[0001] 本发明涉及电磁波领域，特别是涉及一种通带可调的带通滤波相控电磁表面单元。

[0002] 具有空间滤波特性的传统FSS，通常应用于天线罩提升天线系统的抗干扰和隐身性能，但FSS不能有效抑制带外电磁干扰，无法在隐身和通信功能之间灵活切换，因此具有滤波特性的可重构电磁表面受到国内外研究者的关注。通过在电磁单元中集成可控元件或可调谐材料，实现了对电磁表面单元电磁特性的电调控制。其中,可控元件和可调谐材料的性能、成熟度、可用性、集成度、偏置复杂性等,对可重构电磁表面研究是至关重要。

[0003] 相比于可重构透射阵，具有带通滤波特性的可重构透射阵的研究刚起步，在单元设计过程中难度大，不仅需要考虑透射单元幅度和透射相位覆盖范围，还要注意单元对频率变化敏感，带宽窄和带外抑制度等，可重构透射阵还面临大角度扫描性能差、单元损耗大等问题。因此，对可重构透射电磁表面单元的工作带宽、单元剖面、辐射效率及带外抑制度之间的关键技术研究具有重大意义。

[0008] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0009] 本发明以传统高阶Butterworth低通滤波电路为切入点，探究宽带滤波电路工作原理，选取的1bit磁偶极子移相单元作为激励源，这种移相单元的E面方向图宽于H面方向图，可以改善可重构透射电磁表面阵列的大角度扫描损耗，通过将线极化的蘑菇型电磁带隙结构（EBG）对称置于磁偶极子单元两边，引入谐振零点，拓展透射电磁表面单元工作带宽同时，在工作频段低频点15.5GHz处引入传输零点，使可重构透射电磁表面单元具有高通滤波特性；为了在工作频段高频点处同样引入传输零点，在1bit移相单元极化平行方向对称置入0.25λ的短路贴片，此时可重构透射单元具有带通滤波特性，在移相单元和EBG单元结构中置于变容二极管Cv，通过调节Cv的值可调节单元通带带宽，使带通滤波相控电磁表面单元在隐身和通信功能之间可切换，实现通带带宽可调同时，并没有增加原有激励单元的介质层厚度，较好的平衡相控电磁表面剖面、工作带宽和辐射效率的关系，为后续研究应用于小型航空飞行器的集成一体化的电磁表面阵列奠定基础。

[0010] 传统的高通滤波网络，可通过串联谐振谐振电路增大滤波电路带外抑制比，如图1所示为8阶高通Butterworth滤波电路示意图；基于高阶高通滤波工作原理，通过分析如图2所示的复合左右手传输线（CRLH TL）电路图发现，只要运用合理的激励，将CRLH TL单元作为负载不仅可以扩展激励的工作带宽，还可以得到具有高通滤波特性功能电磁表面单元。

[0011] 相控电磁表面想实现宽带易共形，其单元厚度不应随带宽增加而增加，即将图2的单元电路与激励源进行并联设计了如图3（a）所示具有高通特性的滤波电路，图3(b)为高通滤波电路的S参数随频率变化的曲线，由图3（b）可知，在谐振频率f0=16.8GHz的源附近引入一个谐振频率为f1=16.5GHz的谐振零点，扩展源工作带宽同时又具有高通滤波特性。

[0012] 根据图3仿真的电路模型进行电磁表面单元设计建模如图4（a）所示，1bit磁偶极子移相单元作为激励源，谐振频点f0=16.4GHz，零阶谐振单元谐振频点f1=15.9GHz，并在传输曲线S21低频点15.7GHz处引入传输零点，使电磁表面单元具有高通滤波特性。图4b是图4a单元的幅度响应，此外，通过控制磁偶极子两个PIN二极管开关状态如图4（c）和图4（d）所示，使磁偶极子两个状态电流发生180°方向偏转，可构成1bit相控电磁表面单元。

