CN108183339B

CN108183339B - 一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器

Info

Publication number: CN108183339B
Application number: CN201810017507.6A
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 张�浩; 杨靖; 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: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: CN108183339A

Abstract

本发明公开了一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，其结构包括底层金属反射板、金属板上方的介质基板和介质基板上的固态等离子体谐振单元以及介质基板中的“Y”型固态等离子体谐振单元和连接各谐振单元的固态等离子体柱。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，达到对吸波器不同频率动态调控的目的，实现吸波器的超宽带吸收，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。

Description

一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器

技术领域

本发明涉及一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，属于无线电通信、微波器件领域。

背景技术

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。

近年来，对超材料及超材料吸波器研究的不断深入，在实际应用领域取得了一定的成果，比如超材料完美隐身等新型器件的研究和超材料传感器、超材料天线基板等方面的研究。超材料在军事领域方面也存在着极大的应用前景，在当今现代化的战争部署中，绝大多数都是以电子战、信息战之间的能力进行角逐，那么承载这些的电子装备也就变得尤为重要，需要对各种作战装备进行有效的保护，从而减小作战方所面临的威胁。如一般的雷达系统还有最近韩国部署的萨德系统，其工作的频段都在某一连续波段，所以设计的超材料吸波器对整个波段都要有很强的吸收。但是窄带吸波器只是对单频率电磁波具有很强的吸收，而且由于其吸收的带宽极窄，一般只针对某一特定的频率，故其在应用上具有很大的限制性，不能在器件上得以广泛应用。多频吸波器对某几个特定频率的电磁波具有较高的吸收，但仍存在较多缺陷。一般的多频吸波器其特定的吸收频率比较分散不连续，不能达到某频段的连续吸收。所以可调谐的超宽带吸波器的设计是及其迫切而有必要的。等离子体超材料因等离子体的特殊性质，在吸波器的设计中有很多优良的特性。等离子体在实现调控时不仅可以改变等离子体的激励状态(激励/未激励)，还能调整等离子体频率的大小，通过将等离子体超材料应用与吸波器的设计，则具有更多、更宽广的可重构方式和可重构状态，这意味着可以通过编程方式实现对吸波器的工作状态和工作频率进行调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，通过加载集总电阻的方式，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，达到超宽带吸收的效果。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，包括底层反射板，所述底层反射板上设置有介质基板，所述介质基板的内部和表面分别上设有固态等离子体谐振单元，位于介质基板内部的固态等离子体谐振单元通过等离子体柱与底层反射板以及位于介质基板表面的固态等离子体谐振单元连接；

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。

作为本发明的进一步技术方案，所述位于介质基板表面的固态等离子体谐振单元呈三角环形，由等边三角环形固态等离子体谐振单元截成三部分构成，且三部分之间通过电阻连接；所述位于介质基板内部的固态等离子体谐振单元呈“Y”型，在三个端点处分别通过等离子体柱与位于介质基板表面的固态等离子体谐振单元的三个顶点连接。

作为本发明的进一步技术方案，所述等边三角环形固态等离子体谐振单元的边长为11.3mm，宽度为0.8mm。

作为本发明的进一步技术方案，所述“Y”型固态等离子体谐振单元中各分支的边长均为6.1mm，宽度均为0.8mm。

作为本发明的进一步技术方案，连接位于介质基板表面和内部的固态等离子体谐振单元的等离子体柱的高度均为2mm，半径为0.0428mm；连接位于介质基板内部的固态等离子体谐振单元和底层反射板的等离子体柱的高度为0.5mm，半径为0.0428mm。

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，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)本发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，通过加载集总电阻的方式，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，达到超宽带吸收的效果；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覆盖整个Ku波段；

(2)本发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，当电磁波入射时，通过编程实现三种不同的激励状态，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拓宽吸收频带；

(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为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器结构单元正视图；

图2为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器结构单元侧视图；

图3为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器阵列(3×3)正视图；

图4为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器立体图；

图5为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器不同谐振单元的激励控制图；

图6为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器不同谐振单元的激励控制图；

图7为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线；

图8为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线；

图9为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线；

图10为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时“Y”型谐振单元与底层反射板间距不同的吸收曲线；

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

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：

本发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，如图1至6所示，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，介质基板是具有较大损耗角正切的FR-4，其介质基板内部和介质基板表面分别设有固态等离子体谐振单元，介质基板内部的“Y”型谐振单元分别通过固态等离子体柱与底层反射板和上层谐振单元连接。介质基板表面的固态等离子体谐振单元由等边三角环形环截成三部分构成，三部分之间通过电阻连接，阻值为620Ω。每个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，实现对吸波器吸收性能的动态调控。

固态等离子体谐振单元有两种状态，分别是激励状态和未激励状态。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。

本发明中，通过加载集总电阻的方式，并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，达到超宽带吸收的效果，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Ku波段。所述的吸波器由结构单元周期排列而成。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

