一种并联馈电型多功能有源频率选择表面及其控制方法与流程

本发明涉及电磁超材料技术领域，尤其涉及一种并联馈电型多功能有源频率选择表面及其控制方法。

背景技术：

传统的频率选择表面由周期性排布的金属贴片或缝隙组成，具有良好的空间滤波特性。

无源频率选择表面在加工之后，其电磁性能就基本固定了，无法再随外部环境变化而改变。有源频率选择表面能够通过改变外加激励（如电压大小、电场强度和光强度等）来主动改变频率选择表面的电磁性能。电控有源频率选择表面能够通过加载有源器件（如PIN二极管、变容二极管等）来实现可重构的电磁特性，为了控制这些有源器件的状态，通常需要在有源频率选择表面阵列内部添加馈线系统。然而，额外的馈线会极大地影响有源频率选择表面的电磁特性（如频率偏移、插损增加和虚假信号响应等），同时会增加制作难度和制作成本。通过合理设计有源频率选择表面的拓扑结构，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部冗余的馈线，极大地减小馈电系统带来的负面影响。

有源器件通常具有串联型和并联型两种馈电形式。串联型馈电同时对一排有源器件进行馈电，其外加偏置电压值会随有源器件数量的增加而增大，更为严重的是，当某个有源器件损坏不工作时，其所在一整排的有源器件便都不能正常工作，从而影响整个有源频率选择表面的电磁特性。因此，有必要研究和设计有源器件的并联馈电形式。

此外，尽管有源频率选择表面可以在一定程度上满足实际应用的需求，但由于其功能单一，在很多时候无法满足外部复杂电磁环境对电子设备的功能多样性和状态可调性等要求。因此，有必要研究具有多功能的有源频率选择表面，为电磁隐身、电磁兼容和可重构器件设计提供重要的技术支持，具有重要的军事和民用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种并联馈电型多功能有源频率选择表面及其控制方法，能有效解决现有有源频率选择表面功能单一、馈线冗余等问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种并联馈电型多功能有源频率选择表面，包括介质基底、设置在介质基底上侧的第一金属周期阵列、以及设置在介质基底下侧的第二金属周期阵列；

所述第一金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的第一金属单元；

所述第一金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属T型结构和一个变容二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置在第一金属单元正方形的两条边上；所述两个金属T型结构均包含一条横边和一条垂直设置在所述横边中点上的竖边，两个金属T型结构的横边平行设置在第一金属单元正方形的另外两条边上，且两个金属T型结构的竖边通过所述变容二极管连成一条直线；

所述第一金属周期阵列中相邻的第一金属单元对应相连，且同一排的相邻第一金属单元中变容二极管方向的相反，同一列的第一金属单元中变容二极管的方向相同；

所述第二金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的第二金属单元；

所述第二金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属T型结构和一个PIN二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置在第二金属单元正方形的两条边上；所述两个金属T型结构均包含一条横边和一条垂直设置在所述横边中点上的竖边，两个金属T型结构的横边平行设置在第二金属单元正方形的另外两条边上，且两个金属T型结构的竖边通过所述PIN二极管连成一条直线；

所述第二金属周期阵列中相邻的第二金属单元对应相连，且同一排的相邻第二金属单元中PIN二极管方向的相反，同一列的第二金属单元中PIN二极管的方向相同；

所述介质基底上侧的金属周期阵列和介质基底下侧的金属周期阵列呈正交排列。

作为本发明一种并联馈电型多功能有源频率选择表面进一步的优化方案，所述介质基底采用F₄BME聚四氟乙烯高频微波板。

作为本发明一种并联馈电型多功能有源频率选择表面进一步的优化方案，所述第一金属单元、第二金属单元均采用35μm厚度的铜。

作为本发明一种并联馈电型多功能有源频率选择表面进一步的优化方案，所述变容二极管采用SC-79封装的变容二极管，PIN二极管SOT-23封装的PIN二极管。

本发明还公开了一种基于该并联馈电型多功能有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：

在介质基底上侧第一金属周期阵列中各个变容二极管上加载反向并联偏置电压，在介质基底下侧第二金属周期阵列中各个PIN二极管上加载正向并联偏置电压；

如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TM极化下的频率调谐功能，则调整介质基底上侧第一金属周期阵列中变容二极管的反向并联偏置电压；如果需要增大并联馈电型多功能有源频率选择表面的工作频率，则减小介质基底上侧第一金属周期阵列中变容二极管的反向并联偏置电压，如果需要降低并联馈电型多功能有源频率选择表面的工作频率，则增加介质基底上侧第一金属周期阵列中变容二极管的反向并联偏置电压；

