CN109193173B - 一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件及方法，包括至少一个单元结构；单元结构包括：金属结构、介质基底、第一过孔、第二过孔、接地基板、变容二极管，第一过孔、第二过孔贯穿介质基底和接地基板，并且第一过孔、第二过孔的一端连接金属结构，变容二极管跨接在金属结构的对称金属结构之间。控制单元通过对单元结构提供反向偏置电压并调节变容二极管，以调控所述单元结构的相位响应分布。通过对亚波长单元偏置电压的施加来实现电磁状态的改变，调节超表面单元结构的独立相位，进而可任意改变入射场在超表面单元结构的反射相位，具有设计简单，易于加工，应用灵活等特点。

Description

一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件及方法

技术领域

本发明涉及微波段电磁领域，特别涉及一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件及方法。

背景技术

吸波材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的。高速趋势的新科技正引领着世界范围内的各行各类电气、电子设备向高频化、小型化方向趋势，高频电磁干扰技术必将越发突显，吸波材料必然有越来越广阔的应用空间。

本发明中的超材料(Metamaterials)是电磁学中人工电磁材料新兴的研究领域，通过对结构单元关键物理尺寸进行有序设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。超表面，作为超材料的一种二维平面形式，是一种基于相位突变和极化控制思想设计、由人工微结构单元构成的遵守广义斯涅耳折射及反射定律的二维新型人工结构表面材料。超表面厚度一般都小于工作波长，具有尺寸薄、加工精确、易于共形等性能，可对波的激发和传输，因此二维超表面材料，在实际应用中特别是大尺寸目标物体的应用中有着巨大的优势。为了改善吸波器件的性能，近些年来，国际上尝试采用超材料来实现对信号的完美吸收。通过设计调节超表面内部微小亚波长的单元尺寸结构获得独特的电磁响应组合，使得这种结构能够根据实际情况，对目标探测频段的电磁波进行可调的控制，达到主动吸波。然而这种微波吸波器件在设计完成后吸波频段和性能将不能改变，灵活性和实用性较差，需要新的微波吸波器件解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件，包括至少一个单元结构；

单元结构包括：金属结构、介质基底、第一过孔、第二过孔、接地基板，所述第一过孔、第二过孔贯穿所述介质基底和接地基板，并且所述第一过孔、第二过孔的一端连接所述金属结构。

优选地，单元结构还包括变容二极管，跨接在所述金属结构的对称金属结构之间。

优选地，还包括：控制单元，所述控制单元通过对所述单元结构提供反向偏置电压并调节所述变容二极管，以调控所述单元结构的相位响应分布。

优选地，接地基板位于所述介质基底的背面，所述接地基板除第一、第二过孔外其余部分覆盖金属结构，所述金属结构反射正面入射的电磁波。

优选地，第一过孔另一端连接电压控制电路，所述第二过孔另一端连接所述接地基板。

优选地，多个所述单元结构周期排布，组成所述微波段吸波器件。

优选地，通过对不同单元结构提供不同的反向偏置电压，调节所述变容二极管的电容，每个单元结构从而呈现出不同的电磁状态，对入射电磁波实现不同的相位控制，以调控反射波的反射方向和幅度，以减小正向反射波的强度，实现吸波功能。

优选地，相位控制的范围为-180°到180°。

本发明的优点在于：本发明采用相位可调的超表面，通过施加不同偏置电压改变电容值呈现不同电磁状态，具有很高的灵活性和实用价值。吸波材料大体可以分成涂层型、板材型和结构型，目前的吸波材料为保证吸波效果，吸波涂层一般较厚且不耐高温，会增加自重，影响性能，另一方面，吸波材料结构单一，性能不稳定。本发明基于相位可调超表面，控制单元对每个超表面结构单元提供反向偏置电压，调节变容二极管的电容，从而对入射电磁波实现不同的相位控制，调制反射波的反射方向，减小正向反射波的强度，实现吸波功能。相对于目前的吸波材料有几大明显的优势：一是设计简单，容易维护；二是性能稳定，灵活高效；三是结构简单，易于加工，使得吸波材料的性能有很大的进展。

