CN103153035A

CN103153035A - 频率可调的微波吸收器

Info

Publication number: CN103153035A
Application number: CN 201310121183
Authority: CN
Inventors: 程强; 赵捷; 陈洁; 潘柏操; 周永春; 崔铁军
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103153035B

Abstract

一种频率可调的微波吸波器，其由亚波长尺度上的多个吸波单元沿正交方向规则排列构成，包括在介质基板上表面加工电容电感耦合单元，用变容二极管焊接所述相邻电容电感耦合单元，每个变容二极管的正负极分别通过一个金属化通孔连接介质基板背面的直流馈电线，所有馈电线组合成馈电网络，所述介质基板下表面的馈电网络分为正、负两部分，分别连接所有变容二极管的负极和正极，对介质基板上表面的所有变容二极管施加反向偏置，在不超过变容二极管击穿电压值的范围内调节直流电压源电压，以改变变容二极管的等效参数。本发明具有可调特性，在较宽带宽内的吸收频点连续可调，且调节方式十分方便，在隐身，辐射计等领域有广阔的应有前景。

Description

频率可调的微波吸收器

技术领域

本发明涉及一种用于微波频段的电磁波吸收器，属于雷达和新型人工电磁材料领域。

背景技术

本发明中的新型人工电磁材料（Metamaterials）是电磁学中新兴的研究领域，其基础是等效媒质理论，由一系列人工设计的单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过精心设计单元结构和尺寸大小，可以得到所需要的等效介电常数和磁导率。经过十多年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。基于新型人工电磁材料的微波吸收器是利用新型人工电磁单元的谐振特性，通过调节亚波长单元的尺寸结构实现对电磁波的阻抗匹配，实现对入射电磁波的完美吸收（可参考：李惠，《基于新型人工电磁材料的隐身器件的研究》，东南大学硕士论文，2012）。但是，这种电磁吸收器灵活性较差，器件加工完成后吸收频率将不能改变。微波段有源器件，如变容二极管，可以通过外加反向偏置电压改变其等效电容，可以与微波吸收器结合，实现吸收频率在很宽的带宽内连续可调。所以本发明具有很高的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于新型人工电磁材料的频率可调的微波吸收器。这种电磁波吸收器可以在较宽频带内连续调控吸收频率，且对入射电磁波极化方向不敏感，对大角度入射的电磁波也有良好的吸收效果。频率可调的微波吸收器由有源新型人工电磁材料单元组成，具有易于加工、使用简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，易于和被隐身的物体共形，因此具有很高的实用价值。

本发明为解决实现上述目的，本发明在无源单元，即电场耦合电容电感谐振单元基础上加入有源器件（变容二极管）。通过改变变容二极管反向偏置，可以在一定频段内连续改变吸波单元工作频率。将吸波单元沿正交方向排列，可以实现微波吸收器偏振无关特性。该吸收器制作简单，加工方便，重量轻，易于共形，且适用于大角度入射，与以往无源微波吸收器相比，具有很高工程应用价值。采取的技术方案为：

一种频率可调的微波吸波器，其由亚波长尺度上的多个吸波单元沿正交方向规则排列构成，所述单个吸波单元包括在介质基板上表面加工两个电容电感耦合单元，用一个变容二极管焊接所述两个电容电感耦合单元，所述介质基板下表面加工两个金属条带以作为直流馈电线，在所述介质基板内部打两个金属化通孔，连接直流馈电线与变容二极管的正负极，在介质基板下表面覆盖超薄绝缘层，绝缘层下表面覆盖金属平板，金属平板用于防止电磁波透射，绝缘层用于防止两条馈电线与金属平板直接相连而引起短路，其特征在于每个变容二极管的正负极分别通过一个金属化通孔连接介质基板背面的直流馈电线，所有馈电线组合成馈电网络，所述介质基板下表面的馈电网络分为正、负两部分，分别连接所有变容二极管的负极和正极，对介质基板上表面的所有变容二极管施加反向偏置，在不超过变容二极管击穿电压值的范围内调节直流电压源电压，以改变变容二极管的等效参数，从而改变吸波器工作频率。

