CN108493619B - 一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器 - Google Patents

一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，其结构包括反射板及其上方的介质基板，和介质基板上的固态等离子体谐振单元，固态等离子体谐振单元中加载了集总电阻。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。该编译器对于TE波和TM波都有很好的吸收，当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能实现对不同谐振单元的激励，还能实现此编译器对电磁波的超宽带吸收，进而实现编译器对空间波束的编译功能。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，并且通过激励不同的等离子体区域实现此编译器对空间波束的编译功能。

Description

一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器
技术领域
本发明涉及一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，属于无线电通信、微波器件技术领域。
背景技术
近年来，随着对超材料研究的不断深入，在实际应用领域取得了一定的成果，相对于经典的吸波材料而言，新型的吸波材料被广泛地运用到了民事及军事方面。民事方面，有电磁波辐射对人体的影响、飞机上电磁波的干扰、电子仪器的电磁泄露等，这些危害引起了人们的重视。军事方面，隐身技术一直是研究的重点，海陆军装备的隐身不仅防止其被检测，还提高了军队作战的效率超材料在军事领域方面也存在着极大的应用前景。但目前军事上应用的雷达多数是传统意义上的雷达，在其侦察信号的过程中因为其信号编码的固定性易于被敌方反侦察，而且易受外界因素的干扰，从而达不到所期望的侦察效果。一般传统意义上的超材料很难得到可调谐的有一定吸收带宽的吸收频谱，而且一般的超材料可以运用在军事隐身雷达等方面，但是并不能对发射和吸收的电磁波进行一定的编码，从而达不到有效传输数据的目的。但等离子体超材料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编码器和吸波器设计，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入射和发射电磁波的动态编码，对吸波器的工作状态和工作频率进行调节，达到有效传输数据和有效吸收电磁波的目的。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，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，达到超宽带吸收的效果，并以此来实现对入射和发射电磁波的动态编码，达到有效传输数据的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，包括由下而上依次层叠的反射板、介质基板及周期性结构单元，所述周期性结构单元沿正交方向分别对称分布，由加载集总电阻的谐振单元构成；所述谐振单元通过其连接的等离子激励源进行激励，实现对吸波器性能的动态调控；
所述谐振单元由八组谐振结构组合而成，第三、第七谐振结构与第四、第八谐振结构关于介质基板表面横向中心线对称分布，且第三、第七谐振结构与第四、第八谐振结构尺寸相同；第一、第五谐振结构与第二、第六谐振结构关于介质基板表面纵向中心线对称分布，且第一、第五谐振结构与第二、第六谐振结构尺寸相同；
所述编译器通过对TE和TM波的分时工作分为吸波器或反射器，并且可以分时对特定空间的电磁波的传播模式进行编码。
本发明进一步限定的技术方案是：所述第一、二、三、四谐振结构的组成相同，由两个数字“7”形贴片以二者之间加载的电阻为中心呈中心对称分布，包括一个梯形贴片和一个矩形贴片构成，所述梯形贴片与矩形贴片的连接处具有60°的夹角。
进一步的，所述各谐振结构中加载有阻值不同的电阻；第一、二谐振结构中加载了150Ω的电阻，第三、四谐振结构中加载了阻值为220Ω的电阻，第五、六谐振结构中加载了阻值为20Ω的电阻，第七、八谐振结构加载了阻值为500Ω的电阻。所述第五、六、七、八谐振结构的组成相同，由一个正三角形贴片和一个截断的“回”字形贴片构成，且正三角形贴片和截断的“回”字形贴片之间加载有电阻。
进一步的，所述各谐振结构分别连接一个等离子体激励源并通过其两端加载偏置电压进行激励；通过激励固态等离子体的PIN单元阵列实现。
进一步的，所述编译器通过动态的改变激励区域分为四种工作状态，
当处于状态一时，其结构单元包括反射板、介质基板、被激励的第一、二、五、六固态等离子体谐振结构及其加载的集总电阻；
当处于状态二时，其结构单元包括反射板、介质基板、被激励的第三、四、七、八固态等离子体谐振结构及其加载的集总电阻；
