基于单面加载pin二极管的宽带可重构频率选择表面
阅读说明：本技术 基于单面加载pin二极管的宽带可重构频率选择表面 (Broadband reconfigurable frequency selection surface based on single-side loaded PIN diode ) 是由 宗志园 曹海若 鄢亚美 吴文 钱嵩松 司马博羽 王翔 于 2021-07-04 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a broadband reconfigurable frequency selection surface based on a single-side loaded PIN diode, which comprises a dielectric plate and metal units on the upper surface and the lower surface of the dielectric plate; the first metal unit on the upper surface of the dielectric plate is a double square slit ring structure, each edge of the square ring metal patch on the outermost layer is disconnected from the middle and connected through a PIN diode, and the second metal unit on the lower surface of the dielectric plate is formed by etching a rectangular groove on each edge of the square metal patch. The transmission and reflection bandwidths of the invention can reach 4GHz at-2 dB under different polarization modes and different incidence angles, and the invention has the advantages of dual polarization, wide frequency band and insensitivity to the incidence angle and can be used in the fields of radars, ultra-wideband antennas and the like.)
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。
发明内容
本发明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。
实现本发明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。
进一步的，平行的两条金属边上的二极管，其方向一致。
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。
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。
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。
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。
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。
进一步的，第一金属单元沿中线轴对称。
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。
进一步的，介质板的介电常数是2.2。
本发明与现有技术相比，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。
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是可重构FSS上表面周期结构单元示意图。
图2是可重构FSS整体结构的分层示意图。
图3是可重构FSS上表面周期结构单元示意图。
图4是可重构FSS下表面周期结构单元示意图。
图5是本发明在PIN管截止、TE极化波以不同角度入射时的S11图。
图6是本发明在PIN管截止、TM极化波以不同角度入射时的S11图。
图7是本发明在PIN管导通、TE极化波以不同角度入射时的S21图。
图8是本发明在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
下面结合附图，对本发明作进一步详细描述：
如图1-图4所示，本发明提出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1以及分布在介质基板上下表面的金属单元。其中上表面的第一金属单元包括第一金属结构2以及PIN二极管3，下表面的第二金属单元包括第二金属结构2-1。
如图3所示，介质板上表面的金属单元的周期尺寸a＝8.2mm，其第一金属结构2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，其环的宽度w＝0.6mm，一个外围边长小于单元周期尺寸的第二方形环金属贴片，其外围边长a1＝5.6mm，环的宽度为w2＝0.7mm，以及一个第一方形金属贴片，其边长a2＝2.2mm。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3连接，并且平行的两条金属边上的PIN二极管，其方向一致。
如图4所示，介质板下表面的第二金属单元为金属贴片结构，该贴片结构可视为在第二方形金属贴片的每条边上蚀刻一个矩形凹槽，并且所蚀刻的四个矩形凹槽是上下左右对称分布，未蚀刻矩形凹槽的方形金属贴片边长为f＝5.2mm，蚀刻的矩形凹槽长y＝1.1mm，宽x＝1mm。
当PIN二极管导通时，介质板上表面可视为双方形缝隙环阵列，下表面是分形方形金属贴片阵列，两层FSS相互耦合在X波段谐振，呈现透射状态；当PIN二极管截止时，介质板上表面可视为金属贴片阵列，包括十字贴片、方形环与方形贴片的组合，下表面是分形方形金属贴片阵列，两层FSS相互耦合在X波段谐振，呈反射状态。
下面结合仿真实例对发明作进一步详细描述。
实施例
本发明所选取的介质基板是介电常数为2.2，厚度为h＝1.016mm的5880板材，介质板表面铜箔的厚度为17.5μm，PIN二极管的型号为DSM8100-000.
FSS的具体尺寸如图1-图4以及表1所示：
表1
a/mm
h/mm
w/mm
a1/mm
a2/mm
8.2
1.016
0.6
5.6
2.2
y/mm
f/mm
w2/mm
s/mm
x/mm
1.1
5.2
0.7
0.4
1
图5-图8是设计的可重构FSS在电磁仿真软件CST下仿真的S参数。由于结构在反射状态时，其S21参数在工作频段内均小于-20dB；透射状态时，其S11参数在工作频段内均小于-20dB，故图中均为列出相关曲线。
图5是二极管在截止状态下、TE极化波以不同角度入射时的S11图。入射角度为0°，其-2dB频率范围为5.25GHz～12.66GHz；入射角度为15°，其-2dB频率范围为5GHz～12.58GHz；入射角度为30°，其-2dB频率范围为5GHz～12.41GHz；入射角度为45°，其-2dB频率范围为5GHz～12.33GHz。
图6是二极管在截止状态下、TM极化波以不同角度入射时的S11图。入射角度为0°，其-2dB频率范围为5GHz～12.66GHz；入射角度为15°，其-2dB频率范围为5.33GHz～12.75GHz；入射角度为30°，其-2dB频率范围为5.88GHz～12.8GHz；入射角度为45°，其-2dB频率范围为6.88GHz～12.88GHz。
图7是二极管在导通状态下、TE极化波以不同角度入射时的S21图。入射角度为0°，其-2dB频率范围为7.25GHz～12.1GHz；入射角度为15°，其-2dB频率范围为7.33GHz～12.1GHz；入射角度为30°，其-2dB频率范围为7.7GHz～12.1GHz；入射角度为45°，其-2dB频率范围为8GHz～12.1GHz。
图8是二极管在导通状态下、TM极化波以不同角度入射时的S21图。入射角度为0°，其-2dB频率范围为7.58GHz～12.13GHz；入射角度为15°，其-2dB频率范围为7.58GHz～12.13GHz；入射角度为30°，其-2dB频率范围为7.42GHz～12.1GHz；入射角度为45°，其-2dB频率范围为7.3GHz～12.1GHz。
可见，斜入射角度在0°至45°范围内，该可重构FSS在透射、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。