CN110137688B - 基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏，通过改变变容管的电容值来控制贴片之间的缝隙电容，从而使得周期单元有多个连续的频率点，且每相邻的两个频段的相位差满足143°~217°，因此实现上述周期结构在很宽的频段内对入射电磁波的吸收，实现宽带相位调制屏，相对带宽为45.2%。本发明采用的人工磁导体结构，结构简单，易于加工，且厚度小于工作波长的二十分之一，体积和成本大大降低。

Description

基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏
技术领域
本发明属于微波电路技术领域，尤其涉及一种基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏。
背景技术
雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是目标在雷达波的照射下产生的回波强度的一种物理量。雷达吸波材料(Radar Absorbing Material，RAM)应用的较为广泛。雷达吸波材料将电磁波能量转化为电能，从而减少能量的反射达到隐身的需求。相位调制屏和其他雷达吸波材料的工作原理不一样，可以将入射电磁波的能量进行频率偏移，使反射信号落在雷达接收机通带范围之外，从而降低反射率。传统的相位调制屏是由金属板，四分之一波长的介质隔层和周期贴片阵列组成，厚度较厚。
人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)作为一种超材料，其具有在特定频率范围内对平面波呈现同相反射的电磁特性，可以有效的解决厚度问题，成为新型的吸波材料。2007年，Paquay等人将AMC应用于减小目标RCS，将AMC与PEC以棋盘的形式分布，利用两者的反射相位差180°，使得电磁波在AMC和PEC的交界面实现等幅度的相互抵消，达到降低目标RCS的目的。有源器件的使用可以实现可重构相位调制屏，通过控制变容管的电容值，可以产生多个连续的同相反射点，从而改变了AMC的表面阻抗。利用变容管的可调性，实现人工磁导体在某个频点f的表面阻抗在R1→∞Ω和R2→0Ω之间切换，从而使得反射系数在ρ1→+1和ρ2→-1之间切换，因此，相位调制屏在一个周期T内的反射系数Γ为0，在该频点f处对电磁波实现完美的吸收。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏，可用于实现对入射电磁波的吸收。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种人工磁导体，由若干中心对称的人工磁导体单元二维周期排布组成；所述人工磁导体单元包括上层金属贴片、中间的介质基板、下层金属地面、变容管组和电容组；上层金属贴片由中心的方形金属贴片和第一方环金属贴片、第二方环金属贴片组成，印制在介质基板上方，底面设置金属地面；方形金属贴片与第一方环金属贴片之间由四个变容管相连接，两个方环金属贴片之间用四个电容连接，变容管和电容的两端有与其封装尺寸相同大小的金属贴片；中心的方形金属贴片通过单元中心位置处的金属化通孔，穿过介质基板与介质基板的下表面的金属地面连接，周期排布的人工磁导体的每个单元的中心方形金属贴片相连接；周期排布的人工磁导体的每个单元的第二方环金属贴片相连接。
进一步地，变容管组由第一变容管、第二变容管、第三变容管和第四变容管组成，分别焊接在方形金属贴片与第一方环金属贴片之间的右边、下边、左边、上边；电容组由第一电容、第二电容、第三电容和第四电容组成，分别焊接在第一方环金属贴片与第二方环金属贴片之间的右边、下边、左边、上边，且都位于介质基板的上面。
进一步地，方形金属贴片在人工磁导体单元垂直投影下的长度、第一方环金属贴片在人工磁导体单元的垂直投影下的长度、与第二方环金属贴片在人工磁导体单元的垂直投影下的长度、第一变容管、第三变容管的长度之和以及第一电容、第三电容的长度之和，等于人工磁导体单元的垂直投影长度。
进一步地，所述方形金属贴片周长为λeff/2，其中，λeff＝λ0/(εr+1)^0.5，λ0为自由空间的波长，εr为介质基板的相对介电常数，为2.2～10.2。
进一步地，所述介质基板的相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度为0.05*λg，其中，λg＝λ0/εr^0.5，λ0为自由空间的波长。
一种基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏，基于人工磁导体构建相位调制屏，控制人工磁导体上的变容管的电容，使得入射电磁波在不同的频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态，中心频率可以实现连续切换，实现宽带相位调制屏。
进一步地，通过控制变容管的电容来改变人工磁导体同相反射点的位置，使得周期单元有多个连续的频率点，且每相邻的两个频段的相位差满足143°～217°，实现对雷达隐身的效果。
有益效果：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)通过控制变容管的电容值，可以在多个连续频率实现同相反射，实现宽带相位调制屏，且频点可以自由切换，可以有效地控制每个频段，达到隐身效果，可调性强。
(2)采用介质基板的总厚度约为工作波长的二十分之一，与传统的相位调制屏相比，其厚度降低了80％。
附图说明
图1是本发明的包含若干人工磁导体单元的相位调制屏的周期结构示意图；
图2是人工磁导体单元的三维示意图；
图3是人工磁导体单元的侧视图；
图4是相位调制屏的工作原理示意图；
图5是相位调制屏在变容管处于不同电容值时反射系数的相位曲线图；
