大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面

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1.本发明涉及电磁场与微波技术领域，尤其涉及大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面。

背景技术：

2.过去的十几年以来，研究人员对频率选择表面（frequency selective surfaces，fsss）产生了极大的兴趣，因为fss结构在电磁屏蔽和降低雷达截面（radar cross section，rcs）性能方面表现出了巨大的优势。对于传统的无源fss结构，当结构的几何尺寸固定时，那么结构的传输特性响应是基本上不会发生改变的，这样的缺陷就会带来当结构工作在某些电磁兼容和军事隐身等复杂的应用环境受到限制的问题。为了解决这一技术限制带来的问题，国内研究者纷纷开始研究一种新型的具有可重构传输特性响应的有源频率选择表面（active frequency selective surfaces，afsss）结构，该结构相比于传统的结构而言，能够更好地在传统fss结构受限制的工作环境下发挥结构的作用，极大地弥补了传统fss结构的缺陷，可重构的特性使得afss结构在众多结构中脱颖而出。比如，在天线罩的工作环境下，当结构处于屏蔽状态时，可以保护天线待机时免受强带内的电磁脉冲影响，而结构重构到传输状态时，又可以保证结构的通信传输性能。
3.目前为止，可重构afss结构已经广泛应用于各个领域，比如在压缩成像方面、电磁脉冲保护方面和超宽带吸收方面都有可重构afss的身影，发挥着巨大的作用。在这些可重构afss结构中开关型afss结构的谐振响应的工作状态是与其pin二极管的偏置电压紧密联系的，与此同时，这样的技术方法同样适用于可重构吸收/反射结构和传输/屏蔽结构中。
4.但是，目前具有的afss结构技术采用线性重构馈电网络的方法，这样的技术方法一般只能改变频率选择表面单一极化方向上的电性能。尤其是对于超宽带和入射角不敏感的设计上，传统开关型afss结构设计具有大多数结构为窄带设计的缺陷，因此只有少数经过实验验证的结构才能够在全极化入射的条件下工作。为了解决传统afss结构馈电技术方法带来的问题，本发明提出一种新型的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，本发明设计结构采用单层正交馈电网络与结构元胞协同一体化设计方法，能够极大地解决传统afss结构馈电技术方法带来的问题。

