CN106972279A - 频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法，采用人工磁导体结构作为基本结构，采用直流偏置电压源控制加载于人工磁导体结构上的有源开关器件的开关状态，从而控制人工磁导体结构在工作频率点的相位状态，使得入射电磁波在同一工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使得反射电磁波的频谱发生搬移，从而使得探测目标在工作频率处实现隐身。本发明中采用的频率可调人工磁导体结构，由人工磁导体单元和偏置网络构成，结构简单，加工容易，并且克服了传统相位调制屏存在的实现方式单一、双极化方案困难等问题，具有良好的工程应用价值。

Description

频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法
技术领域
本发明涉及一种实现电磁波隐身的相位调制屏的方法，属于微波电路技术领域。
背景技术
雷达作为探测目标的有效手段之一，无论对飞行器还是地面装备的探测都非常可靠。但是，通过采用雷达隐身技术，譬如通过改进目标的外形或加载超材料结构等来实现对入射电磁波的漫散射，或者通过涂覆隐身材料、加载损耗型电路模拟吸收结构将入射电磁波转化为热量等手段，使雷达发射的电磁波可以被覆盖层散射或吸收，并使RCS(RadarCross Section，雷达散射面积)进一步减小，从而大大降低目标可被探测的距离。在战场中，使用雷达隐身材料可以增强其在战场的突防和生存能力。
20世纪90年代后期，英国谢菲尔德大学的Chambers教授和Tenant教授将相位调制的概念引入到微波吸收体的设计当中。与前述的两种隐身机理不同，基于相位调制技术的微波吸收体是将入射电磁波的能量在频域上搬移得足够远，使得只有非常小的一部分能量落在接收机的通带之内，从而表现出非常低的反射率。传统的相位调制屏是由金属板，四分之一波长的介质隔层和周期贴片阵列构成，形式单一，并且厚度较厚。当入射电磁波的频率较低时，相位调制屏的厚度将非常厚，这显然无法满足现代雷达隐身材料对材料“薄”的这一要求。此外，已有的相位调制屏还存在结构单一和只能实现单极化“吸收”电磁波的问题。
由上可知，现有技术的性能无法满足实际需要，且比较难于实现低剖面及多极化的相位调制屏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中的缺陷，提出一种基于人工磁导体结构的用于实现雷达隐身的相位调制屏，实现反射波的相位在0°和180°之间进行切换，对双极化形式的入射电磁波实现“隐身”。本发明能够替代传统的相位调制屏中通过改变电磁波的实际传输路径长度的方式，并有效降低相位调制屏的厚度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明首先提出一种用于实现相位调制屏的人工磁导体结构，包括上层介质基板、下层介质基板，所述上层介质基板的上表面以二维周期排布的形式印制有若干个中心对称的金属贴片，且每个金属贴片与其对角线相邻的金属贴片之间存在距离相等的空隙，在该空隙处均设置有中心对称的偏置贴片，每个金属贴片通过四个PIN二极管分别与其四周的四个偏置贴片相连接；
以每个金属贴片为单位，以该金属贴片四周的四个偏置贴片的中心点连线形成的矩形区域作为一个人工磁导体单元，在每个人工磁导体单元在上层介质基板所处位置的下表面，设置有与该人工磁导体单元外围周长相等的偏置方环，所述偏置贴片通过位于其中心位置的金属化通孔和与其在上层介质基板下表面的投影位置所接触到的四个偏置方环相连接；
所述下层介质基板的下表面印制有金属地面，所述金属贴片通过位于其中心位置的金属化通孔与金属地面相连接。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，所述的上层介质基板和下层介质基板的介电常数相同，介电常数εr为2.2～10.2。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，上层介质基板的厚度为0.5mm，下层介质基板的厚度为0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0为自由空间的波长。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，所述金属贴片为圆形或偶数边的多边形实心贴片，其周长为λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0为自由空间的波长。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，位于金属贴片中心位置的金属化通孔贯穿上层介质基板和下层介质基板，其直径为上层介质基板和下层介质基板总厚度的三分之一。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，所述偏置贴片在人工磁导体单元对角线上的投影长度，与金属贴片在人工磁导体单元对角线上的投影长度、以及两个PIN二极管的长度之和等于人工磁导体单元的对角线长度。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，位于偏置贴片中心位置的金属化通孔的半径是位于金属贴片中心位置的金属化通孔的半径的一半。