当处于状态三时，其结构单元包括反射板、介质基板、所有的固态等离子体谐振结构和所有的集总电阻；
当处于状态四时，其结构单元包括反射板及介质基板。
在激励不同固态等离子体区域时可以实现对空间波束的编译功能，所以这几种状态可以进行动态的编码，每一种状态代表不同的空间波束，且各种状态之间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转换，则固态等离子体具有快速重构性。所以此编译器可以通过对电磁波的吸收与反射来表示不同的空间波束，且主要是通过反射波来实现对空间波束的编码，进行波束的有效传输。
进一步的，所述反射板在不同频段所用材质不同；在微波频段，反射板采用完整金属反射板，在太赫兹及光波以上频段，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。
进一步的，所述介质基板可以为人工合成的具有特定特性的介质，包括通过溶液配比的方法得到的凝胶型柔性介质，与柔性基板相结合可以用于共形实现超宽频吸收。
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的多功能空间波束编译器，能够通过分时对激励固态等离子体谐振区域进行激励，实现空间反射的电磁波信号进行编译。
（2）本发明一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，通过加载集总电阻的方式，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覆盖整个S波段，并拓展至L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，并且通过激励不同的等离子体区域实现此编译器的编码和译码功能，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
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明的阵列（3´3）正视图。
图4为本发明的立体图。
图5为本发明不同谐振单元的激励控制图。
图6为本发明状态一正视图。
图7为本发明状态二正视图。
图8为本发明状态三正视图。
图9为本发明状态四正视图。
图10为本发明TE波下电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线。
图11为本发明TM波下电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线。
图12为本发明TE波下电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线。
图13为本发明TM波下电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线。
图14为本发明TE波下电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线。
图15为本发明TM波下电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线。
图16为本发明TE波和TM波下电磁波垂直入射时状态四的吸收曲线。
附图标记：17—介质基板，1、2、 3、4、5、6、7、8—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—固态等离子体激励源，9、10、11、12、13、14、15、16—电阻，27-固态等离子体区域，28-隔离区。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，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，介质基板是一种介电常数为3.2，损耗角正切为0的材料，其介质基板上设有固态等离子体谐振单元，固态等离子体谐振单元由八个谐振结构组合而成，上面两个谐振结构，即第三、第七谐振结构和下面两个谐振结构，即第四、第八谐振结构关于介质基板表面中间对称，且上面两个谐振结构和下面两个谐振结构的尺寸完全相同，左边两个谐振结构，即第一、第五谐振结构和右边两个谐振结构，即第二、第六谐振结构关于介质基板表面中间对称，且左边两个谐振结构和右边两个谐振结构的尺寸完全相同。谐振结构1由两个相互对称的数字“7”形的结构构成，数字“7”形结构由一个梯形结构和一个三角形结构构成，此梯形结构的高为b 1 =16.15mm，下底边长为f 1 =0.95mm，上底边长为a 1 =1.9mm，矩形结构的长为e 1 =7.6mm，宽为d 1 =1.9mm，其中上下两个结构之间的距离为c1=0.95mm，上下两个数字“7”形的结构之间加载了阻值为R 1 =150Ω的电阻。