CN109004370B - 一种三频段可开关超材料吸波器/反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波吸波材料领域。一种三频段可开关超材料吸波器/反射器，由超材料单元晶包连续周期性排列而成，每个超材料单元晶包包括金属底板层、介质基板层、金属图案层，金属图案层由开口风车结构和开口方形环结构以及从单元晶包四角处向内沿45度角延伸与开口环结构各边相互垂直的开口金属线构成。本发明通过精心设计谐振单元结构和馈电网络，控制不同位置处二极管的状态能够在一定微波范围内实现七种吸收效果和一种全反射效果。
Description
技术领域
本发明涉及微波吸波材料领域。
背景技术
随着无线通信的发展以及电子产品的更新换代，电磁波污染以及干扰问题越来越严重。比如，无线电广播通讯、通信雷达及导航发射设备通信等都能够制造电磁污染和干扰，从而影响无线通信的质量、飞机的导航和各种精密电子设备的正常工作等问题。因此，吸波材料的研制，尤其是研制可选择性地吸收某个或者多个频段的电磁波尤为必要。
可开关吸波超材料是一种能将入射在其表面的电磁波能量有选择地吸收的材料，其工作原理是通过将有源开关元器件和无源吸波超材料相结合并通过合理设计偏置网络来控制开关元器件的状态来实现谐振频率之间的切换，从而实现对入射电磁波的选择性吸收。
目前的可开关超材料吸波器/反射器主要有两类，一种是基于插入二极管的单个谐振器构成的单频段可开关超材料吸波器/反射器，通过偏置电压控制二极管的导通和截止控制单频段吸收峰的开关，可应用于吸收或反射某单频段处的电磁波；另一种是将两种不同的插入二极管的谐振器组合在一起形成一个单元晶包所构成的双频段可开关超材料吸波器/反射器，通过偏置电压控制二极管的状态实现一种双频、两种单频吸波器和反射器等四种效果之间的切换，这类吸波器/反射器可应用于双频段和单频段领域。值得一提的是，实现这两类吸波器/反射器的关键是通过偏置网络控制二极管的状态，目前现有的馈电网络只适用于单频段和双频段可开关超材料吸收器，无法应用到需要吸收超过两个频段以上的电磁波的领域。基于馈电网络的复杂性，如何实现两个频段以上吸收峰非常重要，设计单元结构简单，馈电网络合理的可开关多频段吸波器/反射器尤为迫切。本发明设计了一种结构简单的谐振单元和巧妙的馈电网络，通过控制不同位置处二极管的状态能够实现具有七种吸收效果和一种全反射效果的三频段可开关超材料吸收器/反射器，极大拓宽了可开关超材料吸收器的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何制作超过两个频段以上的可开关超材料吸波器/反射器。
本发明所采用的技术方案是：一种三频段可开关超材料吸波器/反射器，由超材料单元晶包连续周期性排列而成，每个超材料单元晶包包括金属底板层（12）、介质基板层（13）、金属图案层（15），金属图案层（15）由开口风车结构（1）和开口方形环结构（3）以及从单元晶包四角处向内沿45度角延伸与开口环结构各边相互垂直的开口金属线构成，在金属图案层（15）完整结构图中，从单元晶包四角处向内沿45度角延伸与开口环结构各边相互垂直的开口金属线处于中间的部分构成多个开口直十字结构（2），每个开口直十字结构（2）处于一个开口方形环结构（3）内部，每个开口风车结构（1）处于一个开口方形环结构（3）内部，开口方形环结构（3）为一个四条金属带组成正方形结构，每个开口方形环结构（3）的每条边的中部断开并通过一个硅二极管（16）连接，开口风车结构（1）为一个风车状的金属带结构，每个开口风车结构（1）的顶部都断开并通过一个硅二极管（16）连接，开口直十字结构（2）由两条交叉的金属带组成，每个开口直十字结构（2）的顶部都断开并通过一个硅二极管（16）连接，开口风车结构（1）的顶部和开口直十字结构（2）的顶部都通过金属条（14）连接金属底板层（12）。开口方形环结构（3）的金属带通过带电感（5）的第一馈线（9）连接上偏置线（6）和下偏置线（8），开口直十字结构（2）的金属带通过第二馈线（10）连接左偏置线（4），开口风车结构（1）的金属带通过第三馈线（11）连接右偏置线（7），开口直十字结构（2）开口直十字中部采用带绝缘皮的铜线作为第二馈线（10）通过中心孔与其相邻开口直十字结构（2）开口直十字中部相连接，开口风车结构（1）中部采用带绝缘皮的铜线作为第三馈线（11）通过中心孔与其相邻开口风车结构（1）中部相连接。
