CN103840263B - 开关可控的各向异性零折射率器件 - Google Patents

Abstract

一种开关可控的各向异性零折射率器件，由亚波长尺度上的多个加载PIN二极管的开口谐振环单元规则排列构成，所述单个谐振单元包括在介质基板上表面加工的开口谐振环结构，焊接在开口谐振环单元上端开口之间的PIN二极管，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PIN二极管的正负极，每个PIN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，分别连接每排所有PIN二极管的负极和正极，对介质基板上表面的所有PIN二极管施加偏置电压，以改变PIN二极管的工作状态。

Description

开关可控的各向异性零折射率器件

技术领域

本发明涉及一种用于微波频段的开关可控零折射率器件，属于新型人工电磁器件领域。

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各项异性零折射率器件是利用新型人工电磁材料的等效电磁参数（相对磁导率或相对介电常数）随频率的变化由负值连续变化为正值，在负值与正值之间存在某一频段的等效电磁参数为零或近似为零的特点，实现新型人工电磁材料在该频段内折射率为零的特性，可用于提高天线辐射方向性。但是，这种零折射率器件灵活性较差，器件加工完成后其工作状态将不能改变。微波段有源器件，如PIN二极管，可以通过外加偏置电压改变其工作状态，可以与各向异性零折射率器件结合，实现零折射率器件工作状态的改变，在雷达罩及智能器件方面具有广阔的应用前景，所以本发明具有很高的工程应用价值。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于新型人工电磁材料的开关可控的各向异性零折射率器件。这种新型人工电磁器件可以在一定频带内对零折射率器件进行开关控制，具体表现为该器件在各向异性零折射率器件和自由空间两种物质状态间自由切换。开关可控的的微波零折射率器件由有源新型人工电磁器件单元组成，具有易于加工、使用简单、成本低、重量轻，灵活性高等特点，可用于雷达罩，智能器件等方面,具有很高的实用价值。

技术方案：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（PIN二极管）。通过改变PIN二极管的偏置电压，可以内改变零折射率器件谐振单元的工作频率,继而实现零折射率器件的开关调控。采取的技术方案为：

本发明是一种开关可控的各向异性零折射率器件，该开关可控各向异性零折射率器件由亚波长尺度上的多个谐振单元两两镜像对称规则排列构成，所述谐振单元包括在介质基板上表面设有开口谐振环结构，用PIN二极管焊接所述开口谐振环上部开口两端，所述介质基板下表面设有两个金属条带以作为直流馈电线，在所述介质基板内部具有两个金属化通孔，连接直流馈电线与PIN二极管的正负极；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PIN二极管的负极和正极，对介质基板上表面的所有PIN二极管施加0V和0.9V偏置电压，以改变PIN二极管的截止和导通，从而改变谐振单元的谐振频率，当PIN二极管处于截止状态时，器件表现为各向异性零折射率器件，当PIN二极管处于导通状态时，器件近似表现为自由空间，达到零折射率器件的开关可控效果。

所述的开关可控各向异性零折射率器件近似阻抗匹配。

有益效果：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PIN二极管即可以完成对本产品的加工。

2.本发明具有开关可控特性，在给定频带内可以调节谐振单元的工作频率，且调节方式十分方便（改变偏置电压即可）。

3.本发明同时具备便携、重量轻、灵活度高等优点。

附图说明

图1是开关可控零折射率器件结构单元正视图，

图2是开关可控零折射率器件结构单元背视图，

图3是构成开关可控零折射率器件样品的其中一个板层正视图，

图4是构成开关可控零折射率器件样品的其中一个板层背视图，

图5是所设计器件加载PIN二极管及未加载PIN二极管的透射系数

图6是当PIN二极管分别工作于截止及导通状态时所提取出器件的相对电磁参数及相对波阻抗，图（a）,图(c)PIN二极管工作于截止状态所提取的相对磁导率，相对介电常数及相对波阻抗示意图；图（b）、图（d）是PIN二极管工作于导通状态所提取的相对磁导率，相对介电常数及相对波阻抗示意图。

图7是TE极化柱面波通过开关可控零折射率器件后的电场强度分布仿真效果图。图（a)PIN二极管处于截止状态的仿真效果图；图（b）PIN二极管处于导通状态的仿真效果图。

图8是TE极化柱面波通过开关可控零折射率器件后的电场强度分布实验结果图。图（a）PIN二极管处于截止状态的实验结果图；图（b）PIN二极管处于导通状态的实验结果图。

附图标记：

1-介质基板；2-开口谐振环；3-金属化通孔；4-PIN二极管；5-馈电网络；

具体实施方式

本发明所提出的开关可控的零折射率器件由亚波长尺度上的谐振单元沿一定规则排列构成。单个谐振单元采取的技术方案如下：在介质基板1上表面加工上端开口的开口谐振环单元结构2，用一个PIN二极管4焊开口谐振环单元2的上端开口。介质基板1下表面加工两个金属条带5，作为直流馈电线。在介质基板1内部打两个金属化通孔3，连接直流馈电线5与PIN二极管4的正负极，用于对PIN二极管4施加电压偏置。谐振单元模型如图1所示，图1为谐振单元正视图，开口谐振环单元2上端开口为一个PIN二极管4所连接；图2为背视图，上部分两金属条带直流馈电线5，两条馈电线5将在实验中分别连接直流电压源的正极和负极。图中符号1-5分别代表：介质基板、开口谐振环单元、金属化通孔、PIN二极管、馈电线。