如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TE极化下的电磁开关功能，则调整介质基底下侧第二金属周期阵列中PIN二极管的正向并联偏置电压；如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TE极化下的电磁关功能，则调整介质基底下侧第二金属周期阵列的正向并联偏置电压，使得所有的PIN二极管处于导通状态，如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TE极化下的电磁开功能，则调整介质基底下侧第二金属周期阵列的正向并联偏置电压，使得所有的PIN二极管处于断开状态。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 设计并联馈电方案，对第一金属周期阵列中每一行变容二极管施加反向并联偏置电压，对第二金属周期阵列中的每一列PIN二极管施加正向并联偏置电压，能够有效减小阵列中半导体元件工作所需的外加偏置电压值，提高阵列电磁特性的稳定性和可靠性。

2. 将两个T型金属结构作为谐振结构通过二极管相连，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. 通过控制上层反向并联偏置电压，改变上层变容二极管的工作状态，能够实现并联馈电型多功能有源频率选择表面在TM极化下的频率调谐功能，通过控制下层正向并联偏置电压，改变下层PIN二极管的通断状态，能够实现并联馈电型多功能有源频率选择表面在TE极化下的电磁开关功能，该器件结构简单，易于加工，稳定性较好。

附图说明

图1是并联馈电型多功能有源频率选择表面的结构示意图；

图2（a）、图2（b）分别是并联馈电型多功能有源频率选择表面中第一金属单元、第二金属单元的结构示意图；

图3是并联馈电型多功能有源频率选择表面的阵列结构示意图；

图4（a）、图4（b）分别是并联馈电型多功能有源频率选择表面在TM极化下的频率调谐功能和TE极化下的电磁开关功能的传输系数结果图。

图中：1-介质基底，2-第一金属周期阵列，3-第二金属周期阵列，A1-第一金属单元的一个金属细线结构，A2-第一金属单元的另一个金属细线结构，B1-第一金属单元的金属T型结构，C1-变容二极管，A3-第二金属单元的一个金属细线结构，A4-第二金属单元的另一个金属细线结构，B2-第二金属单元的金属T型结构，C2- PIN二极管，D1-第一金属单元，D2-第二金属单元，E1-上层正接馈线，E2-上层接地馈线，E3-下层正接馈线，E4-下层接地馈线，F1-上层隔交通直射频电感，F2-下层隔交通直射频电感。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1和图2所示，本发明公开了一种并联馈电型多功能有源频率选择表面，包括介质基底、设置在介质基底上侧的第一金属周期阵列、以及设置在介质基底下侧的第二金属周期阵列。

所述第一金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的第一金属单元；所述第一金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属T型结构和一个变容二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置在第一金属单元正方形的两条边上；所述两个金属T型结构均包含一条横边和一条垂直设置在所述横边中点上的竖边，两个金属T型结构的横边平行设置在第一金属单元正方形的另外两条边上，且两个金属T型结构的竖边通过所述变容二极管连成一条直线；所述第一金属周期阵列中相邻的第一金属单元对应相连，且同一排的相邻第一金属单元中变容二极管方向的相反，同一列的第一金属单元中变容二极管的方向相同。

所述第二金属周期阵列包括若干个呈周期性阵列分布的第二金属单元；所述第二金属单元呈正方形，包含两个金属细线结构、两个金属T型结构和一个PIN二极管，其中，所述两个金属细线结构平行设置在第二金属单元正方形的两条边上；所述两个金属T型结构均包含一条横边和一条垂直设置在所述横边中点上的竖边，两个金属T型结构的横边平行设置在第二金属单元正方形的另外两条边上，且两个金属T型结构的竖边通过所述PIN二极管连成一条直线；所述第二金属周期阵列中相邻的第二金属单元对应相连，且同一排的相邻第二金属单元中PIN二极管方向的相反，同一列的第二金属单元中PIN二极管的方向相同。

所述介质基底上侧的金属周期阵列和介质基底下侧的金属周期阵列呈正交排列。

如图3所示，本发明还可以包含外加直流偏置线。外加直流偏置线包括上层外加直流偏置线和下层外加直流偏置线，上层外加直流偏置线包括上层正接馈线和上层接地馈线，下层外加直流偏置线包括下层正接馈线和下层接地馈线，并联馈电型多功能有源频率选择表面的第一金属周期阵列和上层外加直流偏置线之间还包括隔交通直的射频电感，并联馈电型多功能有源频率选择表面的下层阵列和下层外加直流偏置线之间还包括隔交通直的射频电感。

