一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面

本发明属于电磁空间滤波及隐身，具体涉及一种基于变容二极管的s、c波段透射通带可调的有源频率选择表面。

背景技术：

1、有源频率选择表面(active frequency selective surface,afss)是指在频率选择表面(frequency selective surface,fss)结构基础上加载变容二极管等集总元件的一种响应频率可调的周期结构。频率选择表面对空间中不同极化方式、不同频率、不同入射角度的电磁波具有选择特性。由于有源频率选择表面具有可调特性，可以更加灵活地选择空间电磁波，使其广泛应用于日益复杂多变的军事和无线通信中。

2、有源频率选择表面能够在保证我方雷达正常工作的前提下，减小雷达系统向后的电磁能量散射，从而降低后向雷达散射截面(radar cross section,rcs)，提高作战平台的隐身性能。传统无源频率选择表面在制作完成之后，它的电磁参数就已经确定，无法适用于多变的环境。有源频率选择表面可以通过控制有源器件的外部激励，如电流、偏压、偏置电场、偏置磁场等实现响应频率连续可调或跳频，以达到信道的时分复用，提高信道容量。有源频率选择表面内嵌到雷达罩中，可以在不影响雷达正常工作的前提下实现雷达带外和带内rcs的动态调控。

3、目前，常见的有源频率选择表面多采用加载变容二极管的设计思路。由于制作工艺的限制，变容二极管具有有限的调容范围，也不可避免地具有寄生电阻。如何在变容二极管有限调容的约束下，实现更加宽泛的调频范围是有源频率选择表面适用环境复杂性的重要指标。同时，变容二极管寄生电阻的存在导致有源频率选择表面不可避免地具有一定的插入损耗，如何在保证带宽的前提下，尽量减小插入损耗也是综合设计考虑的重要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，以实现在s波段和c波段低插损、通带连续可调。该可调频率选择表面采用一体化设计，将频率选择表面、变容二极管、介质基板和馈电金属线看作一个有机整体，有效解决了基于变容二极管可调频率选择表面可调范围窄、插入损耗大的问题。本发明可以灵活地在宽带范围内进行动态调频，在己方天线工作时，将通带频点调至对应频点，以实现低插损辐射；当己方天线不工作或对方电磁波照射时，通过施加变容二极管两端随机电压进行跳频干扰，以实现良好的隐身效果。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，包括：介质板、设置于介质板正面的第一贴片单元阵列、设置于介质板背面的第二贴片单元阵列、设置于介质板中间的金属过孔阵列。

4、所述第一贴片单元阵列，包括若干周期排布的第一贴片单元；所述第一贴片单元为90°旋转对称结构，包括一个外围正方形金属环、一个内部圆形金属贴片、四个矩形金属条带、以及四个变容二极管；其中，所述正方形金属环的外边长与所述第一贴片单元的周期边长相同，相邻单元的正方形金属环连续连接；所述矩形金属条带的两端分别连接正方形金属环、圆形金属贴片；所述矩形金属条带上设置有间隙，变容二极管位于方形金属条带间隙内，且正极连接圆形金属贴片，负极连接正方形金属环。

5、所述第二贴片单元阵列，包括若干周期排布的第二贴片单元；所述第二贴片单元，包括一个十字栅格和一个圆型贴片；所述十字栅格和圆型贴片的中心点重合，且相邻单元的十字栅格彼此连续连接。

6、所述金属过孔阵列，包括若干周期排布的金属过孔单元；所述金属过孔贯穿介质板并且连接圆形金属贴片和圆型贴片。

7、所述第一贴片单元、第二贴片单元、金属过孔单元一一对应。

8、进一步地，将偏置电压的正极连接任一正方形金属环，偏置电压的负极连接任一十字栅格；通过改变偏置电压值，从而调控有源频率选择表面的通带频点。

9、进一步地，所述第一贴片单元的周期边长为a，a的取值范围为0.1λ～0.2λ，所述正方形金属环的线宽为0.0017λ～0.008λ；λ为可调频段中心频点处的波长。

10、进一步地，所述圆形金属贴片的直径为c，c的取值范围为0.05λ～0.15λ。

11、进一步地，所述矩形金属条带的宽度为g，g的取值范围为0.004λ～0.009λ；所述间隙的宽度为f，f的取值范围为0.006λ～0.01λ，所述间隙与圆形金属贴片的间距为0.0117λ。

