一种基于pin二极管的x波段超宽带电控有源频率选择表面及其加工测试方法
阅读说明：本技术 一种基于pin二极管的x波段超宽带电控有源频率选择表面及其加工测试方法 (X-waveband ultra-wideband electronic control active frequency selection surface based on PIN diode and processing and testing method thereof ) 是由 傅佳辉 赵宇霖 王哲飞 陈晚 张群豪 吕博 于 2020-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面及其加工测试方法。所述3层金属板单元和2层介质板单元间隔设置,中间层金属板单元的中心设置圆形缝隙,上层金属板单元贴合上层介质板单元,底层金属板单元贴合下层介质板单元,所述上层金属板单元的横向设置贴片缝隙,所述上层金属板单元的竖向设置交指电容缝隙,所述上层金属板单元的中心设置方形缝隙；所述上层金属板单元与底层金属板单元结构相同,所述底层金属板单元相对于上层金属板单元旋转90度；所述贴片缝隙上垂直设置PIN二极管。能够根据天线系统的工作状态实时调整自身性能。(The invention discloses an X-waveband ultra-wideband electronic control active frequency selection surface based on a PIN diode and a processing and testing method thereof. The three-layer metal plate unit comprises a 3-layer metal plate unit, a 2-layer dielectric plate unit, an upper-layer metal plate unit, a lower-layer dielectric plate unit, a patch gap, an interdigital capacitor gap and a square gap, wherein the 3-layer metal plate unit and the 2-layer dielectric plate unit are arranged at intervals; the upper layer metal plate unit and the bottom layer metal plate unit have the same structure, and the bottom layer metal plate unit rotates 90 degrees relative to the upper layer metal plate unit; and a PIN diode is vertically arranged on the patch gap. The performance of the antenna system can be adjusted in real time according to the working state of the antenna system.)
技术领域
本发明属于雷达领域；具体涉及一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面及其加工测试方法。
背景技术
随着我国军事、工业、通信等领域技术的不断发展，以传统无源频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)为材料的天线罩由于其功能单一、工作状态不可调，已经无法适应灵活多变的各种应用场景。相比于本发明中设计的电控有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface，AFSS)，传统无源频率选择表面方案的缺陷如下：(1)工作状态固定，功能单一；(2)透射带宽窄，无法满足超宽带应用；(3)斜入射稳定性差，无法保证大角度斜入射下的正常工作；(4)极化稳定性差，无法实现双极化工作。
发明内容
