CN102683831B - 一种有源波束扫描超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源波束扫描超材料，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个金属微结构，所述的每一金属微结构上均设置有半导体元件，所述有源波束扫描超材料为每个金属微结构预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件上。根据本发明的有源波束扫描超材料，通过外部电压信号加载在金属微结构上的半导体元件，使得半导体元件的电子特性发生改变，实现每个金属微结构对电场响应的可调，电磁波通过每个金属微结构单元就会产生不同的相移，则超材料中的每个金属微结构单元都可以看作是一个电控的移相器。通过设计每个移相器的相移量，则可以达到相控阵的效果。

Description

一种有源波束扫描超材料

技术领域

本发明属于超材料领域，具体地涉及一种有源波束扫描超材料。

背景技术

波束扫描在通信和雷达领域有非常广泛的应用。基本上实现波束扫描分为机械和非机械两种方式。机械式是指使用复杂的伺服系统实现天线口面的方位变化。而非机械式通常指相控阵，即有很多单元，每个单元都向外辐射，这些辐射叠加成一个很窄的波束。改变每个单元的相对相位(通过每个单元加移相器实现)，可以改变叠加成的波束的方向。现有的相控阵技术所使用的移相器成本高昂，不利于在天线和雷达领域的产业化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种有源波束扫描超材料，该超材料结构简单，并且成本低廉。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种有源波束扫描超材料，所超材料包括基材以及附着在基材上的多个金属微结构，所述的每一金属微结构上均设置有半导体元件，所述有源波束扫描超材料为每个金属微结构预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件上。

进一步地，所述外部的电压信号通过导线传输加载到所述每个半导体元件上，所述导线穿过所述的外部接口。

进一步地，所述外部的电压信号分一路或多路加载在每个金属微结构上。

进一步地，所述半导体元件为电阻、电感或电容。

进一步地，所述半导体元件贴附在金属微结构上。

进一步地，所述半导体元件为贴附在金属微结构上的贴片式可变电容。

进一步地，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个金属微结构。

进一步地，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

进一步地，所述每一金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

进一步地，所述金属微结构为单开口矩形环，所述半导体元件贴附在所述单开口矩形环的开口处并连接开口的两端。

根据本发明的有源波束扫描超材料，通过外部电压信号加载在金属微结构上的半导体元件，使得半导体元件的电子特性发生改变，实现每个金属微结构对电场响应的可调，电磁波通过每个金属微结构单元(此单元包括金属微结构、金属微结构上的半导体元件)就会产生不同的相移，则超材料中的每个金属微结构单元都可以看作是一个电控的移相器。通过设计每个移相器的相移量，则可以达到相控阵的效果。相对于现有的相控阵技术，结构简单且成本低廉，易于产业化。

附图说明

图1所示为本发明中一个金属微结构单元的结构示意图；

图2为本发明所提供的有源波束扫描超材料结构示意图。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

如图3至4所示，根据本发明的有源波束扫描超材料，包括基材1以及附着在基材1上的多个金属微结构2，所述的每一金属微结构2上均设置有半导体元件3，所述有源波束扫描超材料为每个金属微结构2预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件3上。

本实施例中，所述外部的电压信号通过导线4传输加载到所述每个半导体元件3上，所述导线4穿过所述的外部接口。所述外部的电压信号分一路或多路加载在每个金属微结构2的半导体元件3上。优选地，所述外部的电压信号分多路加载在每个半导体元件3上。此处，将每个金属微结构2与其相应的半导体元件3合称为金属微结构单元。外部的电压信号通过外部接口加载到金属微结构上的半导体元件3后，改变了半导体元件的电子特性(如电阻值、电感值和电容值一种或者其组合)，实现每个金属微结构2对电场响应的可调，电磁波通过每个金属微结构单元就会产生不同的相移，则超材料中的每个金属微结构单元都可以看作是一个电控的移相器。通过设计每个移相器的相移量，则可以达到相控阵的效果。相对于现有的相控阵技术(现有的相控阵技术需要多个移相器，每个移相器价格高昂)，成本大大降低，易于产业化。

本发明中的所述半导体元件3可以贴附在金属微结构2上，也可以嵌入金属微结构2中。

作为本发明的一个实施例，所述基材1由多个相互平行的片状基板11堆叠形成，每个片状基板11上均附着有多个金属微结构2。实际做产品的时候，还可以对其进行封装，使得从外部看不到金属微结构，封装的材料与基材相同。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。

本实施例中，所述的每个金属微结构2为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板11上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行的加工方法。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

图1所示为本发明中金属微结构的一个优选实施例，所述金属微结构2为单开口矩形环，所述半导体元件3，贴附在所述单开口矩形环的开口处并连接开口的两端，上述的半导休元件3为电阻、电感或电容中的一种或其组合。优先选地所述半导体元件3为贴附在金属微结构上的贴片式可变电容，加载在贴片式可变电容两端的电压信号的大小不一样，电容值会跟着发生改变。电容值的改变，则改变了与贴片式可变电容相对应的那一金属微结构所处位置的电磁参数(电容改变对应的是介电常数的改变)，通过调节多路电压信号可以对所有的金属微结构所处位置的电磁参数进行调节，从而实现了电磁波不同处相对的相移量，进而达到相控阵的效果。

图2是图1所示的金属微结构单元在片状基板11上的的排布图，应当理解的是，这只是一个示意，金属微结构2的形状、数量以及空间排布并不限于此。其中，垂直于纸面的方向即为片状基板的堆叠方向。另外图4中，为了方便画图，省略了导线4。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种有源波束扫描超材料，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个金属微结构，其特征在于，所述多个金属微结构之间相互间隔，所述的每一金属微结构上均设置有半导体元件，所述有源波束扫描超材料为每个金属微结构预留有外部接口，外部的电压信号可通过导线传输加载在所述每个半导体元件上，所述导线穿过所述外部接口，所述外部的电压信号分一路或多路加载在每个金属微结构上，所述半导体元件为电阻、电感或电容。

2.根据权利要求1所述的有源波束扫描超材料，其特征在于，所述半导体元件贴附在金属微结构上。

3.根据权利要求2所述的有源波束扫描超材料，其特征在于，所述半导体元件为贴附在金属微结构上的贴片式可变电容。

4.根据权利要求1所述的有源波束扫描超材料，其特征在于，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个金属微结构。

5.根据权利要求4所述的有源波束扫描超材料，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

6.根据权利要求4所述的有源波束扫描超材料，其特征在于，所述每一金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

7.根据权利要求6所述的有源波束扫描超材料，其特征在于，所述金属微结构为单开口矩形环，所述半导体元件贴附在所述单开口矩形环的开口处并连接开口的两端。