CN103050785A

CN103050785A - 基于pin二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料

Info

Publication number: CN103050785A
Application number: CN2012105558123A
Authority: CN
Inventors: 江建军; 陈谦; 陈立; 成石; 缪灵; 别少伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明公开了一种基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过连接线连接；每一个吸波结构单元包括：底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形貌为偶极子图案，所述PIN二极管焊接于所述偶极子图案正中间。本发明采用PIN二极管加载的有源频率选择表面设计来制作吸波性能可调的结构吸波材料，可动态调节工作状态的PIN二极管，可主动调节结构吸波材料的吸波性能；同时该结构吸波材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽的特点。

Description

基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料

技术领域

本发明属于结构吸波材料领域，更具体地，涉及一种基于PIN（PositiveIntrinsic Negative）二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料。

背景技术

吸波材料已开始应用于飞机、导弹等武器平台的隐身设计。传统铁氧体、金属微粉、多晶铁纤维等吸波涂层，由于密度大、维护成本高及难以实现宽频带吸收等，因而在具体应用中具有一定的限制。

结构吸波材料由于可实现吸波承载一体化，因而更适用于飞机、导弹等武器平台的一体化设计。基于超材料的结构吸波材料，由于其只能在对应的一个或多个谐振频率点进行强吸收，因而难以实现宽频带吸收效果。基于碳膜、电阻膜等图形化结构吸波材料虽然能实现宽频带吸收，但是其碳膜和电阻膜对应的电阻值难以精确控制，其制作工艺复杂，成本高。基于电阻加载的频率选择表面结构吸波材料具有制作方便及成本低的优点，具有较好的应用前景，但无法实现吸波性能的动态调节。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料，旨在解决现有的结构吸波材料不能实现吸波性能的动态调节的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过连接线连接；每一个吸波结构单元包括：底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形貌为偶极子图案，所述PIN二极管焊接于所述偶极子图案正中间。

更进一步地，所述偶极子图案为蝴蝶结形状。

更进一步地，所述蝴蝶结形状图案以PIN二极管为中心分成两部分，一部分为等腰梯形和第一矩形连接组成，另一部分为半圆形和第二矩形连接组成；所述等腰梯形的下底边与所述第一矩形的长边连接，所述半圆形的直径边与所述第二矩形的长边连接，所述PIN二极管与所述等腰梯形的上底边中间和所述半圆形的弧中间连接。

更进一步地，连接线用于连接相邻的两个吸波结构单元，连接线位置为从一个吸波结构单元中第一矩形的中间引出并连接到另一个吸波结构单元中第二矩形的中间。

更进一步地，所述底层为金属基板，所述中间层为介质隔离板。

更进一步地，贴片型频率选择表面包括衬底和附着于所述衬底上的金属涂覆层，所述衬底采用有机高聚物或无机陶瓷基底。

更进一步地，在衬底上涂覆的金属为铜。

更进一步地，所述PIN二极管为贴片型PIN二极管。

本发明采用PIN二极管加载的有源频率选择表面设计来制作吸波性能可调的结构吸波材料，可动态调节工作状态的PIN二极管，可主动调节结构吸波材料的吸波性能；同时该结构吸波材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料中一个吸波结构单元的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料中有源频率选择表面的单元排列方式的示意图；

图3是是本发明实施例提供的基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料的反射率测试效果曲线图。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明属于含有源频率选择表面的结构吸波材料，采用PIN二极管加载的有源频率选择表面设计来制作吸波性能可调的结构吸波材料，可动态调节工作状态的PIN二极管，可主动调节结构吸波材料的吸波性能；同时该结构吸波材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽的特点。

本发明实施例提供的基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过连接线连接；如图1所示，每一个吸波结构单元包括：底层3、附着于底层3上的中间层2以及附着于中间层2上的表面层1，表面层1由贴片型频率选择表面和PIN二极管5组成，其中贴片型频率选择表面的形貌为偶极子图案4，PIN二极管5焊接于偶极子图案4的正中间。

其中，PIN二极管在交流信号源正向偏置激励下，存在一线性工作区间，在该区间PIN二极管可以等效为可变电阻。根据这一特征，将PIN二极管焊接在频率选择表面单元图形中间，将频率选择表面单元用连接线连接成阵列，通过调节PIN二极管阵列外加激励信号源直流偏置电压的大小，即可实现PIN二极管工作状态的调节，进而实现整个结构吸波材料工作状态的调节。对于厚度薄、吸收频带宽的要求主要是通过设计合理的频率选择表面单元形状来实现。质量轻主要是通过选择密度小质量轻的隔离层材料来实现。

在本发明实施例中，偶极子图案4可以为蝴蝶结形状；蝴蝶结形状图案以PIN二极管为中心分成两部分，一部分为等腰梯形和第一矩形连接组成，另一部分为半圆形和第二矩形连接组成；所述等腰梯形的下底边与所述第一矩形的长边连接，所述半圆形的直径边与所述第二矩形的长边连接，所述PIN二极管与所述等腰梯形的上底边中间和所述半圆形的弧中间连接。