附图说明

通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的吸波器件的超表面结构理论模型示意图；

附图2示出了根据本发明实施方式的吸波器件超表面的人工电磁结构单元的结构示意图；

附图3示出了根据本发明实施方式的吸波器件超表面单元结构在4.5GHz下的反射相位随可变电容的电容值变化的曲线；

附图4示出了根据本发明实施方式的随机表面的三维散射方向图及分别在xoz和yoz平面的二维散射方向图；

(a-c)为入射波垂直入射到与随机表面等大小的金属板上；

(d-f)为入射波垂直入射到相位被控制沿y方向线性变化的超表面上；

(g-i)为入射波垂直入射到相位被控制沿x方向线性变化的超表面上；

(j-l)为入射波垂直入射到随机相位超表面上。

其中，1表示超表面；2表示单元结构；3表示金属结构；4表示变容二极管；5表示第一过孔；6表示第二过孔；7表示接地基板；8表示介质基底。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供一种利用相位可调超表面实现的微波段吸波器件。这种吸波器件由超表面结构单元组成，可以通过对亚波长单元偏置电压的施加来实现电磁状态的改变，从而实现单元结构独立的相位可调，进而可任意改变入射场在超表面的反射相位，具有设计简单，易于加工，应用灵活等特点。

超表面是近些年来发展的新型领域，通常由周期排布的亚波长单元结构构成，通过对单元结构的设计，人们可以控制甚至设计电磁波的传播特性。本发明利用超表面的这一特殊性质，将它应用于吸波技术。本发明以超表面作为整个吸波器件的重要组成部分，通过设计可调的单元结构，并提供不同的电压来实现对反射波的相位控制，从而调制反射波方向，实现吸波功能，得到构造简单、易于实现、性能稳定、应用灵活的吸波器件。

相位可调超表面吸波器件是由周期排布的单元超表面结构和电压控制系统组成，每个单元结构集成了一个可变电容。由金属结构和介质基底组成的超表面本身具有一定的电容值，可调电容能够灵活改变单元结构整体的电容。通过对不同单元结构提供不同的反向偏置电压，单元结构整体的电容值随之改变，呈现出不同的电磁状态，对入射电磁波实现不同的相位控制，因此超表面能够调制入射波的辐射方向，灵活地实现吸波功能。

如图1所示，相位可调超表面吸波器件包括周期排布的超表面单元结构和控制单元。其中超表面1由周期排布的单元结构2组成，每个单元结构集成了一个可变电容，即变容二极管。当通过FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)对每个单元结构提供相应的电压时，可变电容具有不同的电容赋值，单元结构2从而呈现出不同的电磁状态，对入射波实现不同的相位控制，调制反射波的反射方向，减小正向反射波的强度，从而实现吸波功能。由于电压可以控制和设计，因此本发明基于相位可调超表面可以通过任意的相位控制对不同入射波灵活实现吸波功能。

如图2所示，单元结构2包括：金属结构3、介质基底8、第一过孔5、第二过孔6、接地基板7，所述第一过孔5、第二过孔6由所述介质基底8围成，一端连接所述金属结构3，另一端穿过所述接地基板7。单元结构2主要由金属结构3和介质基底8组成，在对称金属结构之间集成了一个变容二极管4。单元结构由介质中的第一过孔5、第二过孔6分别引出一条线，一端连接接地基板7，一端接电压控制电路。通过对单元结构2提供不同的偏置电压，变容二极管4具有不同的电容值，单元结构2也因此呈现出不同的电磁状态。周期排列的单元结构2组成相位可调超表面1。