[0013] 为了在工作频段高频点处引入传输零点，在1bit移相单元极化平行方向对称置入四分之一波长的短路枝节，由图5可知在17.5GHz频点处引入一个传输零点fr2，使高通滤波相控电磁表面单元具有带通滤波特性。图5（a）是具有带通滤波特性的相控电磁表面单元，图5（b）是图5（a）单元的幅度响应，图5（d）是图5（a）单元的相位响应；由图5（c）可知，在fr2=17.5GHz频点处，短路枝节与图4高通滤波特性的相控电磁表面单元电流方向相反。

[0014] 由图3具有高通滤波特性的滤波电路可知，当改变串联谐振电容C1的电容值时，可调节图2中的串联谐振电路的谐振点f1。可在图5中零阶谐振单元与移相单元之间并联一个可变电容Cv，如图6（a）所示；通过控制可变电容的偏置电压，调节Cv的值，改变通带的带宽BW如图6（b）所示，当Cv值由10fF增至20fF时，fr1由15.7GHz向低频偏移至15GHz,通带内带宽变宽。

[0015] 为了探究加载传输零点只是拓展了移相单元的带宽，并不影响移相单元的辐射特性，仿真了引入传输零点前后相控电磁表面单元辐射方向图的变化如图7所示。图7中红色为E面方向图，蓝色为H面方向图，实线为引入传输零点后的单元辐射方向图，短截线为引入传输零点前。由图7可知，除了引入传输零点后相控电磁表面单元后瓣变小，单元主瓣方向图基本无变化。

[0016] 当图6中的变容二极管Cv=10fF时，通带可调的带通滤波相控电磁表面单元增益G随频率f变化曲线如图8所示，由图8可知，在通带带外低频fz1=15.9GHz和高频处fz2=17.4GHz处分别存在辐射零点。

[0017] 如图9 12所示，本申请通带可调的带通滤波相控电磁表面单元关于x轴和y轴对~称，包括由上置下依次设置的金属表面、第一介质层1、第一接地层17、第二介质层2、偏置电路层、第三介质层15、第二接地层18、第四介质层3、微带馈线层、第五介质层16和第三接地层19；
所述金属表面包括从前置后依次设置的第一零阶谐振单元6.1、第一激励移相单
元7.1、第二激励移相单元7.2和第二零阶谐振单元6.2，第一激励移相单元7.1和第二激励移相单元7.2之间设置有馈电点8，馈电点8通过第一PIN二极管10连接到第一激励移相单元
7.1，馈电点8通过第二PIN二极管14连接到第二激励移相单元7.2，所述第一激励移相单元
7.1通过第一变容二极管11.1与第一零阶谐振单元6.1连接；所述第二激励移相单元7.2通过第二变容二极管11.2与第二零阶谐振单元6.2连接；第一激励移相单元7.1和第一激励移相单元7.2的两侧各设置有一个短路枝节9；
所述带通滤波相控电磁表面单元还包括第二金属过孔20，所述第二金属过孔20的
一端与金属表面的馈电点8连接，另一端依次贯穿第一介质层1、第一接地层17、第二介质层
2、偏置电路层、第三介质层15、第二接地层18、第四介质层3与微带馈线层连接；
所述带通滤波相控电磁表面单元还包括多个第一金属过孔5，每一个所述第一金
属过孔5依次贯穿第一接地层17、第二介质层2、偏置电路层、第三介质层15、第二接地层18、第四介质层3、微带馈线层、第五介质层16和第三接地层19，实现三个层之间的连接，并与金属过孔20模拟同轴馈电；
所述带通滤波相控电磁表面单元还包括多个第三金属过孔21，每一个第三金属过
孔21的一端与金属表面中的短路枝节9、第一零阶谐振单元6.1或零阶谐振单元6.1第二连接，另一端贯穿第一介质层1与第一接地层17连接；
所述第一激励移相单元7.1和第二激励移相单元7.2通过第一PIN二极管10、第二
PIN二极管14的通断实现180°相位差。

