CN108682962B - 基于幅度可调谐的电控吸波超表面 - Google Patents

基于幅度可调谐的电控吸波超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于幅度可调谐的电控吸波超表面,包括阵列排布的电控吸波超表面单元，每个电控吸波超表面单元结构相同，包括电控带通FSS单元和Salisbury吸波屏，所述电控吸波超表面在两种不同的偏置电压作用下呈现完全反射和完全吸收两种不同状态，两种状态可分别用于“ON”和“OFF”；通过对不同的电控超表面加载特定的偏置电压，可使所构成的超表面具有特定的编码，从而实现对目标散射特性的动态调节。本发明具有设计过程简单、应用灵活简便、加工方便的优点，能够采用印刷电路技术进行批量生产。

Description

基于幅度可调谐的电控吸波超表面
技术领域
本发明涉及电控吸波超表面，具体涉及一种基于幅度可调谐的电控吸波超表面。
背景技术
在微波波段的电磁识别中，目标的电磁特征是由目标的电磁波散射、反射、绕射信号的综合体现，反映了目标的几何外形、材料组分、运动情况等特性，因此是L(1-2GHz)、S(2-4GHz)、C(4-8GHz)、X(8-12GHz)、Ka(12-18GHz)等各波段雷达用来探测、追踪、识别目标的重要依据。
为了对抗雷达识别，在微波波段获得优异的电磁隐身性能的重要技术途径之一即是：对目标电磁特征进行实时的动态调制，增加雷达的识别难度，实现主动式的电磁隐身和欺骗效果。传统方法设计的频段范围在高频，在低频时由于厚度限制，导致实际应用不多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、加工方便、性能优良的基于幅度可调谐的电控吸波超表面。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于幅度可调谐振的电控吸波超表面，包括阵列排布的电控吸波超表面单元，每个电控吸波超表面单元结构相同，包括电控带通FSS单元和Salisbury吸波屏，电控带通FSS单元由两个PIN二极管和平面金属结构组成，平面金属结构包括内圆环与外方环，内圆环和外方环之间设置有圆环型缝隙，PIN二极管连接内圆环与外方环；Salisbury吸波屏由电阻屏和介质层组成；电控带通FSS单元、电阻屏和介质层自上而下依次设置，三层中心位置贯穿有金属过孔，用于提供偏置电流；所述电控吸波超表面单元在两种不同的偏置电压作用下分别呈现全反射和全吸收的两种不同状态。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明可以在同一块电控吸波超表面上实现不同的编码组合，从而利用同一块电控吸波超表面实现对目标雷达散射截面的动态调控；(2)本发明设计的电控吸波超表面具有加工方便，易于实现，运用印刷电路技术进行批量生产。
附图说明
图1是20×20电控吸波超表面阵列模型示意图。
图2是电控吸波超表面单元结构示意图。
图3是电控吸波超表面单元结构立体图。
图4(a)和图4(b)分别是电控吸波超表面单元在PIN二极管呈现关断与导通两种状态对应的反射系数曲线图。
图5是封装PIN二极管在不同偏置下的等效电路模型图。
图6是3.5GHz时，对应于全ON状态时，电控吸波超表面阵列和相同大小金属仿真结果图。
图7是3.5GHz时，对应于全OFF状态时，电控吸波超表面阵列和相同大小金属仿真结果图。
图8是3.5GHz时，对应于一半ON状态一半OFF状态时，电控吸波超表面阵列和相同大小金属仿真结果图。
具体实施方式
结合图1，一种基于幅度可调谐的电控吸波超表面，该电控吸波超表面在两种不同的偏置电压作用下分别呈现全反射和全吸收的两种状态，这两种状态分别用“ON”和“OFF”来表示。通过对不同的电控吸波超表面加载特定的偏置电压，可以使得所构成的超表面阵列对目标雷达有效面积实现动态调控。
结合图2，图3，电控吸波超表面包括阵列排布的电控吸波超表面单元，每个电控吸波超表面单元结构相同，包括电控带通FSS单元和Salisbury吸波屏，电控带通FSS单元由两个PIN二极管和平面金属结构组成，平面金属结构包括内圆环与外方环，内圆环和外方环之间设置有圆环型缝隙，PIN二极管连接内圆环与外方环；Salisbury吸波屏由电阻屏和介质层组成；电控带通FSS单元、电阻屏和介质层自上而下依次设置，三层中心位置贯穿有金属过孔，用于提供偏置电流；所述电控吸波超表面单元在两种不同的偏置电压作用下分别呈现全反射和全吸收的两种不同状态。
所电控带通FSS单元的平面金属结构为介电常数4.3的FR4，厚度为2～3mm。电阻屏阻值为377Ω，厚度为0.1～0.7mm。所述介质层介电常数3.55的Rogers Ro4003C，厚度为1.5～3mm。所述平面金属结构周期为25mm，圆环外径为9.4mm，间隙为1mm。金属过孔半径为0.25mm。
可通过对不同的电控吸波超表面单元加载特定的偏置电压，使得电控吸波超表面阵列具有特定的排列顺序，实现对目标雷达散射截面的动态调控。
实施例
图1为20×20电控吸波超表面阵列结构示意图，每一个栅格由特殊设计的电控吸波超表面单元，该电控吸波超表面在不同的偏置电压下分别对应ON状态和OFF状态。
电控吸波超表面的单元结构如图2、图3所示。图2、图3展示了该电控吸波超表面的结构，平面金属结构被印制在FR4基片上，其间跨接了两个PIN偏置二极管，FR4基片背面为加载阻值为377Ω的电阻屏，下层为RO4003C基底，RO4003C的背面为金属，通过金属过孔与上层中心圆环相连，用于为PIN二极管提供偏置电压。上层介质层t1为介电常数4.3的FR4，厚度为2.5mm。中间层t2为阻值377Ω的电阻屏，厚度为0.5mm。下层介质层t3为介电常数3.55的Rogers Ro4003C，厚度为2mm。平面金属结构周期为25mm，圆环外径为9.4mm，间隙为1mm，金属过孔半径为0.25mm。
图4(a)、图4(b)是该电控吸波超表面的幅频曲线。当正向偏置电压为1.1V时，PIN二极管呈现导通状态，电控吸波超表面可用ON状态表示；当反向偏置电流为50nA时，PIN二极管呈关断状态，电控吸波超表面可用OFF状态表示。如图4(a)、图4(b)所示，在3.5GHz时，ON状态对应全反射，OFF状态对应全吸收。
图5给出了封装PIN二极管在不同偏置下的等效电路模型,(a)是PIN二极管呈现导通状态时的等效电路模型；(b)是PIN二极管呈现关断状态时的等效电路模型。
图6给出了3.5GHz时，电控吸波阵列的双站RCS仿真结果。对于全ON状态，入射电磁波被原路反射回去。图7给出了对于全OFF状态，入射电磁波能够完美的吸收。图8给出了对于一半OFF状态和一半ON状态，和相同大小金属板相比，其峰值RCS缩减了6dB。
由图6、图7和图8仿真结果展示了所设计的电控超表面阵列能够实现对目标散射截面的动态调控。

