CN108183337B

CN108183337B - 一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器

Info

Publication number: CN108183337B
Application number: CN201810017477.9A
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 杨靖; 张�浩; 刘佳轩
Original assignee: Nanjing University Of Posts And Telecommunications Institute At Nantong Co ltd; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University Of Posts And Telecommunications Institute At Nantong Co ltd; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: CN108183337A

Abstract

本发明公开了一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，其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。经过特殊的设计形成一种等离子体超材料，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。该等离子体超材料吸波器对TE和TM极化波都有很好的吸收效果，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。

Description

一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器

技术领域

本发明涉及一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，属于无线电通信、微波器件领域。

背景技术

近年来，随着电子科学与技术的发展与进步，电磁超材料在物理学、电磁学、光学、材料学等领域都有广泛的应用前景，电磁超材料在电磁学方面一个重要的应用就是产生了电磁超材料吸波器。

随着军事科技的发展，使得雷达具备全天候、抗干扰、和远程探测等能力，电磁超材料吸波器就成为了雷达的组成部分，但是现有的电磁超材料吸波器只是对特定频率的电磁波具有有效吸收，且吸收的带宽较窄，不能在整个光谱范围内达到较好吸收，当电磁波大角度入射时，吸波器的吸收性能较差。而且，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。

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

针对电磁超材料吸波器的应用及超材料吸波器的诸多不足，本发明提供一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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，另外可以通过动态的改变激励区域来实现吸收频率跨越X波段和Ku波段。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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对角线对称的周期排布的若干固态等离子体谐振单元；

所述固态等离子体单元通过连接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；

每个所述固态等离子体谐振单元包括N个三角环形固态等离子体单元构成的嵌套结构及其内部设置的三角形固态等离子体单元，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，所述介质基板上设置的固态等离子体谐振单元通过等离子体柱与底层反射板连接。

作为本发明的进一步技术方案，每个所述固态等离子体谐振单元包括3个三角环形固态等离子体单元构成的嵌套结构及其内部设置的三角形固态等离子体单元，三角形固态等离子体单元通过等离子体柱与底层反射板连接。

作为本发明的进一步技术方案，所述介质基板上设有呈对角线对称的周期排布的四个固态等离子体谐振单元，处于对角线上的两个固态等离子体谐振单元呈中心对称且尺寸完全相同；

左上角的固态等离子体谐振单元中：最内层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为21.6mm的等边三角形环截成的上下两部分构成，且上下两部分的宽度均为0.5mm；中间层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为24.7mm的等边三角形环截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.85mm且与最内层的间距为0.4mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为0.6mm且与最内层的间距为0.55mm，右部分的宽度为0.6mm且与内外层的间距为0.5mm；最外层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为28.875mm的等边三角形环截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.04mm且与中间层的间距为0.35mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为0.6mm且与中间层的间距为0.5mm，右部分的宽度为0.75mm且与中间层的间距为0.25mm；三角形固态等离子体单元的边长为9.3mm；

右上角的固态等离子体谐振单元中：最内层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为21.168mm的等边三角形环截成的上下两部分构成，且上下两部分的宽度均为0.49mm；中间层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为24.206mm的等边三角形环截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.833mm且与最内层的间距为0.392mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为0.588mm且与最内层的间距为0.539mm，右部分的宽度为0.588mm且与最内层的间距为0.49mm；最外层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为28.298mm的等边三角形环截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.039mm且与中间层的间距为0.343mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为0.588mm且与中间层的间距为0.49mm，右部分的宽度为0.735mm且与中间层的间距为0.245mm；三角形固态等离子体单元的边长为9.114mm，其与底层反射板之间的等离子体柱的半径为1.2mm。

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。

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)本发明一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，对于电磁波大角度入射具有良好的吸收效果；

(2)本发明一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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，另外可以通过动态的改变激励区域来实现吸收频率跨越X波段和Ku波段；

(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为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器结构单元正视图；

图2为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器结构单元正视图；

图3为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器结构单元侧视图；

图4为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器状态三阵列(3×3)正视图；

图5为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器立体图；

图6为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器激励控制图；

图7为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器状态一正视图；

图8为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器状态二正视图；

图9为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线；

图10为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线；

图11为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线；

图12为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器TM模式电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线；

图13为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器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曲线；

图14为一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波入射角与频率的关系图；

附图标记：17-介质基板，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16-固态等离子体构成的谐振单元，18-金属反射板，19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34-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：

本发明提供了一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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，另外可以通过动态的改变激励区域来实现吸收频率跨越X波段和Ku波段。

本发明一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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，所述的底层反射板上设置有介质基板(具有较大损耗角正切的FR-4)，其介质基板上设有固态等离子体谐振单元，等离子体谐振单元通过连接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。并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，另外可以通过动态的改变激励区域来实现吸收频率跨越X波段和Ku波段。