12、进一步地，所述十字栅格的臂宽为h，h的取值范围为0.0017λ～0.008λ；所述圆型贴片的直径为i，i的取值范围为0.009λ～0.016λ。

13、进一步地，金属过孔的直径取值范围为0.002λ～0.008λ。

14、进一步地，所述介质板为rogers r5880，介质厚度为0.508mm。

15、本发明中，使用金属过孔将变容二极管的正极和第二贴片的十字栅格导通；利用金属条带将变容二极管负极和第一贴片的正方形金属环连通。因此，只需要分别在十字栅格和正方形金属环上焊接一个馈电点，就可以实现对整个阵列的有源可控。当变容二极管两端的加载电压从0v变化到15v时，变容二极管的容值从1pf变化到0.1pf，从而改变该有源频率选择表面的通带频点，实现该表面透射通带在2.75-8ghz连续调谐。该有源频率选择表面的插入损耗随通带频率升高而降低，最低频率2.75ghz对应最大的插入损耗，为2.6db；而在高频段4.5ghz-8ghz插入损耗均低于1db。

16、本发明具有以下优点：

17、1.本发明的有源频率选择表面可调带宽很大。实现了2.75ghz-8ghz透射通带可调功能，覆盖了c波段，基本覆盖了s波段。

18、2.本发明在可调透射波段内插入损耗低。该有源频率选择表面的插入损耗随通带频率升高而降低，最低频率2.75ghz对应最大的插入损耗，为2.6db；在高频段4.5ghz-8ghz插入损耗均低于1db。

19、3.本发明采用的是单层介质基板结构，并且变容二极管电压偏置网络和频率选择表面一体化设计，仅需一对焊点就可实现对整个阵列的可调控制，使得后期加工制作变得更加简单。选用介质基板厚度仅为0.508mm，适用于对有源频率选择表面剖面有严格要求的系统。

20、4.本发明是中心对称结构，对不同极化的电磁波均具有良好的滤波效果。

21、5.本发明的有源频率选择表面具有良好的角稳定性。

技术特征：

1.一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，包括：介质板、设置于介质板正面的第一贴片单元阵列、设置于介质板背面的第二贴片单元阵列、设置于介质板中间的金属过孔阵列；

2.如权利要求1所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，偏置电压的正极连接任一正方形金属环，偏置电压的负极连接任一十字栅格；通过改变偏置电压值，从而调控有源频率选择表面的通带频点。

3.如权利要求2所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，所述第一贴片单元的周期边长为a，a的取值范围为0.1λ～0.2λ，所述正方形金属环的线宽为0.0017λ～0.008λ；λ为可调频段中心频点处的波长。

4.如权利要求3所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，所述圆形金属贴片的直径为c，c的取值范围为0.05λ～0.15λ。

5.如权利要求3所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，所述矩形金属条带的宽度为g，g的取值范围为0.004λ～0.009λ；所述间隙的宽度为f，f的取值范围为0.006λ～0.01λ，所述间隙与圆形金属贴片的间距为0.0117λ。

6.如权利要求3所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，所述十字栅格的臂宽为h，h的取值范围为0.0017λ～0.008λ；所述圆型贴片的直径为i，i的取值范围为0.009λ～0.016λ。

7.如权利要求3所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，金属过孔的直径取值范围为0.002λ～0.008λ。

8.如权利要求3所述的一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，其特征在于，所述介质板为rogers r5880，介质厚度为0.508mm。

技术总结
本发明公开了一种低插损透射通带宽带可调的有源频率选择表面，属于电磁空间滤波及隐身技术领域。该有源频率选择表面包括：介质板、第一贴片单元阵列、第二贴片单元阵列、金属过孔阵列；第一贴片单元设置有变容二极管，其负极和第一贴片单元的外围正方形金属环连通，正极通过金属过孔和第二贴片单元导通，因此，仅需一对焊点就可实现对整个阵列的可调控制；同时，本发明的有源频率选择表面可调带宽大，插入损耗小，实现了2.75GHz‑8GHz透射通带可调功能，覆盖了C波段，基本覆盖了S波段。

技术研发人员：丁霄,李炯
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5