谐振结构5由一个正三角形和一个截断的“回”字形结构构成，此正三角形的边长为g 1 =4.75mm，截断“回”字形结构的长为i 1 =7.6mm，里外间距为j 1 =0.55mm，截断“回”字形结构的内角为60度，且正三角形结构和截断的“回”字形结构之间加载了阻值为R 3 =20Ω的电阻。第三谐振结构同样是由两个相互对称的数字“7”形的结构构成，此数字“7”形结构由一个梯形结构和一个三角形结构构成，此梯形结构的高为b=17.64mm，下底边长为f=0.98mm，上底边长为a=1.96mm，矩形结构的长为e=7.84mm，宽为d=1.96mm，其中上下两个结构之间的距离为c=0.98mm，上下两个数字“7”形的结构之间加载了阻值为R 2 =220Ω的电阻。第七谐振结构由一个正三角形和一个截断的“回”字形结构构成，此正三角形的边长为g=5.5mm，截断“回”字形结构的长为i=8.8mm，里外间距为j=0.55mm，截断“回”字形结构的内角为60度，且正三角形结构和截断的“回”字形结构之间加载了阻值为R 4 =500Ω的电阻。
等离子体谐振单元中加载了集总电阻，其中第一谐振结构和第二谐振结构直接通过阻值为150Ω的电阻连接，第三谐振结构和第四谐振结构之间通过阻值为220Ω的电阻连接，第五谐振结构5和第六谐振结构6之间通过阻值为20Ω的电阻连接，第七谐振结构7和第八谐振结构8之间通过阻值为500Ω的电阻连接。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覆盖整个S波段，并拓展至L波段，并且通过激励不同的等离子体区域可以实现此译码器的译码功能和极化转化功能。
本发明所述的吸波器由结构单元周期排列而成，具有以下四种工作状态：状态一其结构包括状态一其结构单元包括底层金属反射板18，介质基板17和被激励的第一、二、五、六固态等离子体谐振结构，以及集总电阻9，10，13，14；状态2其结构单元包括底层金属反射板18，介质基板17和被激励的第三、四、七、八固态等离子体谐振结构，以及集总电阻11，12，15，16；状态3其结构单元包括底层金属反射板18，介质基板17以及所有的固态等离子体谐振结构和所有的集总电阻；状态四其结构单元包括底层金属反射板18，介质基板17。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。
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´1014 rad/s，其碰撞频率为1.65´10131/S，如图4所示。
第一至第八谐振结构1、2、 3、4、5、6、7、8分别通过等离子体激励源19、20、21、22、23、24、25、26进行激励，如图5所示。
该发明一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器的产生方法，该多功能空间波束编译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之间连接的集总电阻9，10，13，14以及固态等离子体1，2，5，6同时被激励而引起的；状态2的吸收效果是由固态等离子体之间连接的集总电阻12，14，15，16以及固态等离子体3，4，7，8同时被激励而引起的；状态三吸收效果是由固态等离子体之间连接的集总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；状态四的吸收效果是由所有的固态等离子体以及电阻都不被激励时引起的。
表1 谐振结构参数
参数 <i>a</i> <i>b</i> <i>c</i> <i>d</i>
参数的值(mm) 1.96 17.64 0..98 1.96
参数 <i>e</i> <i>f</i> <i>g</i> <i>i</i>
参数的值(mm) 7.84 0.98 5.5 8.8
参数 <i>j</i> <i>p</i> <i>a</i><sub><i>1</i></sub> <i>b</i><sub><i>1</i></sub>
参数的值(mm) 0.55 1.52 1.9 16.15
参数 <i>c</i><sub><i>1</i></sub> <i>d</i><sub><i>1</i></sub> <i>e</i><sub><i>1</i></sub> <i>f</i><sub><i>1</i></sub>
参数的值(mm) 0.95 1.9 7.6 0.95
参数 <i>g</i><sub><i>1</i></sub> <i>i</i><sub><i>1</i></sub> <i>j</i><sub><i>1</i></sub> <i>p</i><sub><i>1</i></sub>
参数的值(mm) 4.75 7.6 0.55 1.52
参数 <i>h</i> <i>w</i> <i>l</i><sub><i>1</i></sub> <i>l</i><sub><i>2</i></sub>
参数的值(mm) 13.5 0.1 42 48