优选的，所述金属化通孔连接谐振单元和馈电线，形成一个位移电流回路，对于穿过这个回路的磁场，将产生额外的磁谐振。

优选的，在所述变容二极管两端施加不同的反向电压偏置可以改变变容二极管的等效电容。

优选的，吸波单元吸收频率可相应的从4.45GHz连续变化到5.64GHz。

与现有技术相比，本发明的优势：

1. 本发明制作简单，加工方便。利用现有的PCB加工技术加上目前市场上可以购买的贴片式微波段变容二极管即可以完成对本产品的加工。传统吸波材料加工需较为复杂的程序，且价格昂贵不环保。

2. 本发明具有可调特性，在较宽带宽内的吸收频点连续可调，且调节方式十分方便（改变反向偏置电压即可）。在隐身，辐射计等领域有广阔的应有前景。

3. 本发明同时具备便携、重量轻、容易集成等优点，且易于共形。

附图说明

图1是吸波单元示意图,（a）正视图，（b）左视图,（c）直流馈电线示意图，（d）单元等效电路图

图2是变容二极管处于不同反向偏置电压下的吸波单元电磁吸收率仿真结果。

图3是反向偏置电压不变情况下，吸波单元分别在（a）垂直极化和（b）水平极化条件下的多角度入射的电磁吸收率仿真结果。

图4是偏振无关、频率可调微波吸波器正视图。

图5是偏振无关、频率可调微波吸波器的馈电网络示意图。

图6为偏振无关、频率可调电磁波吸波器的在不同反向偏置下吸波特性的测试结果。

附图标记：

1-电容电感耦合单元；2-介质基板；3-直流馈电线；4-直流绝缘层；5-金属平板；6-金属化通孔；7-变容二极管。

具体实施方式

本发明所提出的频率可调的微波吸波器由亚波长尺度上的吸波单元沿一定规则排列构成。单个吸波单元采取的技术方案如下：在介质基板2上表面加工两个ELC单元（电容电感耦合单元）1，用一个变容二极管7焊接这两个单元1。介质基板2下表面加工两个金属条带3，作为直流馈电线。在介质基板2内部打两个金属化通孔6，连接直流馈电线3与变容二极管7的正负极，用于对变容二极管7施加反向电压偏置。介质基板2下表面覆盖超薄绝缘层4，绝缘层4下表面覆盖金属平板5，金属平板5用于防止电磁波透射，绝缘层4用于防止两条馈电线3与金属平板5直接相连引起的短路。吸波单元模型如图1所示，图1a为吸波单元正视图，两个ELC单元1为一个变容二极管7所连接；图1b为左视图，介质基板2上下表面(左为下，右为上)分别为被加载了变容二极管7的ELC单元1和馈电线3，两者通过介质基板2内部两个金属化通孔6连接，介质基板2下面为绝缘层4，绝缘层4背面为金属平板5；图1c为馈电线3示意图，两条馈电线3将在实验中分别连接直流电压源的正极和负极。图中符号1-7分别代表：ELC单元、介质基板、馈电线、直流绝缘层、金属平板、金属化通孔和变容二极管。对于偏振方向沿ELC单元1中心条带开口方向的电磁波（参见图1a左下角），ELC单元1中心开口条带等效为电容，左右两边环路等效为电感。吸波单元总的等效电路如图1d所示，两个LC电路串联一个变容二极管7。该等效电路的谐振频率即为对电磁波的吸收频率。在变容二极管7两端施加不同的反向电压偏置可以改变变容二极管7的等效电容，从而改变吸波单元的吸波频率。

图2为偏振沿着ELC单元1开口方向的电磁波对吸波单元正入射的仿真结果。当变容二极管7偏置电压从0V变化到-19V（选取的变容二极管反向击穿电压为-22V）时，吸波单元吸收频率相应的从4.45GHz变化到5.64GHz,可调带宽共计1.19GHz，且吸收率大于99%。图2中4.2GHz频点附近的一系列大小不一的吸收峰是由于磁谐振引起的，原因如下：金属化通孔6连接谐振单元1和馈电线3，形成一个位移电流回路，对于穿过这个回路的磁场，将产生额外的磁谐振。

在此把反向偏置电压固定在-19V，研究吸波单元在电磁波斜入射条件下的工作能力。仿真结果如图3所示：在垂直极化波斜入射条件下(参见图3a左边入射示意图)，在入射角小于40°时，吸波单元吸收频点和吸收率几乎不变，当入射角达到50°时，会产生不到0.3GH的工作频差，且吸收率保持在90%以上；采用水平极化波斜入射条件下(参见图3b左边入射示意图)，在入射角达到50°时，吸波单元吸收频点和吸收率几乎不受影响。

