CN107946775B - 一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其周期性结构单元是采用蜂窝型特有的六边形结构，包括底层金属反射板以及金属板上方的介质基板和固态等离子体谐振单元，固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励PIN单元阵列，以便得到固态等离子体。该等离子体超材料窄带吸波器对于TE极化波有很好的吸收效果，而且对于电磁波大角度入射有着良好的吸收效果，并通过编程方式控制固态等离子体构成的谐振单元的激励区域不但能实现对不同谐振单元的激励，从而达到对吸波器不同频率动态调控的目的，实现吸波器的窄带吸收，而且该吸波器的工作频率在激励区域选择合适的情况下能够覆盖整个X波段。
Description
技术领域
本发明涉及一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，属于无线电通信、微波器件领域。
背景技术
随着信息技术的发展，微波器件已经广泛的应用于通信中的各类系统中。如发射端的天线、电磁屏蔽盒等。防止电磁干扰和电磁隐身在军事和民用领域有广泛的应用前景。电磁吸波器就满足这一需求所设计的一类微波器件，在通信领域得到了越来越广泛的应用。在军事领域，提高武器装备的电磁隐身特性，降低被敌侦测概率，是夺取现代战争胜利的前提。而在民用领域，无线通信中基本器件，医疗、保健以及常用消费级的电子产品都对电子器件有电子兼容的需求，都需要额外的屏蔽“不需要的”电磁信号。低剖面和小型化的吸波器在民用领域也有着强大的需求。为了满足以上需求，电磁超材料往往被应用于吸波器的设计当中。然而，传统意义上的超材料吸波器很难得到可调谐的吸收频谱，获得可调谐的吸收频谱不得不引入大量的集总元件，控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造。
等离子体超材料是开发由于光和金属-电介质材料相互作用而产生的表面等离子体的超材料。在特殊条件下，入射光和表面等离子体耦合产生自维持和传播称为表面等离子极化子的电磁波。这样的波一旦形成后，便沿金属-电介质的介面传播。与入射光相比，等离子极化波的波长要短得多，等离子超材料由复合材料组成；是用金属和电介质经过设计达到自然界没有的性质。这种性质来自复合材料的单一结构，其特点是被次波长距离所分开。
固态等离子体能够很好地解决这一问题，它是采用利用电或光激励的形式在半导体本征层形成的，当形成的固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其电导性可与金属相比拟。当未激发成固态等离子体时，其就是半导体材料表现出介质的特性，对电磁波没有响应具有低RCS的特性可实现其电磁隐身性能，因此可以用来制成可调谐/可重构的微波器件。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，实现电磁波大角度入射时，吸波器仍然有良好的吸收效果，并且通过可编程的逻辑阵列来控制固态等离子体的激励区域的激励状态，以此来实现对不同频率的动态调控，达到窄带吸收的效果，另外可以通过动态的改变激励区域来实现对整个X波段的吸收的覆盖。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，包括底层反射板，所述底层反射板上设置有介质基板，所述介质基板上设有呈蜂窝型阵列周期排布的若干固态等离子体谐振单元；
每个所述固态等离子体谐振单元为正六边形，其中心处是一个长方形固态等离子体单元，所述长方形固态等离子体单元的上方是一个开口向内的半圆环形固态等离子体单元，下方是两个开口向内的开口方环形固态等离子体单元构成的嵌套结构，左右两侧分别是一个倒三角环形固态等离子体单元的一半且与上方的半圆环形固态等离子体单元相连；
每个所述固态等离子体单元分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。
作为本发明的进一步技术方案，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离。
作为本发明的进一步技术方案，所述长方形固态等离子体单元的长为8.5mm，宽为8.543mm。
作为本发明的进一步技术方案，所述半圆环形固态等离子体单元的内径为13.4mm，环形宽度为0.8mm。
作为本发明的进一步技术方案，所述嵌套结构中，内侧的开口方环形固态等离子体单元的长为6.407mm、环形宽度为0.785mm、长边距离所述长方形固态等离子体单元6.418mm；外侧的开口方环形固态等离子体单元的长为12.164mm、环形宽度为0.785mm、长边距离所述长方形固态等离子体单元7.988mm。
作为本发明的进一步技术方案，在微波波段，所述底层反射板为全金属板；在太赫兹及光波以上频段，底层反射板采用多层介质反射板或具有反射特性的人工结构阵列。
作为本发明的进一步技术方案，所述多层介质反射板用多层不同介质构成光子晶体反射面来实现。
作为本发明的进一步技术方案，所述光子晶体是多层堆材结构或者周期性分布结构。