本发明提供了一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面及其加工测试方法，能够根据天线系统的工作状态实时调整自身性能，当天线系统工作时，保持透射状态，允许我方频段电磁波正常出入；当天线系统关闭时，保持屏蔽状态，禁止敌方和干扰电磁波进入，以保证通信系统正常工作。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面，所述电控有源频率选择表面单元包括3层金属板单元和2层介质板单元，所述3层金属板单元和2层介质板单元间隔设置，中间层金属板单元的中心设置圆形缝隙，上层金属板单元贴合上层介质板单元，底层金属板单元贴合下层介质板单元，所述上层金属板单元的横向设置贴片缝隙，所述上层金属板单元的竖向设置交指电容缝隙，所述上层金属板单元的中心设置方形缝隙；
所述上层金属板单元与底层金属板单元结构相同，所述底层金属板单元相对于上层金属板单元旋转90度；
所述贴片缝隙上垂直设置PIN二极管。
进一步的，所述金属板单元长度与宽度相等，所述金属板单元长度a为6.0mm，所述贴片缝隙宽度g1为0.15mm，所述贴片缝隙宽度边缘到金属板单元边缘的长度a2/2为5.85/2mm，所述方形缝隙宽度为交指电容的指长w+g1＝0.6+0.15＝0.75mm，所述方形缝隙宽度边缘到金属板单元边缘的长度a1/2为5.3/2mm，无交指电容的贴片宽度a3为1.13mm，
所述交指电容缝隙为U型与n型连通，所述交指电容缝隙横向宽度g2为0.1mm，所述交指电容缝隙纵向宽度s2为0.1mm，所述交指电容的指宽s1为0.1mm，交指电容的指长w为0.6mm。
进一步的，所述圆形缝隙的直径是2*r。
进一步的，所述上层介质板单元与下层介质板单元的厚度h均为0.508mm。
一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面的加工方法，所述加工方法包括以下步骤：
步骤1：将电控有源频率选择表面单元按照实际需要进行排列组合后进行加工，组合后的整个结构的上边缘和下边缘分别焊接射频电感和直流馈线；
步骤2：每两个电控有源频率选择表面单元之间沿竖向焊接一个PIN二极管；
步骤3：AFSS正面的PIN二极管和直流馈线的正极焊接在每一排PIN二极管的最上侧；直流馈线的负极焊接在每一排PIN二极管的最下侧；
步骤4：步骤3中每一排PIN二极管上串联一个电阻后再进行各排PIN二极管之间的并联；
步骤5：步骤3中每一排PIN二极管均共用同一个负极馈线；
步骤6：检测焊接的各个元件保证所有的PIN二极管、射频电感和电阻都没有虚焊且能正常工作，同时，需要对每一排PIN二极管进行导通测试，直流电源供电时AFSS上每一个PIN二极管都能导通；
步骤7：将待测试的AFSS件固定在金属反射板的正中间的洞内；
步骤8：在AFSS件外围用铜箔胶带覆盖，保证AFSS件的四周均为金属反射板；
步骤9：金属反射板的前后各放置一个工作频段为1-18GHz的超宽带喇叭，作为发射和接收天线；
步骤10：步骤9中的两个喇叭通过同轴线与矢量网络分析仪的两个端口相连；
步骤11：AFSS件上正反两面的直流馈线与直流电源相连；
步骤12：完成加工。
一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
步骤一：设置测试频段为2-18GHz；
步骤二：分别对空载金属反射板与加载AFSS件金属反射板的两种情况下的传输系数进行测试；
步骤三：通过对比之后得到实际的AFSS件的传输系数。
本发明的有益效果是：
1.本发明实现了功能的可调，可以在“透射”和“屏蔽”两种状态间切换，打破了已有技术功能单一的限制。
2.本发明实现了X波段的超宽带透射，高效率的透射带宽达到2.32GHz，远超已有的X波段的电控有源频率选择表面。
3.本发明的斜入射稳定性良好，对于30°以内的斜入射电磁波能够保证良好的工作性能，优于已有的电控有源频率选择表面。
4.本发明的极化稳定性良好，对于TE、TM极化的电磁波均能保证正常工作，优于已有的电控有源频率选择表面。
5.本发明对PIN二极管的等效电路模型进行了修正，在原有模型中引入传输线元件，修正后的等效电路模型不仅能拟合PIN二极管的S参数幅度曲线，还能拟合原有模型无法拟合的S参数相位曲线。
6.本发明利用金属层间的耦合效应，在无需增大整体结构厚度的前提下，极大地拓宽了电控有源频率选择表面的透射带宽。
7.本发明对于加载的PIN二极管，使用串联馈电、上下两层正交馈电的方式，将PIN二极管的使用数量缩减一半，同时精简了直流馈电结构。
附图说明
附图1本发明的结构示意图，其中(a)电控有源频率选择表面单元的透视图，(b)电控有源频率选择表面单元的侧视图。
附图2本发明各层金属的结构示意图，其中(a)电控有源频率选择表面上层金属板，(b)电控有源频率选择表面中间层金属板，(c)电控有源频率选择表面底层金属板。
附图3本发明PIN二极管的等效电路图，其中(a)正偏状态的等效电路模型电路图，(b)反偏状态的等效电路模型电路图。