[0018] 所述第一零阶谐振单元6.1、第一激励移相单元7.1、第二激励移相单元7.2和第二零阶谐振单元6.2和短路枝节9均为金属贴片。第一零阶谐振单元6.1、第一激励移相单元7.1、第二激励移相单元7.2和第二零阶谐振单元6.2和短路枝节9通过金属通孔与第一接地层17相连组成实现其功能。

[0019] 在一些实施例中，所述第三金属过孔21的数目为6，其中4个第三金属过孔21各对应于一个短路枝节9，用于将对应的短路枝节与第一接地层17连接；其余两个第三金属过孔21中，其中一个第三金属过孔21与第一零阶谐振单元6.1
连接，另一个第三金属过孔21与第二零阶谐振单元6.2连接。

[0020] 在另一些实施例中，第三金属过孔21的数目也可以大于6，第一零阶谐振单元6.1、第二零阶谐振单元6.2和每一个短路枝节均可以通过一个或多个第三金属过孔21连接到第一接地层17；在本申请的实施例中，所述第一接地层17、第二接地层18和第三接地层19均为接
地金属层。

[0021] 所述偏置电路层包括扇形金属贴片，以及与扇形金属贴片连接的蛇形金属线，蛇形金属线通过第四金属过孔4与所述馈电点8连接，通过偏置电路层馈电控制第一PIN二极管10、第二PIN二极管14的通断。

[0022] 所述微带馈线层包括金属微带线，所述金属微带线的一端通过第二金属过孔20与所述馈电点8连接，另一端用于进行馈电。

[0023] 在本申请的实施例中，激励移相单元（第一激励移相单元7.1、第二激励移相单元7.2）通过PIN二极管（第一PIN二极管10与第二PIN二极管14）的通断实现180°相位差，如图4所示，当第一PIN二极管10与第二PIN二极管14状态为Onoff时，单元的电流矢量方向图如图
4（c）所示沿着x轴正方向，对应相位响应曲线如图4（e）中的绿色曲线；当第一PIN二极管10与第二PIN二极管14状态为Offon时，单元的电流矢量方向图如图4（d）所示沿着x轴负方向，对应相位响应曲线如图4（e）中的红色曲线；第一PIN二极管10与第二PIN二极管14的Onoff/Offon状态是由偏置电路12通过第四金属过孔4控制的由扇形金属贴片和蛇形金属线组成。
金属微带线13通过第二金属过孔20和馈电点8连接，实现1bit移相单元进行耦合馈电（1bit移相单元由第一PIN二极管10与第二PIN二极管14，第一激励移相单元7.1、第二激励移相单元7.2、第一接地层17和第四金属过孔4构成），金属微带线还连接外部带状功分网络用于进行馈电。如图6所示，通过改变可变电容Cv（第一变容二极管和第二变容二极管）的值可以调节带通滤波相控电磁表面单元的通带带宽。

[0024] 本发明专利所设计的通带可调的带通滤波相控电磁表面单元，以多层级联的高阶滤波电路为出发点，在不增加激励单元厚度的基础上，通过分析高阶高通滤波电路和零阶谐振单元的工作机理，将ZOR单元加载具有180°磁偶极子移相单元两端，扩展阻抗匹配带宽同时在工作频段低频点出引入一个传输零点，使1bit宽带易共形电磁表面单元具有高通滤波特性；在移相单元极化平行方向对称置入四分之一波长的短路枝节，在高频点处引入传输零点形成带通滤波相控电磁表面单元，且在ZOR单元与移相单元之间置入可变电容Cv，可通过调节电容偏置电压控制通带带宽。仿真分析了带通滤波相控电磁表面单元辐射方向图，辐射零点单元引入并不影响原有移相单元的辐射特性（E面方向图波瓣宽度大于H面方向图），在宽带特性、单元剖面及辐射特性之间达到了良好的平衡，为后续可共形小型航空飞行器的相控电磁表面研究奠定了基础。