技术实现要素：

5.在现有的技术背景下，传统的无源fss结构具有当结构的几何尺寸固定时，结构的传输特性响应是基本不会发生改变的缺陷。现有的afss结构采用的线性重构馈电网络的技术方法，具有只能改变频率选择表面单一极化方向上的电性能的技术缺陷，另外加上开关型afss结构设计大多数结构为窄带设计带来的技术限制。
6.基于上述技术方法的不足，本发明设计提出大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，可解决线性重构馈电方法技术导致只能改变在单一极化方向上的电性能的问题，实现入射角度与极化不敏感特性。
7.为实现前述发明目的，本发明提供大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，包括第一介质板、第二介质板、第一导电层、第二导电层、第三导电层；第一介质板设置于第二介质板上方，第一介质板上层表面设置第一导电层，第一介质板与第二介质板之间设置第二导电层，所述第二介质下表面设置第三导电层，所述三层金属片形状、尺寸一致，且各导电层表面为中心对称分布结构，所述第一介质板位置与第二介质板位置上下重叠对应。
8.在其中一实施例中，所述第一导电层包括至少一个结构单元、至少四个二极管、两条金属线；各结构单元通过二极管连接，两条金属线分别设置于过第一导电层对称中心的对角线两端；各结构单元的结构彼此相同，各结构单元分别均包括外周呈矩形结构、且内部设置呈中心对称开槽的金属片，各结构单元之间呈中心对称分布，且各结构单元之间同向周期性无缝连接，形成第一导电层上空格矩形阵列的金属片，2n个金属片组成频率选择表面阵列；其中，各横向相邻结构单元金属片之间通过二极管连接形成各横向通路，各纵向相邻结构单元金属片之间通过二极管连接形成各纵向通路，由两金属线给纵向二极管施加偏置电压。
9.在其中一实施例中，所述第三导电层包括外周呈矩形结构、且内部设置呈中心对称开槽的金属片，各结构单元之间呈中心对称分布，且各结构单元之间同向周期性无缝连接，形成第三导电层上空格矩形阵列的金属片，2n个金属片组成频率选择表面阵列。
10.在其中一实施例中，所述第一导电层中，连通金属片对照射其表面的电磁波进行反射，间断金属片对照射其表面的电磁波进行传输，通过控制第一导电层中二极管的偏置状态，结合三层导电层结构设置，实现对电磁波的全极化屏蔽和传输；当金属线向二极管两端施加反向偏置电压时，结构处于关闭的工作状态，向开关二极管两端施加正向偏置电压时，结构处于开启的工作状态。
11.在其中一实施例中，所述第一导电层中金属片为凹槽十字型金属片，其中s=2.4mm,尖端b=0.25mm，弧形e=0.39mm，d=0.3mm；所述凹槽十字型金属片上挖空八个金属圆片，所述金属圆片的半径为a=1mm。
12.在其中一实施例中，所述所述第二导电层包括多个相互连接的十字型金属片，十字型金属片相互连接组成空格矩形阵列，第二导电层中的十字型金属片与第一导电层与第三导电层的空格矩形阵列对齐设置， 2n个金属片形成频率选择表面阵列；十字型金属片中心挖空正方形。
13.在其中一实施例中，所述正方形边长f=4.2，十字型金属片的宽度g=3.5mm。
14.在其中一实施例中，所述第三导电层中金属片为凹糟十字型金属片；其中j=2.14mm，尖端宽度n=0.25mm，弧形长度为k=0.39mm，q=0.96mm，m=2.89mm，各凹槽十字型金属片上挖空八个金属圆片，所述金属圆片的半径l=1mm。
15.在其中一实施例中，所述第一介质板的厚度为2mm，第二介质板的厚度为4mm。
16.在其中一实施例中，所述第一介质板和第二介质板的相对介电常数为3。
17.在其中一实施例中，所述凹槽十字型金属片四周设置二极管，形成单层正交馈电网络结构。
18.本发明的有益效果：1.本发明设计提出了一种新型单层正交馈电网络，结合pin二极管获得了人工电
磁表面通、阻模式一键切换的可重构性能。
19.2.本发明设计利用多层滤波器原理设计了多层耦合人工电磁表面结构从而提升了滤波器的斜入射稳定性，实现了在斜入射角0-60
°
范围内的稳定传输与屏蔽响应。
20.3.本发明设计了一种近似完全中心对称的元胞结构与馈电网络，实现在不同极化下传输特性响应的一致性。
21.4.本发明设计作为一种低纹波电平的二阶滤波器，具有高透射率的特性响应。当在开关二极管两端施加正向偏置电压时，结构处于开启的工作状态，本发明设计结构顶层的fss结构被短连接，实现在0-10 ghz频带内的超宽带屏蔽功能。
附图说明
22.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例结构示意图；图2为本发明实施例第一导电层结构示意图；图3为本发明实施例第二导电层结构示意图；图4为本发明实施例第三导电层结构示意图；图5为本发明等效电路模型图；图6为本发明实施例结构在不同极化角度下的性能曲线；图7为本发明实施例结构在斜入射下的性能曲线；图8为入射波传播方向平面上的电场分布图。
具体实施方式
24.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术方案及功效，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
25.本发明提出一种新型的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，与以往传统的可重构频率选择表面结构不同，该结构能够在不同入射角度和极化下提供不敏感的特性响应。提出的结构由三层频率选择表面结构组成，其工作模式由pin二极管的偏置状态控制，结构之所以能够起到空间滤波器或屏蔽结构的作用完全依赖于结构pin二极管的偏置电压变化。在提出新型结构的基础上，建立一个等效电路模型（equivalent circuit model）用于研究新型可重构人工电磁表面的入射角与极化不敏感特性响应。当给pin二极管施加反向的偏置电压时，开关处于关闭状态，此时提出的结构作为一个低纹波电平的二阶滤波器，具有高透射率。相反，当给pin二极管施加正向的偏置电压时，使得pin开关二极管切换到开启工作状态，在开启状态下，顶层的频率选择表面结构单元被短路连接，导致在0-10 ghz频率范围内表现超宽带屏蔽特性响应。最后，通过ecm计算、模拟分析和实验测量对提出的结构进行验证。
