相等。
所述加载二极管的有源光栅结构为在介质板的右侧面上沿x方向设置平行的两条多段铜线。
所述介质板为边长为11mm的正方形，介质板的材质为F4B，介电常数为2.65，损耗角为0.001；
所述第一层中介质板的左侧面上沿y方向设有5条相互平行且等间距的铜线，相邻两条铜线之间的间距为1.8mm，铜线的长度为11mm，宽度b为0.4mm，厚度为0.017mm；
所述第一十字架覆铜层，其交叉点外铜线的长度m为5.435mm，铜线的长宽度n为0.13mm，铜线的厚度为0.017mm，第二十字架覆铜层，其交叉点外铜层的长度q为2.75mm，第二十字架覆铜层的宽度p为5.3mm，覆铜层的厚度为0.017mm。
所述平行的两条多段铜线，上下两条铜线之间的间距为3.8mm，左右相邻两段铜线之间通过二极管连接，铜线的长度k为4.1mm，宽度l为1.7mm，厚度为0.017mm，左右两端的两段铜线的长度是中间铜线段长度k的二分之一。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过三层架构级联在一起，第一层和第三层均设有光栅，中间层为频率选择表面结构，即可极化选择，又能时域可调，第三层加载二极管的有源光栅能够实现电磁波频点处的反射和投射，能够实现透射型的极化选择，工作频段在低频范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面的结构示意图。
图2为本发明提供的一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面电磁波投射和反射的示意图。
图3为本发明的仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图1-3，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明主要应用在电磁兼容领域，另外也在雷达通信过程中的宽频中取一个特定的频点来实现通信的时域可调，意为电磁波可以经过结构与雷达进行信息传输，也可随时让电磁波在一个宽频带内全部反射，关掉这一个通信窗口。另外这个技术采取了有源的方式来进行设计，大大增加了可调谐的能力，以及可控制的能力。
这个设计很合理的提出了三层结构，开创性的把光栅与频率选择表面进行结合来实现电磁兼容的目的。并且对于光栅来讲，首次提出了有源光栅和无源光栅的两层的结合，并且在频率选择表面部分也提出了十字架这种稳定而且效率很高的结构。本发明通过中间层两个十字型的金属结构构成的频选结构，此频选结构可以实现低频电磁波透过，高频反射的特性。十字型结构的等效电路机理可等效为电感和电容的串联，左侧的十字结构影响着低频谐振点的形成，由电感和电阻的串联组成。右侧的十字结构主要影响的是带内的吸收，也由电感和电阻的串联电路形成。通过调节结构单元的尺寸和电阻的阻值，可以使工作频带内的透射系数和反射系数大幅度地提高。三层结构中，前后两个光栅一个频率选择表面结构的首次提出，给出了一个新颖的设计理念，让这个理念可以很好的解决在工作频点的极化选择特性以及时域可调。这个设计的三层结构都具有很好的稳定性，而且适用于各种场景，大角度下效果也很好。另外结构非常便宜，二极管的价格选取的也非常低廉，约0.7元一个。馈电网络的设计也非常稳定且方便操作，而且电压在一个40v±5v的范围内都可实现调节，二极管的特性也得到了充分的发挥。
本发明旨在解决飞机或者一些需求隐身性能的装备上，但又要保证一定的通信功能。比如，当装备不需要天线工作时，电磁波将不会进入天线，在经过结构后，0.1GHz-15GHz甚至更高频率交叉极化电磁波都将反射。当需要工作时，二极管断开，这时电磁波只有3.1GHz频率处的进入天线内，其余的也将反射。这样大大保护了装备中的天线的隐身特性，也灵活的实现时域保密通讯。
如图1所示，介质为F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，a＝2mm，b＝0.4mm，m＝5.435mm，n＝0.13mm，p＝5.3mm，q＝2.75mm，k＝4.1mm，l＝1.7mm，铜的厚度为0.017mm。
如图2所示，可以看到，当y极化电磁波入射到结构处，第一层为y方向的光栅，这时y极化电磁波将全部反射。当x极化电磁波入射到结构处时，第一层y方向的光栅没有影响，x极化继续向前传输，经过第二层频选结构后，1GHz-15GHz的x极化电磁波，只有3GHz左右的电磁波可以通过结构。最后一层为沿着x方向的电磁波，当二极管断开，光栅没有连接起来，相当于一个个短短的金属线，这时频选后的电磁波将向前传输。当二极管导通时，光栅将形成，此时x极化电磁波将全部反射。控制二极管的开关将会实现电磁波时域可控。
如图3所示，a图中，当二极管断开，y极化高效跳反射。b图中，当二极管导通，y极化依旧高效反射。c图中，当二极管断开，x极化高效在3.1GHz处有一个很高的投射频点，其余频段全部反射。d图中，当二极管导通，x极化高效反射。结果符合设计需求。
前后光栅，中间层为频率选择表面结构，既可极化选择，又能时域可调。
另外光栅为加载二极管的有源光栅。有源光栅能够实现电磁波频点处的反射和投射，实现透射型的极化选择。
飞机的弹头雷达可考虑加载此机构，可以实现极化选择以及时域控制。另外许多军事装备的雷达表面，在合适的频段内都可实现这一功能。
设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力，在很多电磁兼容领域，此结构非常合适使用。
本发明通过三层架构级联在一起，第一层和第三层均设有光栅，中间层为频率选择表面结构，即可极化选择，又能时域可调，第三层加载二极管的有源光栅能够实现电磁波频点处的反射和投射，能够实现透射型的极化选择，工作频段在低频范围。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，包括级联在一起的三层结构，第一层为无源光栅结构，第二层为频率选择表面结构，第三层为加载二极管的有源光栅结构，第二层位于第一层和第三层之间。
2.如权利要求1所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述第一层、第二层和第三层均包括介质板。
3.如权利要求2所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述无源光栅结构为在第一层中介质板的左侧面上沿y方向设置多条相互平行且等间距的铜线。
4.如权利要求3所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面结构为在第二层中介质板的左侧面上设有第一十字架覆铜层，且在介质板的右侧面上设有第二十字架覆铜层，第一十字架覆铜层和第二十字架覆铜层的长度与介质板的长度相等，第一十字架覆铜层和第二十字架覆铜层的宽度与介质板的宽度相等。
5.如权利要求4所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述加载二极管的有源光栅结构为在介质板的右侧面上沿x方向设置平行的两条多段铜线。
6.如权利要求5所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述介质板为边长为11mm的正方形，介质板的材质为F4B，介电常数为2.65，损耗角为0.001；
所述第一层中介质板的左侧面上沿y方向设有5条相互平行且等间距的铜线，相邻两条铜线之间的间距为1.8mm，铜线的长度为11mm，宽度b为0.4mm，厚度为0.017mm。
7.如权利要求6所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述第一十字架覆铜层，其交叉点外铜线的长度m为5.435mm，铜线的长宽度n为0.13mm，铜线的厚度为0.017mm，第二十字架覆铜层，其交叉点外铜层的长度q为2.75mm，第二十字架覆铜层的宽度p为5.3mm，覆铜层的厚度为0.017mm。
8.如权利要求7所述的具有极化选择特性的时域开关调控频率选择表面，其特征在于，所述平行的两条多段铜线，上下两条铜线之间的间距为3.8mm，左右相邻两段铜线之间通过二极管连接，铜线的长度k为4.1mm，宽度l为1.7mm，厚度为0.017mm，左右两端的两段铜线的长度是中间铜线段长度k的二分之一。
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