本发明中，采用并联馈电方案，对上层金属周期阵列中每一行变容二极管施加反向并联偏置电压，对下层金属周期阵列中的每一列PIN二极管施加正向并联偏置电压，能够有效减小阵列中半导体元件工作所需的外加偏置电压值，提高阵列电磁特性的稳定性和可靠性。

本发明将两个T型金属结构作为谐振结构通过二极管相连，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。通过控制上层反向并联偏置电压，改变上层变容二极管的结电容，能够实现并联馈电型多功能有源频率选择表面在TM极化下的频率调谐功能，通过控制下层正向并联偏置电压，改变下层PIN二极管的通断状态，能够实现并联馈电型多功能有源频率选择表面在TE极化下的电磁开关功能。

根据并联馈电型多功能有源频率选择表面具体的工作频段，介质基底1的材料可选择聚四氟乙烯、环氧树脂等，金属结构材料可选择导电性好、性质稳定的金属，如铜、金和铝等，半导体元件可选择变容二极管、PIN二极管等。

在本实施例中，并联馈电型多功能有源频率选择表面工作在微波波段，介质基底采用F₄BME聚四氟乙烯高频微波板，厚度为0.8 mm，金属结构厚度采用35 μm厚度的铜，半导体元件采用SC-79封装的变容二极管、SOT-23封装的PIN二极管和0603封装的隔交通直射频电感。

在本实施例中，采用并联馈电方案，上层金属阵列中同一行加载的变容二极管同向并联，相邻行加载的变容二极管反向，通过控制上层反向并联偏置电压，改变上层变容二极管的结电容，能够实现并联馈电型多功能有源频率选择表面在TM极化下的频率调谐功能，下层金属阵列中同一列加载的PIN二极管同向并联，相邻列加载的PIN二极管反向，通过控制下层正向并联偏置电压，改变下层PIN二极管的通断状态，能够实现并联馈电型多功能有源频率选择表面在TE极化下的电磁开关功能。

基于该并联馈电型多功能有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：

在介质基底上侧第一金属周期阵列中各个变容二极管上加载反向并联偏置电压，在介质基底下侧第二金属周期阵列中各个PIN二极管上加载正向并联偏置电压；

如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TM极化下的频率调谐功能，则调整介质基底上侧第一金属周期阵列中变容二极管的反向并联偏置电压；如果需要增大并联馈电型多功能有源频率选择表面的工作频率，则减小介质基底上侧第一金属周期阵列中变容二极管的反向并联偏置电压，如果需要降低并联馈电型多功能有源频率选择表面的工作频率，则增加介质基底上侧第一金属周期阵列中变容二极管的反向并联偏置电压；

如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TE极化下的电磁开关功能，则调整介质基底下侧第二金属周期阵列中PIN二极管的正向并联偏置电压；如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TE极化下的电磁关功能，则调整介质基底下侧第二金属周期阵列的正向并联偏置电压，使得所有的PIN二极管处于导通状态，如果需要并联馈电型多功能有源频率选择表面实现TE极化下的电磁开功能，则调整介质基底下侧第二金属周期阵列的正向并联偏置电压，使得所有的PIN二极管处于断开状态。

图4给出了并联馈电型多功能有源频率选择表面分别在TM极化下的频率调谐功能和TE极化下的电磁开关功能的传输系数结果。其中：

（a）为并联馈电型多功能有源频率选择表面在TM极化下的频率调谐功能；

（b）为并联馈电型多功能有源频率选择表面在TE极化下的电磁开关功能。

当上层馈线施加的反向并联偏置电压减小时，变容二极管的结电容增大，并联馈电型多功能有源频率选择表面在TM极化下的谐振频率减小；当下层馈线未施加外加偏置电压时，PIN二极管工作在断开状态，并联馈电型多功能有源频率选择表面在3 GHz对TE极化呈现带通特性，当下层馈线施加外加偏置电压时，PIN二极管工作在导通状态，并联馈电型多功能有源频率选择表面在3 GHz对TE极化呈现带阻特性，并联馈电型多功能有源频率选择表面在带通状态和带阻状态在3 GHz的隔离度大于24 dB。

结果表明，通过独立控制并联馈电型多功能有源频率选择表面上下层阵列的外加直流偏置状态，能够改变其电磁状态，实现不同的功能，这体现了本发明的并联馈电型多功能有源频率选择表面具有功能多样性和状态可调性，且设计灵活、方便。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。