26.图1为本发明实施例结构示意图，如图1所示，本发明实施例公开大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，包括第一介质板、第二介质板、第一导电层、第二
导电层、第三导电层；第一介质板设置于第二介质板上方，第一介质板上层表面设置第一导电层，第一介质板与第二介质板之间设置第二导电层，所述第二介质下表面设置第三导电层，所述三层金属片形状、尺寸一致，且各导电层表面为中心对称分布结构，所述第一介质板位置与第二介质板位置上下重叠对应。
27.图2为本发明实施例第一导电层结构示意图，如图2所示，第一导电层包括至少一个结构单元、至少四个二极管、两条金属线；各结构单元通过二极管连接，两条金属线分别设置于过第一导电层对称中心的对角线两端；各结构单元的结构彼此相同，各结构单元分别均包括外周呈矩形结构、且内部设置呈中心对称开槽的金属片，各结构单元之间呈中心对称分布，且各结构单元之间同向周期性无缝连接，形成第一导电层上空格矩形阵列的金属片，2n个金属片组成频率选择表面阵列；其中，各横向相邻结构单元金属片之间通过二极管连接形成各横向通路，各纵向相邻结构单元金属片之间通过二极管连接形成各纵向通路，由两金属线给纵向二极管施加偏置电压。
28.凹槽十字型金属片四周设置二极管，形成单层正交馈电网络结构在其中一个实施例中，第一导电层中，连通金属片对照射其表面的电磁波进行反射，间断金属片对照射其表面的电磁波进行传输，通过控制第一导电层中二极管的偏置状态，结合三层导电层结构设置，实现对电磁波的全极化屏蔽和传输。当金属线向二极管两端施加反向偏置电压时，结构处于关闭的工作状态，向开关二极管两端施加正向偏置电压时，结构处于开启的工作状态。
29.在其中一个实施例中，第一导电层中金属片为凹槽十字型金属片，其中s=2.4mm,尖端b=0.25mm，弧形e=0.39mm，d=0.3mm。所述凹槽十字型金属片上挖空八个金属圆片，所述金属圆片的半径为a=1mm。
30.图3为本发明实施例第二导电层结构示意图，如图3所示，所述第二导电层包括多个相互连接的十字型金属片，十字型金属片相互连接组成空格矩形阵列，第二导电层中的十字型金属片与第一导电层与第三导电层的空格矩形阵列对齐设置， 2n个金属片形成频率选择表面阵列；十字型金属片中心挖空正方形。
31.在其中一个实施例中，所述正方形边长f=4.2，十字型金属片的宽度g=3.5mm。
32.在其中一个实施例中，所述第一介质板的厚度为2mm，第二介质板的厚度为4mm。
33.在其中一个实施例中，所述第一介质板和第二介质板的相对介电常数为3。
34.图4为本发明实施例第三导电层结构示意图，如图4所示，第三导电层包括外周呈矩形结构、且内部设置呈中心对称开槽的金属片，各结构单元之间呈中心对称分布，且各结构单元之间同向周期性无缝连接，形成第三导电层上空格矩形阵列的金属片，2n个金属片组成频率选择表面阵列。
35.在其中一个实施例中，所述第三导电层中金属片为凹糟十字型金属片；其中j=2.14mm，尖端宽度n=0.25mm，弧形长度为k=0.39mm，q=0.96mm，m=2.89mm，各凹槽十字型金属片上挖空八个金属圆片，所述金属圆片的半径l=1mm。
36.图5为本发明等效电路模型图，如图5所示，结构中的第一导电层和第三导电层分别等效为电路中的l1c1和l4c4支路，第二导电层结构等效为电路中的电感支路l5。结构中的第一介质层和第二介质层等效为电路中的l2c2和l3c3混合电路支路。为了实现结构一键切换的可重构全极化滤波/屏蔽性能响应，本发明在第一支路安装一个pin开关二极管，第
一支路与c1并联。当施加在二极管上的电压为正向偏置电压时，结构处于开启状态，电路可以视为lr串联，可以看出此时电路在工作频带内是呈感性的，可实现电磁屏蔽性能响应。相反，当在二极管两端施加反向偏置电压时，结构处于关闭状态，电路可以视为lc串联，此时电路在工作频带内呈容性，具有与二阶滤波器相似的特性。
37.pin开关二极管采用沿着-x轴和-y轴安装在结构i层上的设计方法，采用这样的设计方法可以实现结构对称性和极化性能几乎不受到馈电网络的影响。当在二极管两端施加正向偏置电压时，有源频率选择表面结构处于开启状态，可实现电磁屏蔽性能响应。当在二极管两端施加反向偏置电压时，有源频率选择表面结构处于关闭状态，可以实现二阶滤波性能响应。
38.图6为本发明实施例结构在不同极化角度下的性能曲线，展示了本发明设计结构在不同极化下呈现的性能，由于采用开关二极管沿着-x轴和-y轴加载在i层的设计方法，导致结构对称性不被其馈电网络系统破坏。如图所示，在0-90
°
极化范围内，结构在关闭和开启状态下分别可获得带通和屏蔽性能响应。从测试的结果来看，提出的新型结构可以在全极化下工作，获得的响应几乎完全一致。
39.图7为本发明实施例结构在斜入射下的性能曲线，体现了结构在不同入射角度下的性能，基于te入射波下对结构进行性能测试。如图所示，在0-60
°
入射下，在关闭状态和开启状态都实现了稳定的滤波和屏蔽性能响应。在关闭状态下，小于45
°
的范围内传输性能响应并没有观察到明显的变化，在60
°
入射时纹波电平小于3db。在开启状态下，结构斜入射获得了较好的屏蔽性能响应。
40.图8为入射波传播方向平面上的电场分布图，通过测量关闭状态和开启状态下的电场分布来验证提出的新型结构设计的可靠性。从图8中可以看出，在较低和较高的阻带内，该发明结构没有出现电磁能量泄露现象，这表明结构具有良好的屏蔽性能响应。在4.2 ghz这个频率点，通过给pin二极管施加反向偏置电压，把结构工作模式切换到关闭状态，可以看出入射波穿透设计结构，afss结构电场强度前后相似，表明在低入射损耗的情况下获得了一个传输窗口。当结构切换到开启状态的工作模式时，在4.2 ghz频率点处表现为屏蔽特性响应。另外，可以从图中发现阻带内的最大电场强度是透射窗口处的两倍。