Claims (1)

1.一种基于幅度可调谐的电控吸波超表面，其特征在于，包括阵列排布的电控吸波超表面单元，每个电控吸波超表面单元结构相同，包括电控带通FSS单元和Salisbury吸波屏，电控带通FSS单元由两个PIN二极管和平面金属结构组成，平面金属结构包括内圆形与外方环，内圆形和外方环之间设置有圆环型缝隙，两个PIN二极管跨接在圆环型缝隙内，连接内圆形与外方环；Salisbury吸波屏由电阻屏和介质层组成；电控带通FSS单元、电阻屏和介质层自上而下依次设置，三层结构中心位置贯穿有金属过孔，用于提供偏置电流；所述电控吸波超表面单元在两种不同的偏置电压作用下分别呈现全反射和全吸收的两种不同状态；
平面金属结构被印制在FR4基片上，其间跨接了两个PIN偏置二极管，FR4基片背面为加载阻值为377Ω的电阻屏，下层为RO4003C基底，RO4003C的背面为底层金属，通过金属过孔与上层中心圆形相连，用于为PIN二极管提供偏置电压；上层介质层为介电常数4.3的FR4，厚度为2.5mm；中间层为阻值377Ω的电阻屏，厚度为0.5mm；下层介质层为介电常数3.55的Rogers Ro4003C，厚度为2mm；平面金属结构外方环尺寸为25mm，圆环型缝隙外径为9.4mm，间隙为1mm；金属过孔半径为0.25mm。
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