作为本发明提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，偏置方环的宽度为偏置贴片在人工磁导体单元对角线的投影长度的四分之一。
本发明还提出一种基于人工磁导体结构实现相位调制屏的方法，将前述人工磁导体单元中的PIN二极管分别与直流偏置电压源相连接，通过改变直流偏置电压源的值来控制PIN二极管的开关状态，从而使得入射到人工磁导体结构的电磁波在工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；即：当PIN二极管呈开的状态时，反射电磁波的相位改变180°，当PIN二极管呈关的状态时，反射电磁波的相位改变0°；
通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使反射电磁波的相位在0°到180°之间周期性的切换，造成反射电磁波的频谱发生搬移，从而实现探测目标在工作频率处的隐身。
同时，不依赖于本发明所提出人工磁导体结构，本发明还提供一种基于人工磁导体结构实现相位调制屏的方法，采用直流偏置电压源控制加载于人工磁导体结构上的有源开关器件的开关状态，从而控制人工磁导体结构在工作频率点的相位状态，使得入射电磁波在同一工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使得反射电磁波的频谱发生搬移，从而使得探测目标在工作频率处实现隐身。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1)采用上述方案中的频率可调人工磁导体，并通过PIN二极管的偏置网络，来改变人工磁导体在工作频率处的相位状态在“0°”和“180°”之间切换，从而实现相位调制技术。
2)采用的两层介质基板的总厚度约为工作波长的十分之一，与传统的相位调制屏相比，其厚度降低了60％。
3)采用的人工磁导体结构为中心对称形式，因此可以实现对双极化入射电磁波的有效隐身。
附图说明
图1是本发明采用频率可调人工磁导体结构实现的相位调制屏的工作原理示意图。
图2是本发明的频率可调人工磁导体单元的顶层示意图。
图3是本发明的频率可调人工磁导体单元的中间层示意图。
图4是本发明的频率可调人工磁导体单元的底层示意图。
图5是本发明的频率可调人工磁导体单元的侧视图。
图6是本发明的相位调制屏的三维示意图。
图7是本发明的包含若干个可调人工磁导体单元构成的相位调制屏的顶视图。
图8是本发明相位调制屏在PIN二极管为“开”和“关”两种状态时，入射电磁波分别为TE模式和TM模式下，反射系数的相位曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本发明所提出的一种基于人工磁导体的相位调制屏，是由人工磁导体结构20和直流偏置电压源21构成。如图7所示，其中人工磁导体结构由若干个中心对称的人工磁导体单元19进行二维周期排布组成。如图6所示，每个人工磁导体单元19由人工磁导体、上层介质基板16和下层介质基板17、金属地面18、PIN二极管组和PIN二极管组的电压偏置网络构成。通过改变电压源21的值可以控制人工磁导体单元的PIN二极管组的“开”和“关”两种状态，从而使得入射电磁波在工作频率处分别呈“反相反射”和“同相反射”两种状态。周期性地改变直流偏置电压源21的值，就可以使得反射波的频谱发生搬移，从而使得探测目标在工作频率处实现隐身。
本发明提出的一种基于频率可调的人工磁导体结构的相位调制屏，对于其具体结构结合附图详细介绍如下：
参考图6所示，人工磁导体单元19中的人工磁导体是中心对称的金属贴片1，并印制在上层介质基板16上，下层介质基板17的底面设置金属地面18。如图5所示，上述中心对称的金属贴片1通过第一金属化通孔2与下层介质基板17的金属地面18相连；如图2结合图4所示，上述第一金属化通孔2位于中心对称的金属贴片1的中心。
参考图2所示，上述PIN二极管组由第一PIN二极管11、第二PIN二极管12、第三PIN二极管13和第四PIN二极管14组成，分别焊接在第一偏置贴片3、第二偏置贴片4、第三偏置贴片5、第四偏置贴片6与上述中心对称的金属贴片1之间，并且都位于上层介质基板16的上面。
上述PIN二极管的偏置网络由上层第一偏置贴片3、第二偏置贴片4、第三偏置贴片5、第四偏置贴片6、第二金属化通孔7、第三金属化通孔8、第四金属化通孔9、第五金属化通孔10和下层第一偏置方环15构成。其中，第一偏置贴片3、第二偏置贴片4、第三偏置贴片5和第四偏置贴片6印制在上层介质基板16上，并分别通过第二金属化通孔7、第三金属化通孔8、第四金属化通孔9和第五金属化通孔10与第一偏置方环15相连，如图3所示；上述第一偏置方环15印制在上层介质基板16的底面。
所述的上层介质基板16和下层介质基板17的介电常数相同，介电常数εr为2.2～10.2，上层介质基板16的厚度为0.5mm，下层介质基板17的厚度为0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0为自由空间的波长。
所述的中心对称的金属贴片1可采用圆形、多边形(偶数边)等实心贴片，周长为λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0为自由空间的波长。
所述的第一金属化通孔2贯穿上层介质基板16和下层介质基板17，其直径为上层介质基板16和下层介质基板17总厚度的三分之一。
所述的第一偏置贴片3、第二偏置贴片4、第三偏置贴片5和第四偏置贴片6为四个相同的贴片，但是摆放的方向不同，每一个偏置贴片都能与其相邻的三个周期单元中的偏置贴片构成一个完整的中心对称的偏置贴片22，该偏置贴片22位于金属贴片单元与相邻三个相同单元形成的空隙的中心位置处，如图7所示；中心对称的偏置贴片22在频率可调人工磁导体单元19对角线的延长线上的投影长度，与中心对称的金属贴片1在频率可调人工磁导体单元19对角线上的投影长度、以及两个PIN二极管的长度之和，等于频率可调人工磁导体单元19的对角线长度。
所述的第二金属化通孔7、第三金属化通孔8、第四金属化通孔9和第五金属化通孔10只存在于上层介质基板16中，它们具有相同的截面形状—四分之一圆，但是摆放的方向不同，同样的，每一个金属化通孔都能与其相邻的三个周期单元中的金属化通孔构成一个完整的圆柱，每一个圆柱都相应位于四个相邻偏置贴片所构成的中心对称的偏置贴片22的中心位置；它们的半径均为第一金属化通孔2的半径的一半。
所述的第一偏置方环15位于上层介质基板16的底面，其外围周长与频率可调人工磁导体单元19的周长相等，其宽度约为中心对称的偏置贴片22在频率可调人工磁导体单元19对角线的延长线上的投影长度的四分之一。
所述的频率可调人工磁导体单元19以方型晶格的形式进行周期排列。
所述的第一PIN二极管11、第二PIN二极管12、第三PIN二极管13和第四PIN二极管14的型号并不唯一，但是必须选用能够工作在射频频段以上的PIN二极管。
下面以圆形贴片为例，对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
以10*10单元为例，基于频率可调人工磁导体单元19的人工磁导体结构20的界面尺寸为250mm*250mm，总厚度为3.5mm(上层介质基板16和下层介质基板17均选用FR4，介电常数为4.4，厚度分别为0.5mm和3mm,金属地面18采用下层介质基板的覆铜)。
中心对称的金属贴片1采用圆形贴片形状，其半径为11.5mm,第一金属化通孔2的半径为1mm；第一偏置贴片3、第二偏置贴片4、第三偏置贴片5和第四偏置贴片6均采用四分之一圆的形状，半径为5.3mm；第二金属化通孔7、第三金属化通孔8、第四金属化通孔9和第五金属化通孔10的半径均为0.5mm；第一偏置方环15的宽度为2.3mm；PIN二极管的型号为Skyworks公司的SMT1352-SC-79。
参考图8所示，经数值计算，当PIN二极管的反向偏置电压大于10V时，其处于“关”的状态，此时人工磁导体的同相反射频率处于f0＝3.2GHz；当PIN二极管的正向偏置电压大于0.5V时，其处于“开”的状态，此时人工磁导体的同相反射频率处于f1＝3.8GHz，但是观察到，f0＝3.2GHz处的反射相位约等于180°；即在f0＝3.2GHz处，通过控制PIN二极管的工作状态，人工磁导体结构的反射相位在0°和180°之间切换，满足实现相位调制技术的条件；并且由于采用了中心对称的结构，无论入射电磁波是TE模式还是TM模式，均能实现上述功能；此外，由于整体的厚度不到十分之一波长，较传统的四分之一波长降低了很多，因此采用该技术方案十分有效。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于实现相位调制屏的人工磁导体结构，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板，所述上层介质基板的上表面以二维周期排布的形式印制有若干个中心对称的金属贴片，且每个金属贴片与其对角线相邻的金属贴片之间存在距离相等的空隙，在该空隙处均设置有中心对称的偏置贴片，每个金属贴片通过四个PIN二极管分别与其四周的四个偏置贴片相连接；
以每个金属贴片为单位，以该金属贴片四周的四个偏置贴片的中心点连线形成的矩形区域作为一个人工磁导体单元，在每个人工磁导体单元在上层介质基板所处位置的下表面，设置有与该人工磁导体单元外围周长相等的偏置方环，所述偏置贴片通过位于其中心位置的金属化通孔和与其在上层介质基板下表面的投影位置所接触到的四个偏置方环相连接；
所述下层介质基板的下表面印制有金属地面，所述金属贴片通过位于其中心位置的金属化通孔与金属地面相连接。
2.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：所述的上层介质基板和下层介质基板的介电常数相同，介电常数εr为2.2～10.2。
3.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：上层介质基板的厚度为0.5mm，下层介质基板的厚度为0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0为自由空间的波长。
4.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：所述金属贴片为圆形或偶数边的多边形实心贴片，其周长为λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0为自由空间的波长。
5.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：位于金属贴片中心位置的金属化通孔贯穿上层介质基板和下层介质基板，其直径为上层介质基板和下层介质基板总厚度的三分之一。
6.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：所述偏置贴片在人工磁导体单元对角线上的投影长度，与金属贴片在人工磁导体单元对角线上的投影长度、以及两个PIN二极管的长度之和等于人工磁导体单元的对角线长度。
7.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：位于偏置贴片中心位置的金属化通孔的半径是位于金属贴片中心位置的金属化通孔的半径的一半。
8.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：偏置方环的宽度为偏置贴片在人工磁导体单元对角线的投影长度的四分之一。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述的人工磁导体结构实现相位调制屏的方法，其特征在于：将权利要求1-8任意一项所述的人工磁导体单元中的PIN二极管分别与直流偏置电压源相连接，通过改变直流偏置电压源的值来控制PIN二极管的开关状态，从而使得入射到人工磁导体结构的电磁波在工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；即：当PIN二极管呈开的状态时，反射电磁波的相位改变180°，当PIN二极管呈关的状态时，反射电磁波的相位改变0°；
通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使反射电磁波的相位在0°到180°之间周期性的切换，造成反射电磁波的频谱发生搬移，从而实现探测目标在工作频率处的隐身。
10.一种基于人工磁导体结构实现相位调制屏的方法，其特征在于，采用直流偏置电压源控制加载于人工磁导体结构上的有源开关器件的开关状态，从而控制人工磁导体结构在工作频率点的相位状态，使得入射电磁波在同一工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使得反射电磁波的频谱发生搬移，从而使得探测目标在工作频率处实现隐身。
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Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

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Denomination of invention: Structure of frequency adjustable artificial magnetic conductor and method of realizing phase modulation screen

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