CN107978870B - 基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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，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。该吸波器对于TE极化波有很好的吸收效果，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，从而达到对吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收率逐步优化的动态调控的目的，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更高效的覆盖整个X波段。

Description

基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器

技术领域

本发明涉及一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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。而且随着军事科技以及无线通信系统的迅猛发展，最初单一频点的吸波已经不能满足复杂电磁环境下的应用需求，多频、窄带电磁超材料吸波器受到越来越多工程研究人员的重视。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有一定吸收带宽的吸收频谱，若要获得此类的吸收频谱就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，本发明提供一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，通过编程控制固态等离子体谐振单元的激励状态，从而实现吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收率逐步优化的动态调控，且通过合理的参数设定可以使得吸收频率区域覆盖整个X波段。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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由N个环形固态等离子体谐振单元构成的嵌套结构，且所述嵌套结构的内部设有一个三角形固态等离子体谐振单元；每个所述固态等离子体谐振单元分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个所述等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制，实现吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收效能逐步优化的动态调控。

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，且PIN 单元之间设有隔离层进行隔离。

作为本发明的进一步技术方案，所述嵌套结构由N个三角环形固态等离子体谐振单元构成，其中，每个三角环形固态等离子体谐振单元分别由一个等边三角形的环形固态等离子体谐振单元截成的两个部分构成，且两个部分之间存在间隙。

作为本发明的进一步技术方案，所述嵌套结构由3个三角环形固态等离子体谐振单元构成，其中，最内层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为43.2mm的等边三角形截成的上下两个部分构成，上下两个部分的宽度均为1mm；中间层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为49.435mm的等边三角形截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为1.7mm且与最内层的间距为0.8mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为1.2mm且与最内层的间距为1.1mm，右部分的宽度为1.2mm且与最内层的间距为1mm；最外层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为57.749mm的等边三角形截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.08mm且与中间层的间距为0.7mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为1.2mm且与中间层的间距为1mm，右部分的宽度为1.5mm且与中间层的间距为 0.5mm，右部分顺时针旋转0.2°。

作为本发明的进一步技术方案，所述嵌套结果内部的三角形固态等离子体谐振单元的边长为18.6mm。

作为本发明的进一步技术方案，在微波波段，所述底层反射板采用金属反射板；在太赫兹及光波以上频段，所述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为多层不同介质构成的光子晶体反射面。

作为本发明的进一步技术方案，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)本发明一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，通过编程控制固态等离子体谐振单元的激励状态，从而实现吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收率逐步优化的动态调控；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；

(2)本发明一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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；

(3)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，具有结构通俗，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。

附图说明

图1为一个三角环形固态等离子体谐振单元构成的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为两个三角环形固态等离子体谐振单元构成的结构示意图；

图4为图2的侧视图；

图5为三个三角环形固态等离子体谐振单元构成的结构示意图；

图6为三个三角环形固态等离子体谐振单元构成的分解结构示意图；

图7为图5的侧视图；

图8为三个三角环形固态等离子体谐振单元构成的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器阵列(3×3)的正视图；

图9为三个三角环形固态等离子体谐振单元构成的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器的立体图；

图10为本发明基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器的不同谐振部分的激励控制图；

图11为基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时一个三角形环的吸收曲线；

图12为基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时两个三角形环的吸收曲线；

图13为基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时三个三角形环的吸收率曲线；

图14为基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时不同的谐振单元被激励时的吸收率曲线；

图15为基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器TE模式电磁波垂直入射时不同的谐振单元被激励时的吸收率曲线；

图中：10—介质，1、2、3、4、5、6、7、8、9—固态等离子体构成的谐振单元，11—金属反射板，12、13、14、15、16、17、18、19、20—固态等离子体激励源。

具体实施方式

本发明采用固态等离子体来代替金属工作，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以此来激励不同的谐振单元，从而实现对吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收率逐步优化的动态调控，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高效的覆盖整个X波段。

本发明基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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，所述底层反射板上设置有介质基板，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。本发明所述的吸波器还可以周期排列构成吸波器阵列。

本发明中的固态等离子体由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。该吸波器对于TE极化波有很好的吸收效果，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，从而达到对吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收率逐步优化的动态调控的目的，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更高效的覆盖整个X波段。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

本发明基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器有以下工作状态：状态一(只有一个三角环形固态等离子体谐振单元)其结构单元包括底层金属反射板11、介质基板10和被激励的固态等离子体谐振单元1，4，5，6，如图1和2所示；状态二(只有两个三角环形固态等离子体谐振单元)其结构单元包括底层金属反射板11、介质基板10和被激励的固态等离子体谐振单元1,2，3，4，5，6，如图3和4所示；状态三(有三个三角环形固态等离子体谐振单元)其结构单元包括底层金属反射板11、介质基板10和所有被激励的固态等离子体谐振单元，如图5、6和7所示，该吸波器三种状态中所对应的参数如表1所示。这些工作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。

表1该吸波器三种状态中所对应的参数

其中的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 1.65×10¹⁴1/S，如图1和图5所示。

其中，谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9分别通过等离子体激励源12、13、14、15、 16、17、18、19、20进行激励，如图10所示。

