CN109088171B - 一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，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，谐振单元之间通过电阻连接，以及介质基板中插入的空气柱。该吸波器对于TE极化波和TM极化波都有很好的吸收效果，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，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多个波段，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。

Description

一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器

技术领域

本发明涉及一种超宽带吸波器，尤其是一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，属于无线电通信、微波器件技术领域。

背景技术

如今，电子设备所产生的电磁辐射充斥着周围的生活环境，给人们的生活造成电磁污染，在一定程度内危害人们的身体健康。吸波材料由于呈现低反射率的特性，可以有效的损耗进入其内部的电磁波，使得其在电磁防护与电磁屏蔽方面有着广阔的应用前景，常见的吸波材料有铁氧体吸波材料，磁性吸波材料，手性材料等。电磁超材料通常被定义为一种人造介质，具有自然界存在的物质所不具备的不同寻常的特性，它们由周期性亚波长金属元素阵列组成近年来，有关电磁超材料的研究引起了相当的关注，并开创了一个新的科学研究领域。而电磁超材料吸波器作为电磁超材料的一个重要研究领域，在能量采集、电磁隐身等物理、材料科学研究方面被广泛应用。目前有关吸波器的研究工作主要集中在多频带吸波、宽带吸波、极化不敏感、大角度入射、超薄结构设计等方面。对于单频点或者多频点的电磁超材料吸波器来说，吸收率可以达到很高，但是工作频带窄，容易产生频偏，在实际应用中极易受限，所以扩宽频带势必成为电磁超材料吸波器的研究趋势。而且常规吸波器最大的缺陷是很难得到可调谐的吸收频谱。等离子体超材料作为一种新型的超材料，由于等离子体本身的优良特性，逐渐走进人们的视野，我们可以人为的改变等离子体的激励状态，或者调整等离子体频率的大小，从而实现等离子体的动态调控。将等离子体超材料应用与吸波器的设计，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

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提成一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，通过加载集总电阻的方式，实现吸波器的超宽带吸收，并通过在介质基板中插入周期排列的空气的方式，进一步拓展吸波器的吸收带宽，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。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽吸波器，包括设置于底部的反射板及其上方的介质基板，所述介质基板内部插入周期性排列而成的空气柱，所述介质基板的上表面设有固态等离子体谐振单元；

所述固态等离子体谐振单元通过连接等离子体激励源进行激励，所述等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制。

本发明进一步限定的技术方案是：所述介质基板表面的固态等离子体谐振单元由四个分立的方形开口环组成，各所述方形开口环之间分别通过内外两组固态等离子体棒连接，且外部连接的固态等离子体棒均被截断，各所述方形开口环之间以及外部被截断的等离子体棒之间通过电阻连接。

所述方形开口环由置于外部的被截断的方形环及所述方形环内部的圆环组合而成，且所述方形开口环大小相等，且关于中心对称。所述方形环的边长为4.53 mm，宽度为0.2 mm，所述圆环的内径为1.7 mm，外径为2.1 mm。

进一步的，所述外部连接的被截断的固态等离子体棒的长度均为3.85 mm，内部连接的等离子体棒的长度均为2.85 mm。

进一步的，所述空气柱的半径为0.5 mm，各相邻空气柱的间距为4 mm。

进一步的，所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。

进一步的，所述固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现。

进一步的，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）本发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，通过加载集总电阻的方式，实现吸波器的超宽带吸收，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。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多个波段；

（2）本发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，通过在介质基板中插入周期排列的空气柱，使得该吸波器的吸收带宽分别向低频和高频吸收频域拓展；

（3）本发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，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；