技术特征：

1.大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，包括第一介质板、第二介质板、第一导电层、第二导电层、第三导电层；第一介质板设置于第二介质板上方，第一介质板上层表面设置第一导电层，第一介质板与第二介质板之间设置第二导电层，所述第二介质下表面设置第三导电层，所述三层金属片形状、尺寸一致，且各导电层表面为中心对称分布结构，所述第一介质板位置与第二介质板位置上下重叠对应；第一导电层包括至少一个结构单元、至少四个二极管、两条金属线；各结构单元通过二极管连接，两条金属线分别设置于过第一导电层对称中心的对角线两端；各结构单元的结构彼此相同，各结构单元分别均包括外周呈矩形结构、且内部设置呈中心对称开槽的金属片，各结构单元之间呈中心对称分布，且各结构单元之间同向周期性无缝连接，形成第一导电层上空格矩形阵列的金属片，2n个金属片组成频率选择表面阵列；其中，各横向相邻结构单元金属片之间通过二极管连接形成各横向通路，各纵向相邻结构单元金属片之间通过二极管连接形成各纵向通路，由两金属线给纵向二极管施加偏置电压；第三导电层包括外周呈矩形结构、且内部设置呈中心对称开槽的金属片，各结构单元之间呈中心对称分布，且各结构单元之间同向周期性无缝连接，形成第三导电层上空格矩形阵列的金属片，2n个金属片组成频率选择表面阵列。2.根据权利要求1所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一导电层中，连通金属片对照射其表面的电磁波进行反射，间断金属片对照射其表面的电磁波进行传输，通过控制第一导电层中二极管的偏置状态，结合三层导电层结构设置，实现对电磁波的全极化屏蔽和传输；当金属线向二极管两端施加反向偏置电压时，结构处于关闭的工作状态，向开关二极管两端施加正向偏置电压时，结构处于开启的工作状态。3.根据权利要求1所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一导电层中金属片为凹槽十字型金属片，其中s=2.4mm,尖端b=0.25mm，弧形e=0.39mm，d=0.3mm；所述凹槽十字型金属片上挖空八个金属圆片，所述金属圆片的半径为a=1mm。4.根据权利要求1所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述第二导电层包括多个相互连接的十字型金属片，十字型金属片相互连接组成空格矩形阵列，第二导电层中的十字型金属片与第一导电层与第三导电层的空格矩形阵列对齐设置， 2n个金属片形成频率选择表面阵列；十字型金属片中心挖空正方形。5.根据权利要求4所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述正方形边长f=4.2，十字型金属片的宽度g=3.5mm。6.根据权利要求1所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述第三导电层中金属片为凹糟十字型金属片；其中j=2.14mm，尖端宽度n=0.25mm，弧形长度为k=0.39mm，q=0.96mm，m=2.89mm，各凹槽十字型金属片上挖空八个金属圆片，所述金属圆片的半径l=1mm。7.根据权利要求1所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一介质板的厚度为2mm，第二介质板的厚度为4mm。8.根据权利要求1所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述第一介质板和第二介质板的相对介电常数为3。
9.根据权利要求3所述的大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，其特征在于，所述凹槽十字型金属片四周设置二极管，形成单层正交馈电网络结构。

技术总结

本发明公开一种大入射角度与极化不敏感的超宽带可重构频率选择表面，包括第一介质板、第二介质板、第一导电层、第二导电层、第三导电层；第一介质板设置于第二介质板上方，第一介质板上层表面设置第一导电层，第一介质板与第二介质板之间设置第二导电层，所述第二介质下表面设置第三导电层，所述三层金属片形状、尺寸一致，且各导电层表面为中心对称分布结构，所述第一介质板位置与第二介质板位置上下重叠对应。第一导电层包括至少一个结构单元、至少四个二极管、两条金属线，通过控制第一导电层中二极管的偏置状态，结合三层导电层结构设置，实现对电磁波的全极化屏蔽和传输且三层结构带宽宽、斜入射性能好。斜入射性能好。斜入射性能好。