参数 <i>R</i><sub><i>1</i></sub> <i>R</i><sub><i>2</i></sub> <i>R</i><sub><i>3</i></sub> <i>R</i><sub><i>4</i></sub>
参数的值(Ω) 150 220 20 500
该编译器的反射板，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。
该编译器，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。
该发明一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译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。
该发明一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器在激励不同固态等离子体区域时可以实现对空间波束的编译功能。
一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，由八个谐振单元组成。
共有四种工作状态，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9，10，13，14和被激励的第一、二、五、六固态等离子体谐振结构1，2，5，6；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12，14，15，16以及被激励的第三、四、七、八固态等离子体谐振结构3，4，7，8；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结构；状态四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。
如图10图12图14所示是该编译器在激励不同等离子体区域时对TE波的吸收曲线，图11图13图15是该编译器在激励不同等离子体区域时对TM波的吸收曲线，此编译器对于电磁波的吸收时极化不敏感的。图10与图11是激励第一、二、五、六固态等离子体谐振结构1、2、5、6以及电阻13和14时得到的TE波的吸收曲线和TM波的吸收曲线。由图10所示，在频带1.7738GHz到4.0538GHz内的反射率低于-10dB，吸收率大于90%，此状态下该编译器在TE波下吸收率高于90%的带宽达到了2.28GHz，相对带宽达到了78.24%，由图11所示，在频带0GHz到4.7361GHz和频带4.7494GHz到5GHz内的吸收率低于10%，即只有在频带4.7361GHz到4.7494GHz内的吸收率高于10%，且最高的吸收频点4.7410GHz处的吸收率为17.56%。图12与图13是激励第三、四、七、八固态等离子体谐振结构3、4、7、8以及电阻11和12时得到的TE波的吸收曲线和TM波的吸收曲线。由图12所示，在频带0GHz到4.2526GHz和4.2740GHz到5GHz内的吸收率低于10%，即只有在频带4.2526GHz到4.2740GHz内的吸收率高于10%，且最高的吸收频点4.2571GHz处的吸收率为52.4%，由图13所示，在频带1.7325GHz到频带4.1305GHz内的反射率低于-10dB，吸收率大于90%，此状态下该编译器在TM波下吸收率高于90%的带宽达到了2.398GHz，相对带宽达到了81.8%。图14与图15时激励所有的固态等离子体谐振结构和所有的电阻时，所得到的在TE波和TM波的吸收曲线。由图14所示，在频带1.694GHz到频带3.9985GHz内的反射率低于-10dB，吸收率大于90%，由图15所示，在频带1.716GHz到频带4.0205GHz内的反射率低于-10dB，吸收率大于90%。由图14与图15可得，当所有的等离子体谐振结构都被激励时得到的TE波与TM波的吸收曲线其吸收率在90%以上的公共频带为1.716GHz到3.9985GHz，其频带宽度为2.2825GHz，其相当带宽达到了79.88%，达到了超宽带吸收。当所有的固态等离子体谐振结构都不激励时，在TE波与TM波下所得到的吸收率的总的图谱为图16，由图16可知，该编译器在此状态下TE波和TM波的吸收率均为0。