（4）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

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的吸波器的电阻排列结构示意图。

图2为本发明的吸波器的结构示意图。

图3为本发明的空气柱的排列结构示意图。

图4为本发明的侧视图。

图5为本发明的吸波器的表面结构单元阵列（3´3）图。

图6为本发明的吸波器的空气柱周期阵列（3´3）图。

图7为本发明的吸波器不同谐振单元的激励控制图。

图8为本发明的吸波器电磁波垂直入射时未插入空气柱和插入空气柱的吸收曲线。

图9为本发明的吸波器电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线。

图10为本发明的吸波器电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线。

图11为本发明的吸波器电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线。

图12为一种多层结构的等离子体超材料可调谐超宽带吸波器电磁波垂直入射时内外等离子体棒间距不同的吸收曲线。

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

本发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，如图1至7所示，其结构由底层反射板、介质基板、空气柱、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，其介质基板的内部插入周期性排列的空气柱，介质基板的上表面设有固态等离子体谐振单元。介质表面的固态等离子体单元由四个分立的开口环组成，四个环分别通过固态等离子体棒连接，外部连接的四个固态等离子体棒均被截断，而且四个分立的开口环之间以及外部被截断的等离子体棒之间通过电阻连接。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，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S-PIN单元组成的阵列实现，固态等离子体构成的谐振单元通过激励S-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，实现吸波器的超宽带，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。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多个波段，并通过在介质基板中插入周期排列的空气柱，使得该吸波器的吸收带宽分别向低频和高频吸收频域拓展，所述的吸波器由结构单元周期排列而成。

下面通过具体实例对本发明的技术方案作进一步的阐述：

该发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的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17，介质基板16和被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、9、10、11、12；状态二其结构单元包括底层金属反射板17，介质基板16和被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、9、10、11、12；状态三其结构单元包括底层金属反射板17，介质基板16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，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´10¹³ 1/S。

谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12分别通过等离子体激励源18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29进行激励，如图7所示。

该发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器的产生方法，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谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体1、2、3、4、9、10、11、12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、4、5、6、9、10、11、12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，该吸波器状态三的吸收效果最佳。

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。

该发明一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器在能够实现超宽带吸收的同时，通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。

一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，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、空气柱、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、9、10、11、12；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、空气柱、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、9、10、11、12；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、空气柱、电阻以及被激励的所有固态等离子体谐振单元。

所述的超宽带吸波器中，介质基板上的固态等离子体单元由四个分立的开口环组成，分立的开口环由被截断的方形环和圆形环组合而成，方形环的边长为4.53 mm，宽度为0.2 mm，圆环的内径为1.7 mm，外径为2.1 mm。四个环分别通过固态等离子体棒连接，外部连接的四个固态等离子体棒均被截断，外部连接的被截断的固态等离子体棒的长度均为3.85 mm，内部连接的等离子体棒的长度均为2.85 mm。而且四个分立的开口环之间以及外部被截断的等离子体棒之间通过电阻连接。该吸波器的相关参数如表1所示。

表1 吸波器的相关参数

参数	<i>a</i>	<i>b</i>	<i>c</i>	<i>d</i>	<i>e</i>	<i>g</i>	<i>h</i>	<i>l</i>	<i>n</i>
										数值 (mm)	3.85	2.85	4.53	4	1.2	12.83	2.2	16	0.5
参数	<i>m</i>	<i>o</i>	<i>r</i>	<i>r</i><sub>1</sub>	<i>r</i><sub>2</sub>	<i>u</i>	<i>v</i>	<i>w</i>	<i></i>
										数值 (mm)	2.7	0.2	0.5	1.7	2.1	0.89	0.02	0.035
参数	<i>R</i><sub>1</sub>	<i>R</i><sub>2</sub>	<i>R</i><sub>3</sub>
										数值 (W)	300	1400	300