附图4本发明PIN二极管的焊接与馈电方式示意图。
附图5本发明数值仿真得到的TE极化(垂直极化)入射下AFSS的性能示意图。
附图6本发明数值仿真得到的TM极化(水平极化)入射下AFSS的性能示意图。
附图7本发明焊接好的AFSS样件。
附图8本发明用于直流馈电的电源板。
附图9本发明测试得到的TE极化时AFSS样件的传输系数示意图。
附图10本发明测试得到的TM极化时AFSS样件的传输系数示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面，所述电控有源频率选择表面单元包括3层金属板单元和2层介质板单元，所述3层金属板单元和2层介质板单元间隔设置，中间层金属板单元的中心设置圆形缝隙，上层金属板单元贴合上层介质板单元，底层金属板单元贴合下层介质板单元，所述上层金属板单元的竖向设置贴片缝隙，所述上层金属板单元的横向设置交指电容缝隙，所述上层金属板单元的中心设置方形缝隙；
所述上层金属板单元与底层金属板单元结构相同，所述底层金属板单元相对于上层金属板单元旋转90度；
所述贴片缝隙上垂直设置PIN二极管。
进一步的，所述金属板单元长度与宽度相等，所述金属板单元长度a为6.0mm，所述贴片缝隙宽度g1为0.15mm，所述贴片缝隙宽度边缘到金属板单元边缘的长度a2/2为5.85/2mm，所述方形缝隙宽度为交指电容的指长w+g1＝0.6+0.15＝0.75mm，所述方形缝隙宽度边缘到金属板单元边缘的长度a1/2为5.3mm/2，无交指电容的贴片宽度a3为1.13mm，
所述交指电容缝隙为U型与n型连通，所述交指电容缝隙横向宽度g2为0.1mm，所述交指电容缝隙纵向宽度s2为0.1mm，所述交指电容的指宽s1为0.1mm，交指电容的指长w为0.6mm。
进一步的，所述圆形缝隙的直径是2*r。
进一步的，所述上层介质板单元与下层介质板单元的厚度h均为0.508mm。
进一步的，所述上层金属板单元与底层金属板单元材料为铜，其厚度t为18μm。一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面的加工方法，所述加工方法包括以下步骤：
步骤1：将电控有源频率选择表面单元按照实际需要进行排列组合后进行加工，组合后的整个结构的上边缘和下边缘分别焊接射频电感和直流馈线；
步骤2：每两个电控有源频率选择表面单元之间沿竖向焊接一个PIN二极管；
步骤3：AFSS正面的PIN二极管和直流馈线的正极焊接在每一排PIN二极管的最上侧；直流馈线的负极焊接在每一排PIN二极管的最下侧；
步骤4：步骤3中每一排PIN二极管上串联一个电阻后再进行各排PIN二极管之间的并联；
步骤5：步骤3中每一排PIN二极管均共用同一个负极馈线；
步骤6：检测焊接的各个元件保证所有的PIN二极管、射频电感和电阻都没有虚焊且能正常工作，同时，需要对每一排PIN二极管进行导通测试，直流电源供电时AFSS上每一个PIN二极管都能导通；
步骤7：将待测试的AFSS件固定在金属反射板的正中间的洞内；
步骤8：在AFSS件外围用铜箔胶带覆盖，保证AFSS件的四周均为金属反射板；
步骤9：金属反射板的前后各放置一个工作频段为1-18GHz的超宽带喇叭，作为发射和接收天线；
步骤10：步骤9中的两个喇叭通过同轴线与矢量网络分析仪的两个端口相连；
步骤11：AFSS件上正反两面的直流馈线与直流电源相连；
步骤12：完成加工。
一种基于PIN二极管的X波段超宽带电控有源频率选择表面的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
步骤一：设置测试频段为2-18GHz；
步骤二：分别对空载金属反射板与加载AFSS件金属反射板的两种情况下的传输系数进行测试；
步骤三：通过对比之后得到实际的AFSS件的传输系数。
实施例2
电控有源频率选择表面单元的结构如图1所示，该结构由3层金属、2层介质构成，上下两层金属主要为方形贴片结构，中间层金属为圆形缝隙结构，介质板材料选择RogersRT5880，相对介电常数εr为2.2，每层介质板的厚度h为0.508mm。每一层金属单元的结构如图2所示，顶层和底层的金属单元结构完全相同，只是旋转了90度，且顶层和底层加载的PIN二极管的方向是相互垂直的，图中各个参数的取值如表1所示。
表1电控有源频率选择表面单元的结构参数
选用射频专用的PIN二极管，将PIN二极管的等效电路模型放入电控有源频率选择表面单元的仿真模型中，进行仿真优化从而得到最佳性能，PIN二极管的等效电路模型如图3所示，模型中的元件值参数如表2所示。
表2 PIN二极管等效电路模型中的元件值参数