具体的，单元结构2中的金属结构3为以预定间距对称设置的矩形贴片，变容二极管4连接在矩形贴片的中间位置，对称的矩形贴片沿在间隔方向分别延伸出多个支节，以在变容二极管两侧分别形成叉指结构。

微波段吸波器件还包括：控制单元(图中未示出)，所述控制单元通过对单元结构提供反向偏置电压并调节所述变容二极管，调控单元结构的相位响应分布。接地基板位于所述介质基底的背面，接地基板除过孔外其余部分覆盖金属结构，所述金属结构反射正面入射的电磁波。第一过孔、第二过孔的一端由所

述金属结构引出，所述第一过孔另一端连接电压控制电路，所述第二过孔另一端连接所述接地基板。

如图3所示，通过为单元结构2提供不同的偏置电压，变容二极管4的电容值发生改变，单元结构2呈现不同的电磁状态，对入射波进行不同的相位控制，而相位控制的范围可以覆盖从-180°到180°，即可以实现任意的相位控制。通过提供不同的电压，可以达到所需要的相位控制，对反射波实现所需要的调制，灵活高效实现吸波。

图4(a-c)入射波垂直入射到与随机表面等大小的金属板上时，随机表面的三维散射方向图及分别在xoz和yoz平面的二维散射方向。图4(d-f)入射波垂直入射到相位被控制沿y方向线性变化的超表面上时，随机表面的三维散射方向图及分别在xoz和yoz平面的二维散射方向。图4(g-i)入射波垂直入射到相位被控制沿x方向线性变化的超表面上时，随机表面的三维散射方向图及分别在xoz和yoz平面的二维散射方向图。图4(j-l)入射波垂直入射到随机相位超表面上时，随机表面的三维散射方向图及分别在xoz和yoz平面的二维散射方向。对比显示，本发明可以通过对反射波的相位控制，调制反射波散射方向，减小垂直方向上的反射强度，实现很好的吸波效果。

以上，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件，其特征在于，包括至少一个单元结构；

所述单元结构包括：金属结构、介质基底、第一过孔、第二过孔、接地基板，所述第一过孔、第二过孔贯穿所述介质基底和接地基板，并且所述第一过孔、第二过孔的一端连接所述金属结构；每个单元结构集成了一个可变电容，当通过FPGA对不同单元结构提供不同的反向偏置电压时，可变电容具有不同的电容赋值，所述单元结构从而呈现出不同的电磁状态，所述可变电容为变容二极管，跨接在所述金属结构的对称金属结构之间；还包括：控制单元，所述控制单元通过对所述单元结构提供反向偏置电压并调节所述变容二极管，以调控所述单元结构的相位响应分布；

其中，所述金属结构为以预定间距对称设置的矩形贴片，所述变容二极管连接在矩形贴片的中间位置，对称的矩形贴片沿在间隔方向分别延伸出多个支节，以在变容二极管两侧分别形成叉指结构。

2.如权利要求1所述的微波段吸波器件，其特征在于，所述接地基板位于所述介质基底的背面，所述接地基板除第一、第二过孔外其余部分覆盖金属结构，所述金属结构反射正面入射的电磁波。

3.如权利要求1所述的微波段吸波器件，其特征在于，所述第一过孔另一端连接电压控制电路，所述第二过孔另一端连接所述接地基板。

4.如权利要求1所述的微波段吸波器件，其特征在于，多个所述单元结构周期排布，组成所述微波段吸波器件。

5.如权利要求1-4任一项所述的微波段吸波器件的吸波方法，其特征在于，

通过对不同单元结构提供不同的反向偏置电压，调节所述变容二极管的电容，每个单元结构从而呈现出不同的电磁状态，对入射电磁波实现不同的相位控制，以调控反射波的反射方向和幅度，以减小正向反射波的强度，实现吸波功能。

6.如权利要求5所述的微波段吸波器件的吸波方法，其特征在于，所述相位控制的范围为-180°到180°。

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