如图2所示，6为有源频率选择表面单元间的连接线，7为有源频率选择表面单元中间焊接的PIN二极管，8为有源频率选择表面PIN二极管阵列的偏置线。这些单元图形按矩形阵列排列，单元图形中间留出一定孔隙，用于焊接PIN二极管，连接线用于连接相邻的两个单元图形，连接线位置为从一个单元图形所述第一矩形长边的中间引出连接到另一个单元图形所述第二矩形长边的中间。选取适当数量的吸波结构单元组合成阵列便构成结构吸波材料，给结构吸波材料中PIN二极管阵列引出激励线路，这样就完成了整个有源频率选择表面的制备。将有源频率选择表面放置在选好的一定厚度的介质隔离板上，再在介质隔离板下面放置金属基板。结构吸波材料层间保持平整致密结合，可采用固体胶粘合。

在本发明实施例中，可调结构吸波材料中的有源频率选择表面为贴片型频率选择表面，PIN二极管为贴片型PIN二极管。该贴片型频率选择表面包括衬底和附着于衬底上的金属涂覆层，衬底可以采用有机高聚物或无机陶瓷基底；包含传统FR4基底、超薄柔性基底及无机陶瓷基底。在在衬底上涂覆有金属；该涂覆金属通常为铜，也可是铝、银、金、锌等金属或合金。

作为本发明的一个实施例，贴片型频率选择表面单元图形中间用于焊接PIN二极管的空隙间距取决于所用贴片PIN二极管的尺寸。

在本发明实施例中，底层可以为金属基板，中间层可以为介质隔离板；其中介质隔离板为低损耗介质材料，如泡沫塑料、蜂窝芯、FR4等。金属基板为平整金属板，通常采用铝板。

本发明提供的结构吸波材料中中间层可以为介质隔离板2，底层可以为金属基板3；有源频率选择表面是在贴片型频率选择表面4单元图形中间焊接PIN二极管5制成的。介质隔离板采用低损耗的有机材料。金属基板采用平整的金属板。每两个贴片型频率选择表面单元采用连接线串联起来形成PIN二极管阵列，对PIN二极管阵列施加带直流偏置电压的交流激励信号，通过调节激励信号直流偏置电压的大小，可以动态调节结构吸波材料的吸波性能。这一结构吸波材料具有可调的宽频吸波性能，可用于电磁隐身设计、电磁兼容、电磁屏蔽、电磁防护等众多领域，尤其在电磁隐身设计与信息安全领域有重要的应用价值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明与现有吸波材料相比最大的进步是实现了吸波性能的动态调节。同时本结构吸波材料还具备薄质宽频的优良性能。

为了更进一步地说明本发明实施例提供的基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料，现以具体实例并结合附图详述如下：

有源频率选择表面样板是通过印制电路板工艺在单面FR4覆铜板上腐蚀而成，该频率选择表面单元排成7列，每列含7个单元，每个单元焊接有一只贴片PIN二极管，所有PIN二极管正负极取向一致，在样板的顶端和底部分别通过金属线引出一条偏置控制线路，该偏置线路用于对PIN二极管施加激励信号。该覆铜板FR4衬底厚度为0.7mm，介电常数ε=4.4，损耗角tanδ=0.02。该有源频率选择表面样板的面积为300×300mm²。该有源频率选择表面金属面向下放置在泡沫塑料隔离板上，隔离板厚度为4.3mm，其介电常数ε=1.37，损耗角tanδ=0.02。第三层的金属基板为平整铝板，用于反射率测试，铝板厚度为5mm。结构吸波材料层间采用固体胶粘合，形成平整方块测试样品。将激励信号源接到制作的结构吸波材料偏置线上，即构成了完整的可调结构吸波材料。该吸波结构样品在矢量网络分析仪搭建的微波暗室进行测试，样品的激励信号采用10MHz正弦波，直流偏置电压范围为0-10V，典型直流偏置电压下的反射率曲线如图3所示。

由图3可知，在不同的直流偏置电压下，吸波结构的反射率在2-18GHz有明显变化，且在直流偏置电压为5V时，具有较好的吸波性能，-8dB吸收带宽覆盖5-15GHz。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于PIN二极管有源频率选择表面可调的结构吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过连接线连接；其特征在于，每一个吸波结构单元包括：底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形貌为偶极子图案，所述PIN二极管焊接于所述偶极子图案正中间。

2.如权利要求1所述的结构吸波材料，其特征在于，所述偶极子图案为蝴蝶结形状。

3.如权利要求2所述的结构吸波材料，其特征在于，所述蝴蝶结形状图案以PIN二极管为中心分成两部分，一部分为等腰梯形和第一矩形连接组成，另一部分为半圆形和第二矩形连接组成；所述等腰梯形的下底边与所述第一矩形的长边连接，所述半圆形的直径边与所述第二矩形的长边连接，所述PIN二极管与所述等腰梯形的上底边中间和所述半圆形的弧中间连接。

4.如权利要求3所述的结构吸波材料，其特征在于，连接线用于连接相邻的两个吸波结构单元，连接线位置为从一个吸波结构单元中第一矩形的中间引出并连接到另一个吸波结构单元中第二矩形的中间。

5.如权利要求1所述的结构吸波材料，其特征在于，所述底层为金属基板，所述中间层为介质隔离板。

6.如权利要求1所述的结构吸波材料，其特征在于，贴片型频率选择表面包括衬底和附着于所述衬底上的金属涂覆层，所述衬底采用有机高聚物或无机陶瓷基底。

7.如权利要求1所述的结构吸波材料，其特征在于，在衬底上涂覆的金属为铜。

8.如权利要求1所述的结构吸波材料，其特征在于，所述PIN二极管为贴片型PIN二极管。