如图8所示，是该吸波器介质基板中未插入空气柱和插入空气柱时的吸收曲线，该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，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)。当介质基板中未插入空气柱时，其吸收曲线如图8中虚线所示，在频带11.94 GHz到19.4 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽达到47.6%，实现了超宽带吸收，而且具有两个较高的吸收峰，分别位于12.85 GHz和18.98GHz，其吸收率分别为93.88%和99.28%。当介质基板中插入空气柱时，其吸收曲线如图8中实线所示，在频带11.13 GHz到19.81 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽达到55.14%，而且具有三个较高的吸收峰，分别位于12.04 GHz，17.03GHz和19.4GHz，其吸收率分别为98.93%，99.77%和95.95%。显然，通过在介质基板中插入周期排列的空气柱，使得该吸波器的吸收频域分别向低频和高频吸收频域拓展，吸收带宽进一步展宽。

如图9、图10和图11所示，是该吸波器在三种状态工作时的吸收曲线，图9是谐振单元1、2、3、4、9、10、11、12被激励时的吸收曲线，在频带15.11-19.78 GHz和频带21.04-22.05GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，而且具有四个较高的吸收峰，分别位于15.64GHz，17.18 GHz、19.41 GHz和21.51 GHz，其吸收率分别为97.6%，99.98%，96.49%和96.37%。图10是谐振单元1、2、3、4、5、6、9、10、11、12被激励时的吸收曲线，在频带11.09-12.47 GHz，14.96-19.79 GHz和频带21.05-22 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，而且具有五个较高的吸收峰，分别位于11.79 GHz，15.54 GHz，17.13 GHz、19.42 GHz和21.46 GHz，其吸收率分别为96.89%，96.36%，99.93%，96.17%和95.29%。图11是所有谐振单元被激励时的吸收曲线，在频带11.13 GHz到19.81 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽达到55.14%，而且具有四个较高的吸收峰，分别位于12.04 GHz，15.42 GHz，17.03GHz和19.4GHz，其吸收率分别为98.93%，94.88%，99.77%和95.95%。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12所示，曲线一是所有谐振单元被激励时的吸收曲线；曲线二则是改变内外等离子体棒的间距时的吸收曲线。由图12可知，在修改后该吸波器的吸收特性有了明显的变化。在频带11.84GHz到19.76GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，而且具有四个较高的吸收峰，分别位于12.73 GHz，15.42 GHz，17.05GHz和19.08GHz，其吸收率分别为97.39%，96.2%，99.95%和97.87%。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多个波段的目的，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，并能够覆盖多个波段。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以及腔体谐振共同引起，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 (8)

1.一种基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽吸波器，包括设置于底部的反射板及其上方的介质基板，其特征在于：所述介质基板内部插入周期性排列而成的空气柱，所述介质基板的上表面设有固态等离子体谐振单元；所述固态等离子体谐振单元通过连接等离子体激励源进行激励，所述等离子体激励源 的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制；

所述介质基板表面的固态等离子体谐振单元由四个分立的呈方形开口环的固态等离子体 组成，各所述方形开口环之间分别通过内外两组固态等离子体棒连接，且外部连接的固态等离子体棒均被截断，各所述方形开口环之间以及外部被截断的等离子体棒之间通过电阻 连接。

2.根据权利要求1所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，其特征在于：所述方形开口环由置于外部的被截断的方形环及所述方形环内部的圆环组合而成，且所述方形开口环大小相等，且关于中心对称。

3.根据权利要求2所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，其特征在于：所述方形环的边长为4 .53 mm，宽度为0 .2 mm，所述圆环的内径为1 .7 mm，外径为2 .1mm。

4.根据权利要求2所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，其特征在于：所述外部连接的被截断的固态等离子体棒的长度均为3 .85 mm，内部连接的等离子体棒的长度均为2 .85 mm。

5.根据权利要求1所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，其特征在于：所述空气柱的半径为0 .5 mm，各相邻空气柱的间距为4 mm。

6.根据权利要求1所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，其特征在于：所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。

7.根据权利要求1所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，其特征在于：所述固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现。

8.根据权利要求1所述的基于腔体谐振和集总元件的带宽展宽的吸波器，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。

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