本发明所提出的频率可调的微波吸收器样品正视图如图4所示，样品由上文描述的吸波单元沿正交方向规则排列构成。每个变容二极管7的正负极分别通过一个金属化通孔6连接介质基板2背面的直流馈电线3，所有馈电线3组合成馈电网络。图5介质基板2下表面馈电网络的示意图，馈电网络分为正、负两部分，分别连接所有变容二极管7的负极和正极，在正、负馈电网络上分别焊接一根金属线，连接直流电压源的正极和负极，对介质基板2上表面的所有变容二极管7施加反向偏置。在不超过变容二极管7击穿电压值的范围内调节直流电压源电压，可以改变变容二极管7的等效参数，从而改变吸波器工作频率。采用图4馈电网络的优势可以极大方便的同时对数计百计的变容二极管7进行馈电。此外，由于绝缘层4厚度很薄，馈电网络和金属背板5距离相当近，馈电网络对电磁波的耦合影响可以忽略不计。

虽然吸波单元只对沿其ELC单元1开口方向极化的电磁波起作用，由于在本发明中的吸波器由吸波单元沿正交方向排列构成，当任意极化的电磁波入射到吸波器表面上时，将沿的吸波单元排列方向做正交分解，分别为其对应方向的吸波单元所吸收，所以本发明提出的频率可调的微波吸收器具有偏振无关特性。

在对加工的样品测试中，为了验证其偏振无关特性，我们选取入射电磁波的极化方向沿图4样品的对角线方向，此时入射电磁波会沿着单元排列方向（图4中的竖直和水平方向）分解。测试结果显示，在直流源电压从0 V变化至-19 V时，吸波器样品的工作频点从4.35 GHz变化至5.85 GHz,在1.5 GHz带宽内保持超过92% 的吸收率。样品测量结果与单元仿真结果基本一致。验证了本发明的频率可调特性。

本发明已经结合着仅限定数量的实施例被详细地描述出，可以容易理解的是，本发明并不限制于所公开的实施例中。更加地，本发明可以修改合并任何数量的前述未提及到的变形、改变、替换或等同组件，但这些与本发明的精神和范围是相称的。另外，本发明的各种实施例已经被描述出，可以理解的是，本发明的各个方面可仅包括所描述实施例的一部分。由此，本发明并不由前述描述所限制，但仅由所附加的权利要求的范围限制。

Claims

1.一种频率可调的微波吸波器，其由亚波长尺度上的多个吸波单元沿正交方向规则排列构成，所述吸波单元包括在介质基板（2）上表面加工两个电容电感耦合单元（1），用变容二极管（7）焊接所述两个电容电感耦合单元（1），所述介质基板(2)下表面加工两个金属条带以作为直流馈电线(3)，在所述介质基板(2)内部具有两个金属化通孔(6)，连接直流馈电线(3)与变容二极管(7)的正负极，在介质基板（2）下表面覆盖超薄绝缘层（4），所述绝缘层（4）下表面覆盖金属平板（5），该金属平板（5）用于防止电磁波透射，绝缘层（4）用于防止两条馈电线（3）与金属平板（5）直接相连而引起短路，其特征在于每个变容二极管（7）的正负极分别通过金属化通孔（6）连接介质基板（2）背面的直流馈电线（3），所有直流馈电线（3）组合成馈电网络，所述介质基板（2）下表面的馈电网络分为正、负两部分，分别连接所有变容二极管（7）的负极和正极，可对介质基板（2）上表面的所有变容二极管（7）施加反向偏置，在不超过变容二极管（7）击穿电压值的范围内调节直流电压源电压，以改变变容二极管（7）的等效参数，从而在一定带宽内连续改变吸波器工作频率。

2.如权利要求1所述的频率可调的微波吸波器，其特征在于所述金属化通孔（6）连接谐振单元和馈电线（3），形成一个位移电流回路，对于穿过这个回路的磁场，将产生额外的磁谐振。

3.如权利要求1或2所述的频率可调的微波吸波器，其特征在于吸波单元吸收频率可相应的从4.45GHz变化到5.64GHz。

4.如权利要求1或2或3所述的频率可调的微波吸波器，其特征在于在所述变容二极管（7）两端施加不同的反向电压偏置可以改变变容二极管（7）的等效电容。