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)本发明一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其结构单元采用蜂窝型特有的六边形结构，对于电磁波大角度入射有着良好的吸收效果；
(2)本发明采用固态等离子体来代替金属进行工作，通过可编程的逻辑阵列来控制固态等离子体的激励区域的激励状态，以此来实现对不同频率的动态调控，达到窄带吸收的效果；通过合适的参数设置可以使其工作频率在激励区域范围选择合适的情况下更高效的覆盖整个X波段；
(3)本发明一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，当电磁波入射时，通过编程实现四种不同的激励状态，以获得可调谐的吸收频谱；通过合理的程序设定来确定激励区域和激励状态就可以增大吸波器在特定频率区域内的吸收峰值以及展宽吸收频带，从而提高吸收率以及吸收效率；
(4)本发明可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，具有结构新颖，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。
附图说明
图1为状态一的固态等离子体构成的单元结构示意图
图2为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器阵列(3×3)状态一结构图正视图；
图3为状态二的固态等离子体构成的单元结构示意图；
图4为状态三的固态等离子体构成的单元结构示意图；
图5为状态四的固态等离子体构成的单元结构示意图；
图6为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器立体图；
图7为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器侧视图；
图8为电磁波入射角与频率的关系图；
图9为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态一和状态二的吸收曲线；
图10为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态三和状态四的吸收曲线；
图11为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器TE模式电磁波入射角为30°和55°的吸收率曲线；
图12为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器TE模式电磁波入射角为55°和85°的吸收率曲线
图13为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器TE模式电磁波入射角为0°和85°的吸收率曲线；
图14为一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射且激励的固态等离子体谐振单元间隔不同时的吸收率曲线；
其中：5—介质基板，1、2、3、4—固态等离子体构成的谐振单元，6—金属反射板，7、8、9、10—固态等离子体激励源。
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：
本发明中的结构单元采用蜂窝型特有的六边形结构，对于电磁波大角度入射有着良好的吸收效果，并且采用固态等离子体来代替金属进行工作，通过可编程的逻辑阵列来控制固态等离子体的激励区域的激励状态，以此来实现对不同频率的动态调控，达到窄带吸收的效果，另外可以通过动态的改变激励区域来实现对整个X波段的吸收的覆盖。
本发明一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，如图6和7所示，其周期性结构单元采用蜂窝型特有的六边形结构，该超材料窄带吸波器可以在电磁波大角度入射的情况下有着良好的吸收效果。其结构由底层反射板、介质基板、固态等离子体谐振单元和可编程逻辑阵列控制的等离子体激励源组成。所述的底层反射板上设置有介质基板，其介质基板上设有固态等离子体谐振单元，每个等离子体分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制。本发明中，通过可编程逻辑阵列控制固态等离子体激励源，从而达到对吸波器不同频率动态调控的目的，实现吸波器的窄带吸收，而且该吸波器的工作频率在激励区域选择合适的情况下能够覆盖整个X波段。该吸波器能够实现较好的吸波性能同时，通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。
所述吸波器由结构单元周期排列而成，其有四种工作状态：状态一，其结构单元包括底层金属反射板6，介质基板5，以及被激励的固态等离子体谐振单元1，固态等离子体谐振单元2，固态等离子体谐振单元3和固态等离子体谐振单元4；状态二，其结构单元包括底层金属反射板6，介质基板5，以及被激励的固态等离子体谐振单元1和固态等离子体谐振单元2，状态三，其结构单元包括底层金属反射板6，介质基板5，以及被激励的固态等离子体谐振单元3和固态等离子体谐振单元4；状态四，其结构单元只有底层金属反射板6和介质基板5。编程时我们可以将状态一定义为“11”，将状态二定义为“10”，将状态三定义为“01”，将状态四定义为“00”。这些编码状态可以通过对激励控制模块中的可编程逻辑阵列进行编程来实现，从而达到调控由固态等离子体构成的谐振单元工作状态的目的。