该发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器有以下工作状态：状态一其结构单元包括底层金属反射板5，介质基板4和被激励的固态等离子体谐振单元1，2，3，6，9，10；状态二其结构单元包括底层金属反射板5，介质基板4和被激励的固态等离子体谐振单元1，2，3，6，7，9，10；状态三其结构单元包括底层金属反射板5，介质基板4和所有被激励的固态等离子体谐振单元。该吸波器所对应的参数如表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。

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2.9×10¹³rad/s，其碰撞频率为1.65×10¹² 1/S，如图4所示。

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

该发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超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敏感的，电磁波垂直入射时，状态一的吸收效果是由谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体1，2，3，6，9，10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谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体1，2，3，6，7，9，10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谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体构成的谐振单元全部被激励时引起的；三者相比较，该吸波器状态一的吸收效果最佳。

该吸波器的反射板，在不同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超宽频吸收。

该发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器在能够实现较好的吸波性的同时，通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。

一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，由若干个谐振单元周期排列而成。该种吸波器有三种工作状态，状态一其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1，2，3，6，9，10，状态二其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1，2，3，6，7，9，10；状态三其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的所有固态等离子体谐振单元。

所述该超宽带吸波器中，介质基板上的固态等离子体谐振单元由边长为11.3mm，宽度为0.8mm的等边三角环形环截成三部分，介质基板中的“Y”型谐振单元各分支的边长为6.1mm，宽度为0.8mm，“Y”型谐振单元和上层谐振单元间连接的固态等离子体柱的高度均为2mm，半径为0.0428mm，“Y”型谐振单元和底层反射板间连接的固态等离子体柱的高度为0.5mm，半径为0.0428mm。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	l	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	r
					参数的值	12mm	5.4mm	11.3mm	10/70mm
参数	h	h<sub>1</sub>	h<sub>2</sub>	p
					参数的值	2.5mm	0.5mm	2mm	0.0438mm
参数	R<sub>1</sub>	w	w<sub>1</sub>
					参数的值	620Ω	0.8mm	0.5mm

如图7、图8和图9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，以下三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7是“Y”型谐振单元通过一根等离子体柱与上层谐振单元连接时(谐振单元1，2，3，6，9，10被激励)的吸收曲线，在频带12.12GHz到17.59GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，其相对带宽达到36.8％，实现了超宽带吸收，而且具有三个较高的吸收峰，分别位于13.29GHz，16.17GHz和16.88GHz，其吸收率分别为99.7％，99.9％和98.7％。图8是“Y”型谐振单元通过两根等离子体柱与上层谐振单元连接时(谐振单元1，2，3，6，7，9，10被激励)的吸收曲线，在频带12.23GHz到17.62GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，其相对带宽为36.1％，具有三个较高的吸收峰，分别位于13.29GHz，16.12GHz和16.92GHz，其吸收率分别为99.6％，99.9％和98.8％。图9是“Y”型谐振单元通过三根等离子体柱与上层谐振单元连接时(谐振单元1，2，3，6，7，8，9，10被激励)的吸收曲线，在频带13.08GHz到17.6GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，其相对带宽为29.4％，具有两个较高的吸收峰，分别位于14.81GHz和16.74GHz，其吸收率分别为99.8％和99.9％。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。

如图10所示，曲线一是谐振单元1，2，3，6，9，10被激励时的吸收曲线；曲线二则是改变“Y”型谐振单元和底层反射板的间距(谐振单元10的高度)时的吸收曲线。由图10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，在频带12.1GHz到17.58GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，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曲线发生移动，从而达到吸收峰覆盖整个Ku波段的目的，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实现动态的调控，并能够覆盖整个Ku波段。主要吸收都是由固态等离子构成的谐振单元和加载的电阻共同引起，可以在较小的物理尺寸下实现对电磁波的超宽带吸收，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。

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

1.一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，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，所述介质基板的内部和表面上分别设有固态等离子体谐振单元，所述位于介质基板表面的固态等离子体谐振单元呈三角环形，由等边三角环形固态等离子体谐振单元截成三部分构成，且三部分之间通过电阻连接；所述位于介质基板内部的固态等离子体谐振单元呈“Y”型，在三个端点处分别通过等离子体柱与位于介质基板表面的固态等离子体谐振单元的三个顶点连接；

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；

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所述的一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，其特征在于，所述等边三角环形固态等离子体谐振单元的边长为11.3mm，宽度为0.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，其特征在于，所述“Y”型固态等离子体谐振单元中各分支的边长均为6.1mm，宽度均为0.8mm。

4.根据权利要求1所述的一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，其特征在于，连接位于介质基板表面和内部的固态等离子体谐振单元的等离子体柱的高度均为2mm，半径为0.0428mm；连接位于介质基板内部的固态等离子体谐振单元和底层反射板的等离子体柱的高度为0.5mm，半径为0.0428mm。

5.根据权利要求1所述的一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，其特征在于，所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。

6.根据权利要求1所述的一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器，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。