本发明所提出的开关可控各向异性零折射率器件，样品板层如图2所示，样品由上文描述的谐振单元两两镜像对称规则排列构成。每个PIN二极管4的正负极分别通过一个金属化通孔3连接介质基板1背面的直流馈电线5，所有馈电线5组合成馈电网络。图3为板层的正视图，其由7*2个结构单元组成。图4为介质基板1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PIN二极管4的负极和正极，在正、负馈电网络上分别焊接金属线，连接直流电压源的正极和负极，对介质基板1上表面的所有PIN二极管4施加反向偏置。在不超过PIN二极管4击穿电压值的范围内调节直流电压源电压，可以改变PIN二极管4的等效参数，从而改变谐振单元工作频率。采用图2馈电网络的优势可以极大方便的同时对大量变容二极管4进行馈电，此外所设计的馈电网络可以有效减少样品的损耗。整个开关可控零折射率器件样品由6片同样的板层前后排列构成，前后板层间距3.6mm。

在设计样品时，需要对样品的结构参数，有源器件进行准确的电磁模拟仿真。图5为SRR（虚线）与加载处于导通状态的PIN二极管4的SRR（实线）的透射系数对比，由图可见加载PIN二极管4的SRR环与未加载的SRR环相比，结构的谐振频率明显降低，这是由所加载的有源器件的不可忽略的寄生参数引起的，因此在设计结构单元时，元件的寄生参数是必须要考虑的。我们对PIN二极管4的参数进行了准确的等效处理，将其在截止状态和工作状态的特性等效为电阻，电感，电容的并联或串联的集总电路等效模型。随着对PIN二极管4施加的偏置电压不同，其工作状态不同，所等效的电路模型不同，因此所设计的谐振单元结构的谐振频率也会因此不同，以达到所设计器件的开关可控效果。

通过准确的电磁模拟仿真，可以得到所设计新型人工电磁器件的等效电磁参数。图6为在PIN二极管4分别处于导通和截止状态下所提取出的各个方向的相对电磁参数。由图可见当PIN二极管4处于截止状态时，器件在y方向的相对磁导率为零，器件表现为各向异性零折射率器件的性质；当PIN二极管4处于导通状态时器件在y方向的相对磁导率接近一，器件近似表现为自由空间的性质。当在器件内部放置TE极化的柱面波源时，依据PIN二极管4的工作状态，波源通过开关可控零折射率器件可在器件内部分别辐射柱面波及y方向的平面波。同时，当PIN二极管4处于截止或导通状态时，器件相对阻抗近似为0.7，这就意味着其反射系数为0.17，近似阻抗匹配。

图7a,图7b为TE极化电磁波源放置在可控零折射率器件中心通过可控零折射率器件调节其辐射方向的仿真结果。如图所示，将图6提取所得相对电磁参数代入，可知当y方向相对磁导率近似为零时，开关可控零折射率器件外部辐射平面波，当y方向相对磁导率近似为一时，器件外部继续辐射柱面波。图8a,图8b为其实验结果。将一同轴线放入器件内部充当TE极化柱面波辐射源。当PIN二极管偏置电压为零时，其工作于截止状态。当加载0.9V电压时，其工作于导通状态。由测量结果可知，样品工作频率处于9.74GHz,与设计工作频率10GHz存在0.26GHz的频率偏移，这是由于二极管的仿真误差，PCB板样品测量结果与仿真结果基本一致。验证了本发明的开关可控特性。

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 (2)

1.一种开关可控的各向异性零折射率器件，其特征在于该开关可控各向异性零折射率器件由亚波长尺度上的多个谐振单元两两镜像对称规则排列构成，所述谐振单元包括在介质基板(1)上表面设有开口谐振环结构(2)，用PIN二极管(4)焊接所述开口谐振环上部开口两端，所述介质基板(1)下表面设有两个金属条带以作为直流馈电线(5)，在所述介质基板(1)内部具有两个金属化通孔(3)，连接直流馈电线(5)与PIN二极管(4)的正负极；所述介质基板(1)下表面的馈电网络分为正、负两部分，分别连接所有PIN二极管(4)的负极和正极，对介质基板(1)上表面的所有PIN二极管(4)施加0V和0.9V偏置电压，以改变PIN二极管(4)的截止和导通，从而改变谐振单元的谐振频率，当PIN二极管(4)处于截止状态时，器件表现为各向异性零折射率器件，当PIN二极管(4)处于导通状态时，器件表现为自由空间，达到零折射率器件的开关可控效果。

2.如权利要求1所述的开关可控的各向异性零折射率器件，其特征在于所述的开关可控各向异性零折射率器件阻抗匹配。