其中，固态等离子体谐振单元由固态等离子体构成，其每个PIN单元大小0.1mm×0.1mm，选择Drude模型描述固态等离子体的介电常数，其中等离子体频率为2.9×1015rad/s，其碰撞频率为1.65×1014 1/S，如图6所示。
谐振单元1、2分别通过等离子体激励源7、8进行激励，谐振单元3、4分别通过等离子体激励源,9、10进行激励，等离子体激励源7、8和等离子体激励源9、10的通断状态通过编程来实现控制，如图6所示。
本发明的蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，电磁波垂直入射时，状态一的吸收效果是由于四个固态等离子体构成的谐振单元同时被激励时引起的；状态二的吸收效果是由固态等离子体构成的谐振单元1和由固态等离子体构成的谐振单元2被激励时引起的；状态三的吸收效果是由固态等离子体构成的谐振单元3和由固态等离子体构成的谐振单元4被激励时所引起的；状态四的吸收则是由介质基板(四个谐振单元均未被激励)引起的。所述四种状态相比较，四个固态等离子体构成的谐振单元都被激励时，该吸波器的吸收效果最好。
该吸波器的介质基板是由较大损耗角正切的FR-4作为材料。
该吸波器的反射板，在不频段所用反射板不同，如在微波波段反射面可用全金属板，如铜、铝等；而在太赫兹及光波以上频段，反射板可采用多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。
该吸波器，其介质基板还可以为人工合成的具有特定特性的介质，如通过溶液配比的方法得到的凝胶型(柔性)介质，再与柔性基板相结合可以用于共形实现宽频吸收。
本发明由若干个谐振单元周期排列而成。该种吸波器有四种工作状态，状态一(“11”状态)其结构单元如图1所示，底层是完整的金属板，用于全反射，中间是介质基板，介质基板上面是被激励的固态等离子体谐振单元1、2和被激励的固态等离子体谐振单元3、4，其阵列(3×3)如图2所示；状态二(“10”状态)其结构单元如图3所示，底层是完整金属板，中间是介质基板，介质基板上面是被激励的固态等离子体谐振单元1、2；状态三(“01”状态)其结构单元如图4所示，底层是完整金属板，中间是介质基板，介质基板上面是被激励的固态等离子体谐振单元3、4；状态四(“00”状态)其结构单元如图5所示，底层是完整金属板，中间是介质基板，介质上面的固态等离子体谐振单元都不被激励。
所述该超材料窄带吸波器中谐振单元的相关参数如表1所示。
表1谐振单元的相关参数
如图9和图10所示，是该吸波器在四种状态工作时的吸收曲线，由于该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，以下四种状态的吸收曲线均是TE模式下得到的吸收曲线，工作时电磁波沿-z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。图9中实线是状态一(四个谐振单元同时被激励)的吸收曲线，该吸波器在频带9.223GHz到9.522GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，在两个吸收频点9.29GHz和9.45GHz处的吸收峰值分别为99.03％和95.51％，实现了窄带吸收，位于频点11.96GHz的吸收峰值为97％。图9中虚线是状态二(谐振单元1和谐振单元2被激励)其两个吸收峰值分别为87.53％和96.95％，分别位于9.34GHz和10.78GHz。图10中实线是状态三(谐振单元3和谐振单元4被激励)的吸收曲线，其两个吸收峰值分别为96.04％、94.6％，分别位于9.47GHz和11.2GHz。图10中虚线是状态四(四个谐振单元均未被激励)的吸收曲线，其吸收率低于20％，比较四种状态可以看出，由固态等离子体构成的四个谐振单元同时被激励时吸收效果最好，能够实现窄带吸收且吸收率大于0.9。显然，我们可以人为的用编程的方式来调控该吸波器的工作频点的位置和数量。如与天线协同工作需要电磁隐身时，可以采用状态一或二；如果需要天线独立工作时仅仅需要采用状态三和四。
由图8所示，我们可以看出随着电磁波入射角度的增大，该吸波器仍然有着好的吸收效果。
图11是入射角为30°和55°的吸收曲线，当电磁波入射角为30°时，位于9.29GHz和10.01GHz处的吸收峰值仅为51.99％和73.36％，当入射角增大到55时，位于这两个频点处的吸收峰值则达到了92.41％和99.77％，所以当入射角由30°增加到55°时，该吸波器的吸收效果有了很大的提高。
图12中是电磁波入射角为55°和85°的吸收曲线，当入射角为55°时其位于8.29GHz、9.16GHz、11.81GHz处的吸收峰值分别为92.38％、96.8％、98.4％，而当入射角为85°时，其位于8.31GHz、9.13GHz、11.72GHz处的吸收峰值分别为99.91％、97.8％、99.52％，所以当电磁波入射角从55°增加大85°时，该吸波器仍然有着良好的吸收效果。