本发明中，固态等离子体谐振单元有两种状态，分别为激励和未激励状态，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。固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现。并通过其两端加载偏置电压进行激励。介质表面的固态等离子体谐振单元通过等离子体柱与底层的反射板连接。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

本发明所述的吸波器由结构单元周期排列而成，周期结构单元是采用对角线对称的结构。如图3至6所示，该吸波器的谐振单元由四个谐振结构组合而成，处于对角线上的两个谐振结构呈中心对称且尺寸完全相同，各谐振结构均由三层三角形环和环中的三角形贴片构成，三角形固态等离子体谐振单元通过等离子体柱与底层的反射板连接。左上角谐振结构其第一层环由边长为21.6mm的等边三角形截成上下两个谐振单元，上下两个谐振单元的宽度均为0.5mm，第二层环是由边长为24.7mm的等边三角形截成上下两部分，上面谐振单元的宽度为0.85mm，该谐振单元与第一层的谐振单元的间距为0.4mm，下部分为分立设计成的两个谐振单元，左边谐振单元的宽度0.6mm，与第一层谐振单元的间距为0.55mm，右边谐振单元的宽度为0.6mm，与第一层谐振单元的间距为0.5mm，第三层环是由边长为28.875mm的等边三角形截成上下两部分，上面谐振单元的宽度为0.04mm，该谐振单元与第二层的谐振单元的间距为0.35mm，下部分为分立设计成的两个谐振单元，左边谐振单元的宽度为0.6mm，与第二层谐振单元的间距为0.5mm，右边谐振单元的宽度为0.75mm，与第二层谐振单元的间距为0.25mm，中间的三角形谐振单元其边长为9.3mm。右上角谐振结构其第一层环由边长为21.168mm的等边三角形截成上下两个谐振单元，上下两个谐振单元的宽度均为0.49mm，第二层环是由边长为24.206mm的等边三角形截成上下两部分，上面谐振单元的宽度为0.833mm，该谐振单元与第一层的谐振单元的间距为0.392mm，下部分为分立设计成的两个谐振单元，左边谐振单元的宽度0.588mm，与第一层谐振单元的间距为0.539mm，右边谐振单元的宽度为0.588mm，与第一层谐振单元的间距为0.49mm，第三层环是由边长为28.298mm的等边三角形截成上下两部分，上面谐振单元的宽度为0.039mm，该谐振单元与第二层的谐振单元的间距为0.343mm，下部分为分立设计成的两个谐振单元，左边谐振单元的宽度为0.588mm，与第二层谐振单元的间距为0.49mm，右边谐振单元的宽度为0.735mm，与第二层谐振单元的间距为0.245mm，中间的三角形谐振单元其边长为9.114mm。各三角形谐振单元与底层的反射板之间的等离子体柱的半径为1.2mm。

本发明所述的吸波器具有以下三种状态：状态一(四个固态等离子体谐振结构都只有一个三角形环)，其结构单元包括底层金属反射板，介质基板和被激励的固态等离子体谐振单元，如图7所示；状态二(四个固态等离子体谐振结构都只有两个三角形环)，其结构单元包括底层金属反射板，介质基板和被激励的固态等离子体谐振单元，如图8所示；状态三(四个固态等离子体谐振结构都有三个三角形环)，其结构单元包括底层的金属反射板，介质基板和被激励的固态等离子体谐振单元，如图1和图2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，从而实现吸收频率跨越X波段和Ku波段。

其中所述的谐振单元由固态等离子体构成，其每个PIN单元大小为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2.9×10¹⁴rad/s，其碰撞频率为1.65×10¹³1/S，如图5所示。

该发明一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，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、2、5、6、9、10、13、14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、5、6、7、9、10、11、13、14、15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，三种状态相比较，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最好。该发明在能够实现较好的吸波性的同时，可以通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。

该吸波器的底层反射板，在不同频段所用反射板不同，如在微波波段反射板可用全金属板，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。

该吸波器的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。

一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，该吸波器的谐振单元由四个谐振结构组合而成。该吸波器有三种工作状态，状态1其结构单元正视图如图7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1、2、5、6、9、10、13、14，状态二其结构单元正视图如图8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1、2、3、5、6、7、9、10、11、13、14、15，状态三其结构单元正视图如图1和图2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所有固态等离子体谐振单元。