图6是相位调制屏在每个频段吸收值的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏由若干中心对称的频率可调的人工磁导体单元15以方型晶格的形式进行二维周期排布组成。如图2所示，人工磁导体单元15包括上层金属贴片、中间的介质基板、下层金属地面、变容管组和电容组。
上层金属贴片由中心的方形金属贴片1和第一方环金属贴片2、第二方环金属贴片3组成，并印制在介质基板13上方，底面设置金属地面14。方形金属贴片与方环金属贴片之间由四个变容管相连接，两个方环金属贴片之间用四个电容连接；变容管和电容的两端有与其封装尺寸相同大小的金属贴片。
变容管组由第一变容管9、第二变容管10、第三变容管11和第四变容管12组成，分别焊接在方形金属贴片1与第一方环金属贴片2之间的右边、下边、左边、上边；电容组分别由第一电容5、第二电容6、第三电容7和第四电容8组成，分别焊接在第一方环金属贴片2与第二方环金属贴片3之间的右边、下边、左边、上边，并且都位于介质基板13的上面。
中心的方形金属贴片1在人工磁导体单元15垂直投影下的长度、第一方环金属贴片2在人工磁导体单元15的垂直投影下的长度、与第二方环金属贴片3在人工磁导体单元15的垂直投影下的长度、变容管9、11的长度之和以及电容5、7的长度之和(包括预留的焊接长度)，等于人工磁导体单元15的垂直投影长度。
如图3所示，中心的方形金属贴片1通过单元中心位置处的金属化通孔4，穿过介质基板13与介质基板的下表面的金属地面14连接，使得周期排布的人工磁导体的每个单元的中心方形金属贴片相连接。金属化通孔4贯穿介质基板13，其半径为总厚度的三分之一。周期排布的人工磁导体的每个单元的第二方环金属贴片相连接。
为了方便馈电，在整个上表面的一圈加上第二方环金属贴片，外部第二方环金属贴片与内部的第一方环金属贴片之间加上电容的目的是增加缝隙电容，减小谐振频率。馈电方式为：正极是中间的方形金属贴片1，负极是第二方环金属贴片3。
中心方形金属贴片1，周长为λeff/2，其中，λeff＝λ0/(εr+1)^0.5，λ0为自由空间的波长。介质基板13，相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度为3mm，约0.05*λg，其中，λg＝λ0/εr^0.5，λ0为自由空间的波长，在计算介质波长时，选取的是第一个谐振点2.46GHz。
第一变容管9、第二变容管10、第三变容管11和第四变容管12的型号并不唯一，但是必须选用能够工作在所需射频频段以上的变容管。第一电容5、第二电容6、第三电容7和第四电容8的型号并不唯一，但是必须选用能够工作在所需射频频段以上的电容。
如图4所示，通过控制人工磁导体上的变容管的电容，使得入射电磁波在不同的频率处分别呈“反相反射”和“同相反射”两种状态，中心频率可以实现连续切换，实现宽带相位调制屏，相对带宽达到45％以上。
通过加入四个变容管，分别放置于方形金属贴片与方环金属贴片的连接处，改变变容管的电容可以改变缝隙之间电流的分布，进而实现多种工作模式。方形贴片与方环贴片之间的缝隙等效于电容，当改变变容管的电容，相当于是改变缝隙电容，可以构成多个连续的频率点，在宽的频率段可实现对入射波同相反射和反相反射的切换。
通过控制变容管的电容来改变人工磁导体同相反射点的位置，使得每每相连的两个频点的相位差在143°～217°之间，可以实现对雷达隐身的效果。
本发明的人工磁导体，可以构建相位调制屏，即通过改变变容管的电容值，实现连续的多个频段内对入射电磁波的吸收。
下面对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
以8*8单元为例，基于频率可调的人工磁导体单元15的人工磁导体的界面尺寸为150mm*150mm，总厚度为3mm，介质基板选用材料FR4，相对介电常数为4.4，金属地面14采用覆铜。
中心对称的方形金属贴片1采用方形贴片形状，其大小是边长为8.8mm的正方形；金属化通孔的半径为1mm；第一方环金属贴片2是由四个大小为1mm*13.8mm的矩形贴片组成；第二方环金属贴片3是由四个大小为0.25mm*18.55mm的矩形贴片组成；方形贴片与第一方环贴片之间的间隙为2mm；第一方环贴片与第二方环贴片之间的间隙为2mm；变容管的型号是SMV1231-079，尺寸为1.2mm*1.7mm；电容的大小是0.5pF，尺寸为0.5mm*1mm。
如图5所示，经数值计算，当变容管的反向偏置电压为0V左右时的电容为2.35pf，对应的中心频点为2.65GHz，当变容管的反向偏置电压为1V左右时的电容为1.56pf，对应的中心频点为2.46GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为2.48GHz-2.65GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为0.7V左右时的电容为1.67pf，对应的中心频点为2.61GHz，当变容管的反向偏置电压为2V左右时的电容为1.23pf，对应的中心频点为2.81GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为2.63GHz-2.81GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为1.4V左右时的电容为1.34pf，对应的中心频点为2.75GHz，当变容管的反向偏置电压为2.6V左右时的电容为1.01pf，对应的中心频点为2.96GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为2.76GHz-2.96GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为2.3V左右时的电容为1.12pf，对应的中心频点为2.88GHz，当变容管的反向偏置电压为3.5V左右时的电容为0.88pf，对应的中心频点为3.09GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为2.9GHz-3.1GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为3.3V左右时的电容为0.9pf，对应的中心频点为3.05GHz，当变容管的反向偏置电压为4.3V左右时的电容为0.75pf，对应的中心频点为3.32GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为3.09GHz-3.33GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为4.2V左右时的电容为0.77pf，对应的中心频点为3.28GHz，当变容管的反向偏置电压为5.5V左右时的电容为0.64pf，对应的中心频点为3.53GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为3.3GHz-3.53GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为5V左右时的电容为0.68pf，对应的中心频点为3.44GHz，当变容管的反向偏置电压为7.5V左右时的电容为0.55pf，对应的中心频点为3.71GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为3.46GHz-3.71GHz对入射波的吸收；当变容管的反向偏置电压为7V左右时的电容为0.57pf，对应的中心频点为3.67GHz，当变容管的反向偏置电压为15V时电容为0.46pf，对应的中心频点为3.93GHz，这两个频段的相位差满足上述条件，形成相位调制屏在频段为3.7GHz-3.93GHz对入射波的吸收。因此实现对入射波在2.48-3.93GHz频段处的吸收，相对带宽达45％。图中每一组实线和虚线构成满足上述相位差条件的两个频率，图中显示的灰色区域是两个频率点相交区域。此外，由于整体的厚度不到二十分之一波长，较传统的四分之一波长降低了80％，因此采用该技术方案十分有效。
如图6所示，经数值计算，上述的吸收率都达到90％以上，且每个频段都相互交叉，可以实现宽带相位调制屏。

Claims (7)

1.一种人工磁导体，其特征在于，由若干中心对称的人工磁导体单元(15)二维周期排布组成；所述人工磁导体单元(15)包括上层金属贴片、中间的介质基板、下层金属地面、变容管组和电容组；
上层金属贴片由中心的方形金属贴片(1)和第一方环金属贴片(2)、第二方环金属贴片(3)组成，印制在介质基板(13)上方，底面设置金属地面(14)；方形金属贴片与第一方环金属贴片之间由四个变容管相连接，两个方环金属贴片之间用四个电容连接，变容管和电容的两端有与其封装尺寸相同大小的金属贴片；
中心的方形金属贴片(1)通过单元中心位置处的金属化通孔(4)，穿过介质基板(13)与介质基板的下表面的金属地面(14)连接，周期排布的人工磁导体的每个单元的中心方形金属贴片(1)相连接；周期排布的人工磁导体的每个单元的第二方环金属贴片(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的人工磁导体，其特征在于，变容管组由第一变容管(9)、第二变容管(10)、第三变容管(11)和第四变容管(12)组成，分别焊接在方形金属贴片(1)与第一方环金属贴片(2)之间的右边、下边、左边、上边；电容组由第一电容(5)、第二电容(6)、第三电容(7)和第四电容(8)组成，分别焊接在第一方环金属贴片(2)与第二方环金属贴片(3)之间的右边、下边、左边、上边，且都位于介质基板(13)的上面。
3.根据权利要求2所述的人工磁导体，其特征在于，方形金属贴片(1)在人工磁导体单元(15)垂直投影下的长度、第一方环金属贴片(2)在人工磁导体单元(15)的垂直投影下的长度、与第二方环金属贴片(3)在人工磁导体单元(15)的垂直投影下的长度、第一变容管(9)、第三变容管(11)的长度之和以及第一电容(5)、第三电容(7)的长度之和，等于人工磁导体单元(15)的垂直投影长度。
4.根据权利要求1所述的人工磁导体，其特征在于，所述方形金属贴片(1)周长为λeff/2，其中，λeff＝λ0/(εr+1)^0.5，λ0为自由空间的波长，εr为介质基板的相对介电常数，为2.2～10.2。
5.根据权利要求1所述的人工磁导体，其特征在于，所述介质基板(13)的相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度为0.05*λg，其中，λg＝λ0/εr^0.5，λ0为自由空间的波长。
6.一种基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏，其特征在于，基于权利要求1-5任一所述的人工磁导体构建相位调制屏，控制人工磁导体上的变容管的电容，使得入射电磁波在不同的频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态，中心频率可以实现连续切换，实现宽带相位调制屏。
7.根据权利要求6所述的基于人工磁导体的可重构宽带相位调制屏，其特征在于，通过控制变容管的电容来改变人工磁导体同相反射点的位置，使得周期单元有多个连续的频率点，且每相邻的两个频段的相位差满足143°～217°，实现对雷达隐身的效果。
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