图13是入射角为0°和入射角为85°的吸收曲线，当入射角为85°时，位于8.31GHz处的吸收率达到99.91％，而该频点处入射角为0°是吸收率则很低，85°入射角时位于9.13GHz和11.72GHz的吸收峰值仍然达到了很高的吸收率，分别为97.8％和99.52％，所以该吸波器在电磁波大角度入射时仍然能保持着良好的吸收效果，特别是在低频处的吸收有着很大的提高。
如图14所示，曲线一是由固态等离子体构成的谐振单元都被激励时的吸收曲线；曲线二则是改变谐振单元3和谐振单元4之间的间距时的吸收曲线，即将这两个谐振单元的间距变为零，使这两个谐振单元以一种新重构的外形被激励。由图14可知，在修改后该吸波器的吸收特性有了明显的变化。吸收谱线向低频方向发生了移动，吸收率变为98.61％位于9.21GHz。显然，我们可以通过改变固态等离子体谐振单元的外形使吸收谱线发生移动，从而达到吸收峰覆盖整个X波段目的，实现对该吸波器工作频率和性能的编程调控。
在经过特定设计(编程控制)后，本发明的工作频率能够覆盖整个X波段。主要吸收都是由固态等离子构成的谐振单元引起，可以在较小的物理尺寸下实现对电磁波的窄带吸收，本发明具有结构新颖，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。
本发明经过特殊的设计形成一种等离子体超材料，其中固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励PIN单元阵列，以便得到固态等离子体。固态等离子体谐振单元有两种工作状态，激励状态和未激励状态。该等离子体超材料窄带吸波器对于TE极化波有很好的吸收效果，而且对于电磁波大角度入射有着良好的吸收效果，并通过编程方式控制固态等离子体构成的谐振单元的激励区域不但能实现对不同谐振单元的激励，从而达到对吸波器不同频率动态调控的目的，实现吸波器的窄带吸收，而且该吸波器的工作频率在激励区域选择合适的情况下能够覆盖整个X波段。还可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，该种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器具有结构新颖，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，包括底层反射板，所述底层反射板上设置有介质基板，所述介质基板上设有呈蜂窝型阵列周期排布的若干固态等离子体谐振单元；
每个所述固态等离子体谐振单元为正六边形，其中心处是一个长方形固态等离子体单元，所述长方形固态等离子体单元的上方是一个开口向内的半圆环形固态等离子体单元，下方是两个开口向内的开口方环形固态等离子体单元构成的嵌套结构，左右两侧分别是一个倒三角环形固态等离子体单元的一半且与上方的半圆环形固态等离子体单元相连；
每个所述固态等离子体单元分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制；
所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，所述长方形固态等离子体单元的长为8.5mm，宽为8.543mm。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，所述半圆环形固态等离子体单元的内径为13.4mm，环形宽度为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，所述嵌套结构中，内侧的开口方环形固态等离子体单元的长为6.407mm、环形宽度为0.785mm、长边距离所述长方形固态等离子体单元6.418mm；外侧的开口方环形固态等离子体单元的长为12.164mm、环形宽度为0.785mm、长边距离所述长方形固态等离子体单元7.988mm。
6.根据权利要求1所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，在微波波段，所述底层反射板为全金属板；在太赫兹及光波以上频段，底层反射板采用多层介质反射板或具有反射特性的人工结构阵列。
7.根据权利要求6所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，所述多层介质反射板用多层不同介质构成光子晶体反射面来实现。
8.根据权利要求7所述的一种蜂窝型分布的可调控等离子体超材料窄带吸波器，其特征在于，所述光子晶体是多层堆材结构或者周期性分布结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20180420 Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2020980006914 Denomination of invention: A tunable plasma metamaterial narrowband absorber with honeycomb distribution Granted publication date: 20200221 License type: Common License Record date: 20201021 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |