有源频率选择表面结构

1.本发明涉及电磁对抗及隐身技术领域，特别涉及一种有源频率选择表面结构。


背景技术：

2.透波窗口是飞机、导弹、舰船等武器装备最重要的探测、侦察、制导设备，是武器装备的“眼睛”，另一方面它也是最重要雷达强散射源之一。以导弹为例，透波窗口在其头部方向产生很大的雷达散射截面贡献，约占其头部rcs的40%~50%，给自身生存能力和突防能力构成巨大威胁。因此，解决透波窗口的电磁对抗及隐身问题对于解决武器装备侦察与反侦察、探测与反探测、精确打击和突防能力之间的矛盾至关重要；随着现代战场电子对抗手段的日臻复杂，透波窗口需要根据雷达工作时序的不同，既可以开通保障精确制导，同时又能够快速关闭实现抗干扰、隐身的目标，这就要求透波窗口感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并对之进行分析、处理、判断，并通过控制透波窗口的传输特性进行适度响应，使其成为具备感知、驱动和控制的功能智能透波窗口。
3.有源频率选择表面（active frequence selective surfaces，简称afss）通常是由金属结构表面与电子元器件（例如，变容二极管、pin二极管）或功能开关材料（例如，聚苯胺、液晶材料）或等离子体等复合而成，利用电控、光控或磁控等方式，实现电磁波传输特性的调控，最终实现雷达开关的目标。因此，作为智能透波窗口的重要执行模块，具有电磁开关功能的有源频率选择表面将是设计武器装备智能透波窗口，实现飞行器隐身、抗干扰的最佳技术途径。
4.加载电控集总元件的有源频率选择表面结构设计存在两大难题，一是如何消除电控集总元件偏置馈电网络对窗口透波的影响；二是如何解决电控集总元件lc值与频率选择表面金属谐振图案等效lc值匹配与兼容的问题。目前公开报道的有源频率选择表面研究热点聚焦于难题一，国内外关于难题二尚未有可行的技术方案；难题二的物理机理描述如下：有源频率选择表面结构是基于、工作的，其中，f0是频率选择表面滤波中心频点，f
0r
含义为频率选择表面置于电介质内部时，中心频点与电介质相对介电常数之间的关系；l、c为频率选择表面金属图案的等效电感、电容，为频率选择表面阻抗匹配或支撑金属贴片用的电介质，通过加载可控的有源器件或材料，通过改变l、c或进而实现对频率选择表面电磁传输特性调控的目标。目前公开报道的加载电控有源器件的有源频率选择表面结构，其等效lc值包含了金属谐振图案lc值与电控有源器件的lc值，此时，当我们在设计x波段（8ghz~12ghz）以及频率更高的有源频率选择表面时，由于现有电控集总元件等效电容大多是0.1pf量级，而此时采用金属结构表面设计的频率选择表面等效电容为0.01pf量级，当两种不同量级的电容集成后，电控有源器件的lc值将主导频率选择表面滤波特性，高频有源频率选择表面金属图案等效的lc值被忽略，进而高频频率选择表面设计失效。为了解决难题二，电控集总元件lc值与频率选择表面金属谐振图案等效lc值匹配与兼容的问题，本发明提出一种有源频率选择表面结构。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种有源频率选择表面结构，能够解决电控集总元件lc值与频率选择表面金属谐振图案等效lc值匹配与兼容的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：本发明提供的有源频率选择表面结构，包括结构周期单元、金属贴片和有源措施，结构周期单元在水平方向与垂直方向拓扑得到有源频率选择表面结构，金属贴片安装在有源频率选择表面结构上，有源措施加载在有源频率选择表面结构上。
7.优选地，结构周期单元包括电介质层、非金属过孔和金属图案，在电介质层上开设有用于加载有源措施的非金属过孔，在电介质层上还形成金属图案。
8.优选地，金属贴片的图案包括十字形金属贴片与方环形金属贴片。
9.优选地，金属图案包括电感性周期金属图案与电容性周期金属图案，电感性周期金属图案的一侧对应安装十字形金属贴片，电容性周期金属图案的一侧对应安装方环形金属贴片。
10.优选地，加载有源措施为在有源频率选择表面结构上加载电控集总元件。
11.优选地，加载有源措施为在有源频率选择表面结构上加载氧化钒薄膜。
12.优选地，加载有源措施为在有源频率选择表面结构上基于高能微波电离空气方法进行加载。
13.优选地，当通过加载电控集总元件实现有源频率选择表面透波开关时，电介质层为聚酰亚胺，厚度为0.3~0.5毫米。
14.优选地，当通过加载氧化钒薄膜实现有源频率选择表面透波开关时，电介质层为聚酰亚胺，厚度为0.1~0.4毫米，非金属过孔内部的填充物为氧化钒薄膜与金属圆柱。
15.优选地，当基于高能微波电离空气方法实现有源频率选择表面透波开关时，电介质层为聚酰亚胺，厚度为0.1~0.4毫米，在电介质层的四个侧壁上开设有通孔，非金属过孔内部的填充物为氧化钒薄膜与金属圆柱。