接下去对PIN二极管的焊接和馈电方式进行说明，如图4所示。上层金属上同一方向的各个单元均被PIN二极管完全连接起来，因此在实际加工时，可以在边缘处通过一组连接直流电源正负极的直流馈线对每一排PIN二极管进行串联馈电。下层金属上的馈线与上层结构完全相同，方向旋转90度。从图4中可看出，对于同一列而言，每个二极管之间存在串联关系，而每行之间相互并联，由于实际加工的AFSS并有边界，在边界两侧加上分别跟电压源正负极相连接的馈电线，就实现了所有二极管的同时馈电。
通过数值仿真，得到的TE极化(垂直极化)入射下的耦合型宽带AFSS的整体性能如图5所示，TM极化(水平极化)入射下的耦合型宽带AFSS的整体性能如图6所示。图中分别给出了“透射”(PIN二极管零偏或反偏)与“屏蔽”(PIN二极管正偏)两种状态下，入射角分别为0°、10°、20°、30°时，耦合型宽带AFSS的|S21|，即传输系数。
从图5、图6中可以看出，本节设计的耦合型宽带AFSS在“透射”状态下，透射带宽(|S21|≥-1dB)为8.38-10.7GHz(绝对带宽2.32GHz，相对带宽24.3％)，透射带内的最大插入损耗为1dB(对应透射率为80％)；在“屏蔽”状态下，屏蔽带宽(|S21|≤-10dB)为2-18GHz。并且在两种极化状态(垂直极化和水平极化)下，最大的入射角均能达到30度左右。
基于上述设计的AFSS单元结构，进行实物加工和测试。将PIN二极管、射频电感、直流馈线等焊接到耦合型宽带AFSS上，焊接好的AFSS样件如图7所示。对于AFSS正面的PIN二极管，直流馈线的正极焊接在每一排PIN二极管的最上侧，用红线表示；直流馈线的负极焊接在每一排PIN二极管的最下侧，且13排PIN二极管共用同一个负极馈线，用黑线表示。考虑到半导体器件并联时，所有的电流将会选择从电阻最小的一路流过，因此13排PIN二极管不能直接并联，而是需要在每一排PIN二极管上再串联一个电阻后再并联，从而保证电流可以均分到每一路中，因此另外设计了用于直流馈电的电源板，如图8所示。
对于每一种极化方式和每一个斜入射角度，均需要测试PIN二极管零偏(断开)和正偏(导通)两种状态下的|S21|参数。PIN二极管零偏时，AFSS样件处于透射状态；PIN二极管反偏时，AFSS样件处于屏蔽状态。测试得到的AFSS样件的透射和屏蔽性能如图9、图10所示。由图9、图10可知，对于TE(垂直极化)和TM(水平极化)两种极化，AFSS样件在透射状态(OFF-state)下，透射率高于80％的透射带宽均在2GHz左右，基本覆盖8-10GHz；在屏蔽状态(ON-state)下，屏蔽带宽均覆盖了2-18GHz。另外，AFSS样件具有良好的斜入射稳定性，斜入射角可以达到30°左右。综上所述，该AFSS样件的测试结果与仿真结果基本吻合。
焊接元件的检测：
对于上述AFSS样件，在焊接完成后，需要对焊接的各个元件进行检测，保证所有的PIN二极管、射频电感和电阻都没有虚焊且能正常工作，同时，需要对每一排PIN二极管进行导通测试，保证在后续测试的过程中，直流电源供电时AFSS上每一个PIN二极管都能导通。馈电时，将电源板上的正负两根馈线分别接到直流电源的正负两极，然后将直流电源的输出电压设置为15V，最高输出电流设置为30mA*13排*2面＝780mA，这样就可以保证每一排PIN二极管上有30mA的电流。
测试与工作过程：
将待测试的AFSS样件固定在1.5m*1.5m的金属反射板的正中间，金属反射板的中间挖一个200mm*200mm的洞，在AFSS样件外围用铜箔胶带覆盖，保证AFSS样件的四周均为金属反射板。金属反射的前后各放置一个工作频段为1-18GHz的超宽带喇叭，作为发射和接收天线，这两个喇叭都是双极化喇叭，可以产生垂直极化和水平极化的波，两个喇叭通过同轴线与矢量网络分析仪的两个端口相连。AFSS样件上正反两面的直流馈线与直流电源相连，同时为了防止PIN二极管正偏时温度过高而使板材发生形变，利用电风扇给AFSS样件进行降温。
测试时，矢量网络分析仪的测试频段设置为2-18GHz，与数值仿真时相同。为了得到AFSS样件的传输系数，需要分别对空载(金属反射板中间不放置AFSS样件)与加载AFSS样件这两种情况下的|S21|参数进行测试，然后通过对比之后得到实际的AFSS样件的传输系数。
对于每一种极化方式和每一个斜入射角度，均需要测试PIN二极管零偏(断开)和正偏(导通)两种状态下的|S21|参数。PIN二极管零偏时，AFSS样件处于透射状态；PIN二极管反偏时，AFSS样件处于屏蔽状态。
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