作为一种优选方式：金属图案层（15）的材料为铜，金属底板层（12）的材料为铜，介质基板层（13）材料为FR-4，金属图案层（15）和金属底板层（12）的厚度都为0.035mm，每个硅二极管（16）焊接处的开口的长度都为1.6mm~1.8mm，开口直十字结构（2）金属带宽为1.3mm~1.5mm，开口风车结构（1）金属带宽为1.5mm~1.7mm，开口方形环结构（3）金属带宽为0.4mm~0.6mm。
作为一种优选方式：硅二极管（16）为BAP70-03硅二极管。
本发明的有益效果是：本发明通过精心设计谐振单元结构和馈电网络，控制不同位置处二极管的状态能够在一定微波范围内实现七种吸收效果和一种全反射效果。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明超材料单元晶包立体结构示意图；
图3是本发明超材料单元晶包金属图案层示意图；
图4为本发明实施例中硅二极管D1、D2、D3均处于断开状态时的吸收效果图；
图5为本发明实施例中硅二极管D1处于导通状态，而D2、D3均处于断开状态时的吸收效果图；
图6为本发明实施例中硅二极管D2处于导通状态，而D1、D3均处于断开状态时的吸收效果图；
图7为本发明实施例中硅二极管D3处于导通状态，而D1、D2均处于断开状态时的吸收效果图；
图8为本发明实施例中硅二极管D1、D2处于导通状态，而D3均处于断开状态时的吸收效果图；
图9为本发明实施例中硅二极管D1、D3处于导通状态，而D2均处于断开状态时的吸收效果图；
图10为本发明实施例中硅二极管D2、D3处于导通状态，而D1均处于断开状态时的吸收效果图；
图11为本发明实施例中硅二极管D1、D2、D3均处于导通状态时的吸收效果图；
其中，1、开口风车结构，2、开口直十字结构，3、开口方形环结构，4、左偏置线，5、电感，6、上偏置线，7、右偏置线，8、下偏置线，9、第一馈线，10、第二馈线，11、第三馈线，12、金属底板层，13、介质基板层，14、金属条，15、金属图案层，16、硅二极管。
具体实施方式
采用电路板刻蚀技术，在厚度为1.6mm的FR-4双面覆铜板的正面刻蚀周期排列的开口直十字结构2、开口风车结构1、开口方形环结构3，开口直十字结构2、开口风车结构1的顶部有断开，开口方形环结构3的边中部有断开，如图1-图3所示，在开口直十字结构2、开口风车结构1的断开顶部打孔，孔径直径为0.6mm，穿入金属条连接到底部金属板12，其中开口直十字结构2的尺寸为b1=9.8mm，d1=7.3mm，线宽为1.4mm；开口风车结构1的尺寸为R=3.5mm，h=0.4mm线宽为1.6mm；开口方形环结构3的尺寸为b2=21.21mm，线宽为0.5mm；单元晶包边长为30mm。上、下偏置线（6，8）控制开口方形环结构3中的硅二极管D1并使用合适大小的电感器将偏置线和单元晶包隔离，左偏置线4控制开口直十字结构2中的硅二极管D2，右偏置线7控制开口风车结构1中的二极管D3，其中，开口直十字结构2开口直十字中部采用带绝缘皮的铜线作为第二馈线10通过中心孔与其相邻开口直十字结构2开口直十字中部相连接，开口风车结构1中部采用带绝缘皮的铜线作为第三馈线11通过中心孔与其相邻开口风车结构1中部相连接，开口直十字结构2、开口风车结构1的顶部通过金属条14与底部金属板12相连接。采用CST 2015仿真软件对本实施例进行模拟仿真，沿着X轴和Y轴设置为unitcell边界，沿着Y轴设置为open space边界，其中电场沿着Y轴极化并且电磁波沿着Z轴垂直入射到该结构表面。当开口方形环、开口直十字、开口风车结构中的二极管D1、D2、D3均处于断开状态时，模拟的吸收曲线如图4所示。从图4中可以看出，分别在3.05GHz、4.44GHz、5.54GHz三个频率处具有完美吸收效果，相应吸收率分别为98.8%、97.5%、99.1%。
当开口直十字、开口风车结构中的二极管D2、D3均处于断开状态、开口方形环结构中的二极管D1处于导通状态时，模拟的吸收曲线如图5所示。从图5中可以看出，在3.05GHz处的完美吸收被关闭、而在4.44GHz、5.54GHz频率处仍具有完美吸收效果并且基本不发生偏移，相应吸收率分别为98.2%、99.2%。
当开口直十字结构中的二极管D2处于导通状态，而开口方形环、开口风车结构中的二极管D1、D3均处于断开状态时，模拟的吸收曲线如图6所示。从图6中可以看出，在4.44GHz处的完美吸收被关闭、而在3.05GHz、5.54GHz频率处仍具有完美吸收效果并且基本不发生偏移，相应吸收率分别为99.4%、99.0%。