在状态一、二、三、四下在TE波和TM波下得到的吸收效果可以制成一种空间波束编译器，此编译器可以对空间传输的信号进行有效的编码和译码。由图10图11可知，当电磁波垂直入射时，TE波下有良好的吸收，TM波下有良好的反射，则此状态可以表示一种波束，编码表示为“01”。由图12图13可知，当电磁波垂直入射时，TE波下有良好的反射，TM波下有良好的吸收，则此状态可以表示一种波束，编码表示为“10”。由图14图15可知，当电磁波垂直入射时，TE波和TM波下都有良好的吸收，则此状态可以表示一种波束，编码表示为“00”。由图16可知，在此状态下，在TE波和TM波下都没有吸收，则此状态可以表示一种波束，编码表示为“11”。则此编译器可以用几种不同的状态来编码特定的空间波束，且这几种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，则此编译器对TE波吸收TM波反射代表一种波束（即状态一，“01”），对TE波反射TM波吸收代表一种波束（即状态二，“10”），对TE波和TM波都吸收代表一种波束（即状态三，“00”），对TE波和TM波都反射代表一种波束（即状态四，“11”），所以这几种状态可以进行动态的编码，每一种状态代表不同的空间波束，且各种状态之间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转换，则固态等离子体具有快速重构性。所以此编译器可以通过对电磁波的吸收与反射来表示不同的空间波束，且主要是通过反射波来实现对空间波束的编码，进行波束的有效传输。
在可以进行有效的编码的同时该发明还可以对空间的波束进行有效的译码，可以等价于收发双方共用一套密码进行信号波束的传送与接收。将不同状态代表的空间波束信号编译出来，达到接受信号的目的。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，包括由下而上依次层叠的反射板、介质基板及周期性结构单元，其特征在于：多个所述周期性结构单元沿正交方向分别对称分布，每个周期性结构单元由加载集总电阻的谐振单元构成；所述谐振单元通过其连接的等离子激励源进行激励，实现对吸波器性能的动态调控；
所述谐振单元由八组谐振结构组合而成，第三、第七谐振结构与第四、第八谐振结构关于介质基板表面中心点呈中心对称分布，且第三、第七谐振结构与第四、第八谐振结构尺寸相同；第一、第五谐振结构与第二、第六谐振结构关于介质基板表面中心点呈中心对称分布，且第一、第五谐振结构与第二、第六谐振结构尺寸相同；所述第一、二、三、四谐振结构的组成相同，由两个数字“7”形贴片以二者之间加载的电阻为中心呈中心对称分布，每个数字“7”形贴片由一个梯形贴片和一个矩形贴片构成，所述梯形贴片与矩形贴片的连接处具有60°的夹角，所述第五、六、七、八谐振结构的组成相同，由一个正三角形贴片和一个截断的“回”字形贴片构成，且正三角形贴片和截断的“回”字形贴片之间加载有电阻；
所述谐振结构由固态等离子体构成，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间具有隔离层进行隔离；
所述编译器通过对TE和TM波的分时工作分为吸波器或反射器，并且可以分时对特定空间的电磁波的传播模式进行编码。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，其特征在于：所述各谐振结构中加载有阻值不同的电阻；第一、二谐振结构中加载了150Ω的电阻，第三、四谐振结构中加载了阻值为220Ω的电阻，第五、六谐振结构中加载了阻值为20Ω的电阻，第七、八谐振结构加载了阻值为500Ω的电阻。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，其特征在于：所述各谐振结构分别连接一个等离子体激励源并通过其两端加载偏置电压进行激励；通过激励固态等离子体的PIN单元阵列实现。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，其特征在于：所述编译器通过动态的改变激励区域分为四种工作状态，
当处于状态一时，其结构单元包括反射板、介质基板、被激励的第一、二、五、六固态等离子体谐振结构及其加载的集总电阻；
当处于状态二时，其结构单元包括反射板、介质基板、被激励的第三、四、七、八固态等离子体谐振结构及其加载的集总电阻；
当处于状态三时，其结构单元包括反射板、介质基板、所有的固态等离子体谐振结构和所有的集总电阻；
当处于状态四时，其结构单元包括反射板及介质基板。
5.根据权利要求4所述的一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，其特征在于：在激励不同固态等离子体区域时可以实现对空间波束的编译功能，所述四种工作状态进行动态的编码，每一种状态代表不同的空间波束，且各种状态之间通过对激励控制模块中的可编程逻辑阵列进行编程实现转换，所述固态等离子体具有快速重构性；
所述编译器通过对电磁波的吸收与反射表示不同的空间波束，且通过反射波来实现对空间波束的编码，进行波束的有效传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的多功能空间波束编译器，其特征在于：所述反射板在不同频段所用材质不同；在微波频段，反射板采用完整金属反射板，在太赫兹及光波以上频段，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。
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