16.本发明能够取得如下技术效果：1、通过电感性周期表面与电容性周期表面耦合的机理设计有源频率选择表面结构，将电控有源器件或温控氧化钒置于非金属过孔，控制两层金属贴片的电连通与断开，实现有源频率选择表面通带透波开与关，解决电控集总元件lc值与fss金属谐振图案等效lc值匹配与兼容的问题。
17.2、通过提出的有源频率选择表面结构的独立式馈电网络，每个电控元器件都是并联形式，从根本上消除有源频率选择表面馈电网络存在的工艺拓展性问题、极化问题以及功耗问题。
18.3、通过本技术的特殊有源频率选择表面结构，导致有源措施自身的等效lc值不参与有源频率选择表面的等效lc计算，所以不再对电控集总元件的lc值有任何约束条件，传统约束的最大问题是高频有源选择频率表面需要更小的c，目前可用的电控集总元件大部分不满足，能满足的价格非常贵，而且依赖进口，但是本技术的特殊有源频率选择表面结构将会极大地降低有源频率选择表面的成本。
19.4、通过温控氧化钒以及高能微波击穿空气电离等方式，丰富有源频率选择表面技术实现途径。
附图说明
20.图1是根据本发明实施例提供的结构周期单元的结构示意图。
21.图2是根据本发明实施例提供的有源频率选择表面结构的几何参数示意图。
22.图3是根据本发明实施例提供的加载电控集总元件的有源频率选择表面开关两种状态下的透波曲线示意图。
23.图4是根据本发明实施例提供的加载电控集总元件的馈电网络示意图。
24.图5是根据本发明实施例提供的加载氧化钒薄膜的非金属过孔结构示意图。
25.图6是根据本发明实施例提供的基于高能微波电离空气方法的电介质层的结构示意图。
26.其中的附图标记包括：电介质层1、非金属过孔2、十字形金属贴片3、方环形金属贴片4、氧化钒薄膜5、金属圆柱6、通孔7、直流导线8、第一曲线9、第二曲线10。
具体实施方式
27.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
29.有源频率选择表面结构由厚度为d、相对介电常数εr≤6，损耗角正切值≤0.1的电介质层1、非金属过孔2、电介质层1上、下表面的电感性周期金属图案、电容性周期金属图案四部分组成，有源频率选择表面结构属于典型的周期拓扑结构，核心是电介质层1的上、下表面的电感性周期金属图案、电容性周期金属图案通过非金属过孔2连通，基于电容性周期金属图案与电感性周期金属图案表面耦合机理设计滤波结构，通过控制非金属过孔2的电连通状态，实现有源频率选择表面传输电磁波开与关；图1示出了本发明实施例提供的结构周期单元的结构示意图。
30.如图1所示，结构周期单元包括电介质层1、非金属过孔2和金属图案，在电介质层1上开设有非金属过孔2，在电介质层1上还形成金属图案。
31.金属图案包括电感性周期金属图案与电容性周期金属图案。
32.金属贴片的图案包括十字形金属贴片3与方环形金属贴片4；电感性周期金属图案的一侧对应安装十字形金属贴片3，电容性周期金属图案的一侧对应安装方环形金属贴片4。
33.在电介质层1两侧的金属贴片，以及用于加载有源措施的非金属过孔2构成了一种特殊的有源频率选择表面结构，将具有导电、不导电两种状态的有源措施，植入非金属过孔2中，可以实现有源频率选择表面结构两层金属贴片之间的电断开和电连通。
34.当电断开时，有源频率选择表面结构为带通型滤波结构。
35.当电连通时，有源频率选择表面结构为高通型滤波结构。
36.两种滤波结构在雷达工作频段2-18gh呈现为电磁波传输开关效果，并且有源措施自身的等效lc值不参与有源频率选择表面的等效lc计算，传统的有源措施都是通过改变有
源频率选择表面的等效lc的c/l来控制电磁波传输，并不是改变有源频率选择表面结构。
37.而本发明通过上述特殊的结构利用有源措施实现两种结构、两个状态切换，所以有源频率选择表面加载电控集总元件时不在受lc约束。
38.有源频率选择表面结构中准确的周期间隔g、金属线宽2a值，需要确定电介质、非金属过孔2后，采用电磁仿真软件cst、hfss、feko等进行数值计算。本发明提出的有源频率选择表面结构，无论是加载电控集总元件、氧化钒薄膜5或是高能微波电离空气的技术实现途径，均不影响g、2a的数值计算，理由同上，在此不再赘述。
39.图2示出了本发明实施例提供的有源频率选择表面结构的几何参数示意图。
40.如图2所示，电感性周期金属图案使用十字形金属贴片3，金属线宽为2a，金属臂长为g；电容性周期金属图案使用方环形金属贴片4，边长为g-s、方环宽为2a，周期间隔为g，其中，s为几何结构参数的代号，没有物理含义，g与工作波长λ满足经验公式g＜λ/10，线宽越细性能越好，考虑印刷线路板工艺，线宽2a≥50μm。