当开口风车结构中的二极管D3处于导通状态，而开口方形环、开口直十字结构中的二极管D1、D2均处于断开状态时，模拟的吸收曲线如图7所示。从图7中可以看出，在5.54GHz处的完美吸收被关闭、而在3.05GHz、4.44GHz频率处仍具有完美吸收效果并且基本不发生偏移，相应吸收率分别为98.8%、97.6%。
当开口方形环、开口直十字结构中的二极管D1、D2均处于导通状态，而开口风车结构中的二极管D3处于断开状态时，模拟的吸收曲线如图8所示。从图8中可以看出，在3.05GHz、4.44GHz处的完美吸收被关闭、而5.54GHz在频率处仍具有完美吸收效果并且基本不发生偏移，相应吸收率为99.0%。
当开口方形环、开口风车结构中的二极管D1、D3均处于导通状态，而开口直十字结构中的二极管D2处于断开状态时，模拟的吸收曲线如图9所示。从图9中可以看出，在3.05GHz、5.54GHz处的完美吸收被关闭、而4.44GHz在频率处仍具有完美吸收效果并且基本不发生偏移，相应吸收率为98.4%。
当开口直十字、开口风车结构中的二极管D2、D3均处于导通状态，而开口方形环结构中的二极管D1处于断开状态时，模拟的吸收曲线如图10所示。从图10中可以看出，在4.44GHz、5.54GHz处的完美吸收被关闭、而3.05GHz在频率处仍具有完美吸收效果并且基本不发生偏移，相应吸收率为99.5%。
当开口方形环、开口直十字、开口风车结构中的二极管D1、D2、D3均处于导通状态时，模拟的吸收曲线如图11所示。从图11中可以看出，在3.05GHz、4.44GHz、5.54GHz处的完美吸收均被关闭，此时本发明呈现为一个完美反射器。
Claims (3)
1.一种三频段可开关超材料吸波器/反射器，其特征在于：由超材料单元晶包连续周期性排列而成，每个超材料单元晶包包括金属底板层（12）、介质基板层（13）、金属图案层（15），金属图案层（15）由开口风车结构（1）和开口方形环结构（3）以及从单元晶包四角处向内沿45度角延伸与开口环结构各边相互垂直的开口金属线构成，在金属图案层（15）完整结构图中，从单元晶包四角处向内沿45度角延伸与开口环结构各边相互垂直的开口金属线处于中间的部分构成多个开口直十字结构（2），每个开口直十字结构（2）处于一个开口方形环结构（3）内部，每个开口风车结构（1）处于一个开口方形环结构（3）内部，开口方形环结构（3）为一个四条金属带组成正方形结构，每个开口方形环结构（3）的每条边的中部断开并通过一个硅二极管（16）连接，开口风车结构（1）为一个风车状的金属带结构，每个开口风车结构（1）的顶部都断开并通过一个硅二极管（16）连接，开口直十字结构（2）由两条交叉的金属带组成，每个开口直十字结构（2）的顶部都断开并通过一个硅二极管（16）连接，开口风车结构（1）的顶部和开口直十字结构（2）的顶部都通过金属条（14）连接金属底板层（12），开口方形环结构（3）的金属带通过带电感（5）的第一馈线（9）连接上偏置线（6）和下偏置线（8），开口直十字结构（2）的金属带通过第二馈线（10）连接左偏置线（4），开口风车结构（1）的金属带通过第三馈线（11）连接右偏置线（7），开口直十字结构（2）开口直十字中部采用带绝缘皮的铜线作为第二馈线（10）通过中心孔与其相邻开口直十字结构（2）开口直十字中部相连接，开口风车结构（1）中部采用带绝缘皮的铜线作为第三馈线（11）通过中心孔与其相邻开口风车结构（1）中部相连接。
2.根据权利要求1所述的一种三频段可开关超材料吸波器/反射器，其特征在于：金属图案层（15）的材料为铜，金属底板层（12）的材料为铜，介质基板层（13）材料为FR-4，金属图案层（15）和金属底板层（12）的厚度都为0.035mm，每个硅二极管（16）焊接处的开口的长度都为1.6mm~1.8mm，开口直十字结构（2）金属带宽为1.3mm~1.5mm，开口风车结构（1）金属带宽为1.5mm~1.7mm，开口方形环结构（3）金属带宽为0.4mm~0.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种三频段可开关超材料吸波器/反射器，其特征在于：硅二极管（16 ）为BAP70-03硅二极管。
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Granted publication date: 20200811 |