一种柔性有源频率选择表面及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性有源频率选择表面及其控制方法，选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底和分别设置在介质基底上下侧的金属周期阵列。柔性有源频率选择表面工作时，对两个偏置系统独立进行偏置可以配置四种工作状态分别是：双极化带阻、TE单极化带通、TM单极化带通、双极化带通，构成两种功能：电磁开关和极化选择。本发明专利技术集成多种功能与一体，基板柔软，适合复杂的应用场景，制作简单且具有良好的角度稳定性，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性有源频率选择表面及其控制方法
本专利技术涉及一种有源频率选择表面及其控制方法，尤其涉及一种柔性有源频率选择表面及其控制方法。
技术介绍
随着科学技术和经济的发展，各种信息设备越来越多地应用于军事与民用领域，信息设备之间的电磁传输与电磁兼容、精密仪器抗电磁干扰、人体防电磁辐射等均要求对电磁信号实现传输控制或吸收损耗。而频率选择表面(FSS)对电磁波具有选择透过性，这使它广泛应用于雷达罩、空间电磁滤波器、对吸波材料改性等领域。随着隐身技术的发展与进步，隐身飞行器平台上的雷达天线系统以及各种射频传感器成为雷达散射截面(RCS)的主要贡献源，其隐身技术对于飞行器整体的隐身性能至关重要。但是雷达天线作为信息交互的最前端，必须保证自身正常收发电磁波，不能直接应用外形隐身技术或者涂覆雷达吸波材料等方法来实现其隐身技术。而目前，国内外采用最广泛的隐身技术是频率选择表面(FSS)技术。FSS是由特定形状的单元图形周期性排列，形成二维的周期阵列结构，其反射特性和传输特性表现为频率的函数。对其传输特性具有影响作用的因素有单元的尺寸、排布方式、排列周期、电磁波入射角度等。由于FSS呈现出开放空间的电磁滤波器的功能，又被称为空间滤波器，在天线设计、表面波处理和雷达散射截面控制等方面备受关注，是天线和微波领域的研究热点之一。其中基于带通型FSS设计的天线罩，往往通过共形技术，将带外传输的电磁波反射到其他方向，减小后向散射；而天线罩在天线工作频带内呈现出得高透明性使得天线变为很大的散射源，不能做到真正隐身。为了改善这一缺点，缩减带内RCS，将有源频率选择表面的概念引入天线罩的设计中形成具有开关功能的天线罩。这一类的切换开关以达到频率选择表面在透明/全反射状态间转换的设计，可以有效缩减带内RCS，并且可以在较宽频带内呈现传输特性从而更加适合在宽频或者多频天线上应用，因此具有广阔的应用前景。随着现有技术的不断发展，研究多功能有源频率选择表面结构对于吸波、隐身以及极化转换等应用来说具有更高的实用价值，它也是未来电磁超常媒质频率选择表面研究的一个重要热点。传统的有源频率选择表面只能实现一种功能，如电磁波开关或者极化选择或者频率调谐透波/吸波切换功能，不能高效利用资源。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的为提供一种电磁性能优异的柔性有源频率选择表面，本专利技术的第二目的为提供该柔性有源频率选择表面的控制方法。技术方案：本专利技术的柔性有源频率选择表面，选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底和分别设置在介质基底上下侧的金属周期阵列。进一步地，金属周期阵列包括若干个呈二维周期排布的金属单元。金属单元呈正方形，包括上下层金属图案、PIN二极管、金属过孔。PIN二极管位于上下层金属图案之间，PIN二极管连接上下层金属图案。上下层金属图案是镜像对称的，每层金属图案由若干条曲折线组成且任意一条曲折线绕单元中心旋转得到另外的曲折线。优选的，上下层对应位置曲折线通过金属过孔连通，每个金属过孔位于每条曲折线最内侧且呈中心对称分布。PIN二极管位于上下层中心且正交放置，PIN二极管连接上层左右曲折线和下层前后曲折线。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。介质基底采用聚四氟乙烯高频微波板。金属单元采用0.5oz～3oz厚度的铜。本专利技术的柔性有源频率选择表面增强了控制手段和结构的灵活性。用硬质基板制成的频率选择表面已不能适应稍微复杂的应用环境，共性的频率选择表面或许能解决这个问题，但其一经制作变无法再次改变形状，为了进一步增加频率选择表面的灵活性，本专利技术采用低介电常数介质作为柔性基板，相对传统硬质基板具有更大的应用空间。而传统的柔性频率选择表面多为无源，也不适用于智能隐身系统，本专利技术兼具柔性和多功能的优点，结构简单且制备方便，更好的实现了复杂电磁环境下的电磁调控性能。本专利技术的有源频率选择表面的控制方法，包含以下步骤：如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在双极化带阻状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均不加载直流偏置电压；如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在双极化传输状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列、介质基底下侧的金属周期阵列上均沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在TE极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压；如果需要柔性多功能有源频率选择表面工作在TM极化波选择状态，则在介质基底上侧的金属周期阵列上沿其PIN二极管方向加载直流偏置电压、在介质基底下侧的金属周期阵列上不加载直流偏置电压。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)利用特殊的曲折线拓扑结构，极大小型化了单元的尺寸，并且提高了角度与极化稳定性。且曲折线本身与金属直流馈线相连对PIN管进行偏置，使得单元内部无需额外的偏置线，极大避免了冗余偏置线对频率选择表面的电磁特性产生干扰；(2)通过两套偏置线系统对上下两层金属阵列上的PIN管分别独立偏置，可以实现四种偏置状态，分别是双极化带阻，双极化透波、TE极化波选择和TM极化波选择等四种工作状态，能够在一块有源频率选择表面上实现电磁波开关和极化选择两种功能，器件结构简单，易于加工，角度与极化稳定性极佳；(3)采用柔性介质基板制作有源频率选择表面，可以极大提高器件的柔软性，十分适合复杂的应用环境；在TE、TM极化和0～75°范围内展现出稳定的电磁特性；(4)有效解决现有有源频率选择表面馈线冗余、功能单一、结构僵硬的问题，能广泛应用于电磁隐身、电磁兼容和可重构器件设计领域。附图说明图1是本专利技术基于PIN二极管的柔性多功能有源频率选择表面周期结构侧视图；图2(a)、图2(b)分别是柔性多功能有源频率选择表面的上下层金属单元的结构示意图；图3是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)、图4(c)、图4(d)分别书是本专利技术基于PIN二极管的柔性多功能频率选择表面的上下层PIN二极管的偏置状态是“00”、“01”、“10”、“11”(如“01”表示上层PIN二极管截止而下层PIN二极管导通)时正入射下两种极化的电磁波传输系数与频率的关系图；图5(a)、图5(b)分别是TE和TM极化下在“00”状态下的电磁波传输系数与频率和入射角度的关系图；具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。为了解决上述技术问题，本专利技术设计一种基于PIN二极管的柔性多功能有源频率选择表面，单元结构包括低剖面柔性介质基底和分别设置在介质基底上下侧的金属周期阵列。金属周期阵列包括若干个呈二维周期排布的金属单元：金属单元呈正方形，包含上下金属图案、两个PIN二极管、四个金属焊盘和四个金属过孔。其中上下层金属图案是镜像对称的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底(1)和分别设置在介质基底(1)上下侧的金属周期阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面的单元结构包括低剖面柔性介质基底(1)和分别设置在介质基底(1)上下侧的金属周期阵列。


2.根据权利要求1所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述金属周期阵列包括若干个呈二维周期排布的金属单元(5)。


3.根据权利要求2所述的有源频率选择表面，其特征在于：所述金属单元(5)采用0.5oz～3oz厚度的铜。


4.根据权利要求2所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述金属单元(5)呈正方形，包括上下层金属图案和PIN二极管，PIN二极管位于上下层金属图案之间，用于连接上下层金属图案。


5.根据权利要求4所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：所述上下层金属图案是镜像对称的，每层金属图案由若干条曲折线组成且任意一条曲折线绕单元中心旋转得到另外的曲折线。


6.根据权利要求5所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：上下层对应位置曲折线通过金属过孔连通，每个金属过孔位于每条曲折线最内侧且呈中心对称分布。


7.根据权利要求5所述的柔性有源频率选择表面，其特征在于：PIN二极管位于上下层中心且正交放置，PIN二极管连接上层左右曲折线和下层前...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹群生，梁晋玮，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32