所述该超材料宽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

参数	h	w	b	c
					参数的值(mm)	2.9	0.1	24.717	21.6
参数	e	r	d	t
					参数的值(mm)	27.875	1.2	9.3	7.157
参数	f	g	l	o
					参数的值(mm)	0.75	18.814	18	0.6
参数	m	p	v	q
					参数的值(mm)	0.5	0.55	0.25	0.75
参数	b<sub>1</sub>	c<sub>1</sub>	e<sub>1</sub>	r<sub>1</sub>
					参数的值(mm)	24.223	21.168	27.3175	1.2
参数	d<sub>1</sub>	t<sub>1</sub>	f<sub>1</sub>	g<sub>1</sub>
					参数的值(mm)	8.835	7.014	0.735	18.438
参数	o<sub>1</sub>	m<sub>1</sub>	p<sub>1</sub>	v<sub>1</sub>
					参数的值(mm)	0.588	0.49	0.539	0.238
参数	q<sub>1</sub>
					参数的值(mm)	0.735

如图9、图10、图11所示，是该吸波器在三种工作状态时的吸收曲线，该吸波器对入射的电磁波是极化不敏感的，该三种工作状态均是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是当该吸波器的各谐振结构只有一层环(即谐振单元1、2、5、6、9、10、13、14被激励)的吸收曲线，在频带12.993GHz到13.248GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，在四个吸收频点10.232GHz、11.848GHz、12.224GHz和13.112GHz处的吸收峰值分别为92.54％、91.03％、91.03％和99.61％。图10是当该吸波器的各谐振结构只有两层环(即谐振单元1、2、3、5、6、7、9、10、11、13、14、15被激励)的吸收曲线，在频带11.728GHz到12.056GHz、12.114GHz到12.442GHz和13.032GHz到14.344GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，在四个吸收频点11.904GHz、12.304GHz、13.272GHz和14.144GHz处的吸收峰值分别为98.23％、96.68％、99.97％和99.32％。图11是当该吸波器的所有的等离子体被激励时的吸收曲线，在频带9.2929GHz到9.4042GHz、11.768GHz到14.432GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，在六个吸收频点9.352GHz、10.256GHz、11.912GHz、12.416GHz、13.281GHz和13.736GHz处的吸收峰值分别为95.94％、90.99％、99.18％、98.59％、99.81％和99.87％，达到了宽带吸收的效果。图12是该吸波器的所有的等离子体被激励时工作在TM模式下的吸收曲线，在频带12.216GHz到14.416GHz内的反射率低于-10dB，吸收率达到90％以上，在四个吸收频点12.424GHz、12.88GHz、13.264GHz和13.832GHz处的吸收峰值分别为99.96％、95.65％、99.99％和99.99％。

图13是不同的固态等离子体被激励时的吸收曲线，图13中的曲线一是全部固态等离子体谐振单元被激励时的吸收曲线，图13中的曲线二是谐振单元1、2、3、5、6、9、10、11、13、14被激励时的吸收曲线，其频点位于10.24GHz、11.944GHz和13.2GHz处的吸收峰达到90％以上分别为93.24％、94.63％和99.53％。由图13可知，在修改后该吸波器的吸收特性有了明显的变化，吸收曲线向低频方向发生了移动，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。

由图14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。

在经过特定设计(编程控制)后，本发明的工作频率能够跨越X波段和Ku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宽带吸收，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。

综上所述，本发明的等离子体超材料吸波器对TE和TM极化波都有很好的吸收效果，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。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跨越X波段和Ku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，该种大角度不敏感的等离子体超材料宽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

1.一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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对角线对称的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包括N个三角环形固态等离子体单元构成的嵌套结构及其内部设置的三角形固态等离子体单元，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；

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。

2.根据权利要求1所述的一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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所述的一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，其特征在于，所述介质基板上设置的固态等离子体谐振单元通过等离子体柱与底层反射板连接。

4.根据权利要求1所述的一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，其特征在于，每个所述固态等离子体谐振单元包括3个三角环形固态等离子体单元构成的嵌套结构及其内部设置的三角形固态等离子体单元，三角形固态等离子体单元通过等离子体柱与底层反射板连接。

5.根据权利要求4所述的一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，其特征在于，所述介质基板上设有呈对角线对称的周期排布的四个固态等离子体谐振单元，处于对角线上的两个固态等离子体谐振单元呈中心对称且尺寸完全相同；

左上角的固态等离子体谐振单元中：最内层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为21.6mm的等边三角形环截成的上下两部分构成，且上下两部分的宽度均为0.5mm；中间层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为24.7mm的等边三角形环截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.85mm且与最内层的间距为0.4mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为0.6mm且与最内层的间距为0.55mm，右部分的宽度为0.6mm且与最内层的间距为0.5mm；最外层的三角环形固态等离子体谐振单元由边长为28.875mm的等边三角形环截成的上下两个部分构成，上部分的宽度为0.04mm且与中间层的间距为0.35mm，下部分为分立设计的左右两个部分，左部分的宽度为0.6mm且与中间层的间距为0.5mm，右部分的宽度为0.75mm且与中间层的间距为0.25mm；三角形固态等离子体单元的边长为9.3mm；

6.根据权利要求1所述的一种大角度不敏感的等离子体超材料宽带吸波器，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。