本发明基于等离子体超材料可调控的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固态等离子体1，4，5，6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1，2，3，4，5，6构成的谐振单元同时被激励时引起的；状态三吸收效果是由固态等离子体构成的谐振单元全部被激励时引起的；固态等离子体构成的所有谐振单元同时被激励时，该吸波器的吸收效果达到最好。

本发明的反射板，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。

本发明，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。

本发明基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器在能够实现较好的吸波性的同时，通过编程的方式可以实现高频段的高吸收率的保持和低频段吸收效能逐步优化的动态调控。

一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，由若干个谐振结构单元周期排列而成。该种吸波器有三种工作状态，状态一其结构单元如图1所示，底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板以及被激励的固态等离子体谐振单元为图10中的1，4，5，6；状态二其结构单元如图3所示，底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板以及被激励的固态等离子体谐振单元为图10中的1，2，3，4，5，6；状态三其结构单元如图5所示(即图10中结构单元全部被激励)，底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板以及被激励的所有固态等离子体谐振单元。

如图11、图12和图13所示，是该吸波器在三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11是当该吸波器只有一个环时(谐振单元1，4，5，6被激励)的吸收曲线。图12是该吸波器有两个环时(谐振单元1，2，3，4，5，6被激励)的吸收曲线，在频带9.28GHz到9.46GHz和频带11.16GHz 到11.37GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，在两个吸收频点9.32GHz和9.39GHz 处的吸收峰值分别为98.52％和98.46％，在吸收频点11.3GHz处的吸收峰值为99.69％，实现了窄带吸收。图13是该吸波器有三个环(所有谐振单元都被激励)时的吸收曲线在频带 9.28GHz到9.59GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，在三个吸收频点9.32GHz、 9.45GHz和9.56处的吸收峰值分别为98.14％、94.39％和91.5％，位于频点11.39GHz处的吸收峰值为99.77％。随着该吸波器嵌套环数的增加，其吸收带宽也随之增加，我们可以利用这种方法，继续嵌套等离子体谐振环，使该吸波器的带宽进一步展宽。

如图14和图15所示，是不同的固态等离子体谐振单元被激励时的吸收曲线，图14中曲线一是谐振单元1，2，4，8，9被激励时的吸收曲线，其频点位于9.271GHz和11.8GHz处的吸收峰值达到90％以上，分别为98.19％和96.7％，曲线二是谐振单元1，3，4，5，6被激励时的吸收曲线，其频点位于11.32GHz处的吸收峰值达到90％以上，为99.41％。图15中曲线一是谐振单元3，4，5，6，8，9被激励时的吸收曲线，其频点位于9.657GHz、11.3GHz 和11.65处的吸收峰值达到90％以上，分别为98.62％、93.29％和94.16％，曲线二是谐振单元 1，3，4，5，6，8，9被激励时的吸收曲线，其频点位于11.4GHz处的吸收峰值达到90％以上，为99.14％。所以我们可以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，选择对不同等离子体谐振单元进行激励，从而达到对吸波器的动态调控的目的。

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，本发明具有通俗易加工，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。

本发明公开了一种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，该吸波器对于TE极化波有很好的吸收效果，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，从而达到对吸波器高频段的高吸收率的保持和低频段吸收率逐步优化的动态调控的目的，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更高效的覆盖整个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，该种基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器具有结构通俗，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 (7)

1.基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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由N个环形固态等离子体谐振单元构成的嵌套结构，且所述嵌套结构的内部设有一个三角形固态等离子体谐振单元；每个所述固态等离子体谐振单元分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个所述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，且PIN单元之间设有隔离层进行隔离；

每个三角环形固态等离子体谐振单元分别由一个等边三角形的环形固态等离子体谐振单元截成的两个部分构成，且两个部分之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，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所述的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，其特征在于，所述嵌套结构由3个三角环形固态等离子体谐振单元构成，其中，最内层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为43.2mm的等边三角形截成的上下两个部分构成，上下两个部分的宽度均为1mm；中间层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为49.435mm的等边三角形截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为1.7mm且与最内层的间距为0.8mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为1.2mm且与最内层的间距为1.1mm，右部分的宽度为1.2mm且与最内层的间距为1mm；最外层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为57.749mm的等边三角形截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.08mm且与中间层的间距为0.7mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为1.2mm且与中间层的间距为1mm，右部分的宽度为1.5mm且与中间层的间距为0.5mm，右部分顺时针旋转0.2°。

4.根据权利要求3所述的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，其特征在于，所述嵌套结果内部的三角形固态等离子体谐振单元的边长为18.6mm。

5.根据权利要求1所述的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，其特征在于，在微波波段，所述底层反射板采用金属反射板；在太赫兹及光波以上频段，所述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。

6.根据权利要求5所述的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，其特征在于，所述多层介质反射板为多层不同介质构成的光子晶体反射面。

7.根据权利要求6所述的基于等离子体超材料可调控的窄带吸波器，其特征在于，光子晶体是多层堆材结构或者周期性分布结构。

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