41.在有源频率选择表面结构上加载有源措施以实现有源频率选择表面透波开关，有三种方式：实施例一：在有源频率选择表面结构上加载电控集总元件，以实现有源频率选择表面透波开关。
42.非金属过孔2的厚度等于电介质层1的厚度d、开孔大小
ϕ
2a是由加载电控集总元件尺寸大小决定，电介质相对介电常数εr≤6，损耗角正切值≤0.1；首先，设计结构周期单元；其次，按照周期间隔在水平方向与垂直方向拓扑得到有源频率选择表面结构；在有源频率选择表面结构上使用金属贴片后；最后，选用ma4fcp200 pin二极管，其引脚尺寸0.4mm
×
0.3mm，此时电介质层1中非金属过孔2的厚度d=0.4mm，口径
ϕ
d=0.3mm，电介质层1选用d=0.4mm的聚酰亚胺，其相对介电常数3，损耗角正切值0.005；依据经验g＜λ/10、2a≥50μm，对于x波段8ghz~12ghz中心频点10ghz波长3cm有源fss，fss图案几何特征参数初始值设定为：g=5mm，2a=0.05mm，s=0.0.05mm。
43.采用cst全波分析软件，优化fss图案几何特征参数，最终确定：g=3.7mm，2a=0.15mm，s=0.15mm。
44.图3示出了本发明实施例提供的加载电控集总元件的有源频率选择表面开关两种状态下的透波曲线。
45.如图3所示，此时，有源频率选择表面两种状态下的透波曲线，十字形金属贴片3与方环形金属贴片4导通时其透波状态如第一曲线9，中心频点10ghz透过率超过95%，十字形金属贴片3与方环形金属贴片4断开时其透波状态如第二曲线10，中心频点在10ghz透过率低于20%。
46.图4示出了本发明实施例提供的加载电控集总元件的馈电网络示意图。
47.如图4所示，将上述结构周期单元按照周期间隔g横竖两个方向拓扑，获得任意尺寸的有源频率选择表面，并按照图4所示的馈电方式控制pin二极管：当电控集总元件置入非金属过孔2时，方环形金属贴片4之间采用线宽0.05mm金属线制作成直流导线8，并将整个方向金属贴片层连通电源的正极，十字形金属贴片3层连通电源的负极。
48.其中，第一曲线9表示是十字形金属贴片3与方环形金属贴片4电连通时有源频率
选择表面结构透波曲线，电连通时，采用万用表测量两层金属贴片表面之间的电阻小于15欧姆即可，第二曲线10表示十字形金属贴片3与方环形金属贴片4断路时有源频率选择结构透波曲线。
49.实施例一中的设计仅适用于平面有源频率选择表面结构，而对于曲面有源频率选择表面结构需要根据实物模型，采用cst全波分析软件进行实物1:1优化几何特征参数。
50.实施例二：在有源频率选择表面结构上加载氧化钒薄膜5，以实现有源频率选择表面透波开关。
51.非金属过孔2的口径由金属贴片的宽度决定，即
ϕ
d=2a，电介质层1的厚度d理论上不超过10倍工作波长即可。但是考虑电容性周期金属图案与电感性周期金属图案之间耦合效率，电介质层1厚度尽可能小，推荐使用0.1mm厚的聚酰亚胺薄膜，其相对介电常数3，损耗角正切值0.005。
52.图5示出了本发明实施例提供的加载氧化钒薄膜的非金属过孔2结构示意图。
53.如图5所示，非金属过孔2的填充物是由两层150nm~200nm氧化钒薄膜5和金属圆柱6构成，金属推荐使用铝、钛合金、金等，填充物总厚度与电介质层1厚度一致。
54.仍然将fss图案几何特征参数初始值设定为：g=5mm，2a=0.05mm，s=0.0.05mm。
55.此时，0.1mm厚聚酰亚胺薄膜对应的有源频率选择表面结构，实现图5所示的透波目标，采用cst全波分析软件，优化fss图案几何特征参数如图2所示，最终确定：g=4mm，2a=0.1mm，s=0.1mm。
56.实施例三：在有源频率选择表面结构上基于高能微波电离空气方法进行加载，以实现有源频率选择表面透波开关。
57.图6是根据本发明实施例提供的基于高能微波电离空气方法的电介质层1的结构示意图。
58.如图6所示，首先要设计过孔充气的实现方式，即在电介质层1的四个侧壁开
ϕ
2d/3的通孔7，通过侧壁上的通孔7实现对电介质层1过孔处的空气注入；然后再将电介质四个侧壁用环氧树脂胶密封，非金属过孔2的口径、电介质层1的材料设计结果与实施例二的加载氧化钒薄膜5的有源频率选择表面结构一致，在此不再进行赘述。
59.此时电介质层1材料形成类似蜂窝材料，电介质层1的介电常数将发生变化，此时需要根据电介质通孔7情况进行相对介电常数、损耗角正切值测试，根据测试结果再进行十字形金属贴片3、方环形金属贴片4尺寸、间隔设计。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
61.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
62.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。