CN111755833A - 一种多频带有源超材料吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频带有源超材料吸波器，包括介质基板、印制在介质基板的顶面的超表面金属谐振阵列层、加载在超表面金属谐振阵列层上的变容二极管及印制在介质基板的背面的金属接地层，其特征在于：所述超表面金属谐振阵列层由沿介质基板的顶面的X轴方向和Y轴方向连续排列的多个单元结构组成，每个所述单元结构均包括一个金属圆片及均匀分布于金属圆片外圆周的外侧的四个三角形金属贴片，在每个所述单元结构中，每个所述三角形金属贴片与所述金属圆片之间均焊接有变容二极管。本发明的吸波器具有多个吸波频带，通过调节变容二极管的偏置电压可以进行连续调谐，调节吸波器的吸波性能。

Description

一种多频带有源超材料吸波器
技术领域
本发明涉及电磁波吸波技术领域，具体涉及一种多频带有源超材料吸波器。
背景技术
吸波材料是有效吸收投射到它表面的电磁波，显著降低目标回波强度的一类功能材料，传统吸波材料如铁氧体、金属微粉、碳化硅、导电纤维等存在厚、重、稳定性差等缺点，应用范围受到限制。新型超材料的出现，克服了衍射效应给传统吸波材料带来的厚度限制，具有厚度薄、质量轻、吸收强等优点。超材料是一种由亚波长微结构单元按照一定规律排列所构成的人工材料。可以通过调节结构单元的几何形状、尺寸和分布形式来调控材料的谐振特性。超材料可以呈现天然材料所不具备的超长物理性能，即负折射率、负磁导率、负介电常数等。因此，超材料吸波材料在雷达、电磁隐身等军事领域具有极大的应用价值。
目前，基于超材料的吸波材料发展迅速，一些极化不敏感、宽入射角、多频带、宽频带的吸波结构不断被提出，但这些超材料吸波器都是无源器件，其吸波功能单一，工作频率和吸波性能不可调节，在实际应用中受到很大的限制。
发明内容
本发明所要解决的是现有的超材料吸波器频率单一、吸波性能不可调节的问题，提供一种多频带有源超材料吸波器。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种多频带有源超材料吸波器，包括介质基板、印制在介质基板的顶面的超表面金属谐振阵列层、加载在超表面金属谐振阵列层上的变容二极管及印制在介质基板的背面的金属接地层，所述超表面金属谐振阵列层由沿介质基板的顶面的X轴方向和Y轴方向连续排列的多个单元结构组成，每个所述单元结构均包括一个金属圆片及均匀分布于金属圆片外圆周的外侧的四个三角形金属贴片，在每个所述单元结构中，每个所述三角形金属贴片与所述金属圆片之间均焊接有变容二极管。
在Y轴方向上，相邻两单元结构的金属圆片之间均连接有第一金属臂。
在每个所述单元结构中，在Y轴方向上，相邻两三角形金属贴片之间均连接有第二金属臂。
在每个所述单元结构中，四个所述三角形金属贴片的结构尺寸均相同。
所述介质基板为耐燃等级为FR-4的绝缘材料板，该板材的介电常数为4.3，损耗正切角为0.025。
所述介质基板的尺寸为16mm×16mm×1.5mm。
所述变容二极管为型号SMV2202-040LF的变容二极管。
所述超表面金属谐振阵列层为铜箔层，该铜箔层的厚度为0.035mm。
所述金属接地层为铜箔层。
本发明的有益效果是：本发明在不改变结构的情况下，通过改变施加在变容二极管的偏置电压V，即可使电磁波的频率吸波特性连续可调，改变其吸波性能；本发明有多个吸波频带，并且每个吸波频带都是可调的；本发明可在较宽的入射角范围内保持吸波性能；本发明基本结构简单，易于加工生产；本发明的超表面金属谐振阵列层加载了变容二极管，通过调节施加在变容二极管两端的电压大小，可以实现调谐，调节吸波性能，有效地解决了无源超材料吸波器一旦加工完成，其吸波特性就没法被改变的缺陷，本发明可适用于更加复杂的电磁环境。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的俯视原理结构图；
图3为单元结构的放大结构示意图；
图4为本发明的S11参数曲线图。
在图中：1-介质基板；2-超表面金属谐振阵列层；3-变容二极管；4-金属接地板；5-金属圆片；6-三角形金属贴片；7-第一金属臂；8-第二金属臂。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细描述。
如图1-图3所示，一种多频带有源超材料吸波器，包括介质基板1、印制在介质基板1的顶面的超表面金属谐振阵列层2、加载在超表面金属谐振阵列层2上的变容二极管3及印制在介质基板1的背面的金属接地层，超表面金属谐振阵列层2由沿介质基板1的顶面的X轴方向和Y轴方向连续排列的多个单元结构组成，每个单元结构均包括一个金属圆片5及均匀分布于金属圆片5外圆周的外侧的四个三角形金属贴片6，在每个单元结构中，每个三角形金属贴片6与金属圆片5之间均焊接有变容二极管3。
本发明采用金属-介质-金属三层结构，位于上层的超表面金属谐振阵列层2形成20×20结构的共振单元周期阵列，每两个周期阵列内的三角形金属贴片6排列起来合成一个正方形金属贴片，从而保证在周期阵列内每一行每一列都是由相同尺寸的金属圆片5和正方形金属贴片组成，相互之间干扰降低。
工作时，当电磁波进入本发明的吸波器时，会在超表面金属谐振阵列层2与金属接地层之间来回反射，其能量最终被带有损耗的介质基板1吸收掉，通过优选介质基板1的厚度可以使得吸波器有多个吸波频带，极大拓展了器件的吸波性能。
本发明的吸收率A的计算公式为A＝1-R-T，其中，R为反射率，T为透射率。为了使吸收率A最大化，故要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的吸波单元中，下层金属接地板4为全金属，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率A的计算公式可简化为A=1-R。
参见图3，在Y轴方向上，相邻两单元结构的金属圆片5之间均连接有第一金属臂7。,在每个单元结构中，在Y轴方向上，相邻两三角形金属贴片6之间均连接有第二金属臂8。在每个单元结构中，四个三角形金属贴片6的结构尺寸均相同。
本发明的吸波器工作在微波频段，介质基板1为耐燃等级为FR-4的绝缘材料板，介质基板1的厚度t=1.5mm，介电常数为4.3，损耗正切角为0.025。超表面金属谐振阵列层2为铜箔层，该铜箔层的厚度为0.035mm。金属接地层为铜箔层。金属谐振阵列采用20×20的周期结构，即采用20×20个单元结构组成。由图3可见，经优选数据，超表面金属单元具体参数如下：单元整体呈正方形，其边长P=16mm；中间金属圆片5的半径R=6mm；水平和垂直方向上的4个三角形贴片的边长L=6mm；金属圆片5垂直方向两端延伸的金属臂宽度为w2=0.2mm；垂直方向相邻两个三角形金属贴片6之间的金属臂宽度为w1=0.1mm。变容二极管3为型号SMV2202-040LF的变容二极管3。由图4可见，本发明提供的吸波器可以通过调节施加在变容二极管3两端电压的大小，实现对第一个吸波频点的调谐和对第二、第三个吸波频点吸波能力大小的调节。对第一个吸波频点频率可调范围为1.46-4.3GHz，吸收率为27.5%-99.6%；第二个吸波频点的吸波率调节范围为31%-83%；第三个吸波频点频率可调范围为10-11GHz，吸收率为94%-99.5%。
本发明设计的一种多频带有源超材料吸波器，具有周期性排列的结构单元，具有多个吸波频带，能够对入射的电磁波进行吸收。本有源超材料吸波器具有结构简单、厚度薄、易于加工、多频带等特点，并且能够调节谐振点和吸波性能。此外，基于人工电磁超表面制造出的吸波设备构造简单、体积小、厚度薄，在系统中更易于集成，在实际应用中的前景广阔。总之，本发明提供的吸波器具有很好的性能，产品容易加工，且价格便宜,在很大程度上能适应工程需求。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种多频带有源超材料吸波器，包括介质基板、印制在介质基板的顶面的超表面金属谐振阵列层、加载在超表面金属谐振阵列层上的变容二极管及印制在介质基板的背面的金属接地层，其特征在于：所述超表面金属谐振阵列层由沿介质基板的顶面的X轴方向和Y轴方向连续排列的多个单元结构组成，每个所述单元结构均包括一个金属圆片及均匀分布于金属圆片外圆周的外侧的四个三角形金属贴片，在每个所述单元结构中，每个所述三角形金属贴片与所述金属圆片之间均焊接有变容二极管。
2.根据权利要求1所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：在Y轴方向上，相邻两单元结构的金属圆片之间均连接有第一金属臂。
3.根据权利要求1所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：在每个所述单元结构中，在Y轴方向上，相邻两三角形金属贴片之间均连接有第二金属臂。
4.根据权利要求3所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：在每个所述单元结构中，四个所述三角形金属贴片的结构尺寸均相同。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：所述介质基板为耐燃等级为FR-4的绝缘材料板，该板材的介电常数为4.3，损耗正切角为0.025。
6.根据权利要求5所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：所述介质基板的尺寸为16mm×16mm×1.5mm。
7.根据权利要求5所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：所述变容二极管为型号SMV2202-040LF的变容二极管。
8.根据权利要求5所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：所述超表面金属谐振阵列层为铜箔层，该铜箔层的厚度为0.035mm。
9.根据权利要求5所述的一种多频带有源超材料吸波器，其特征在于：所述金属接地层为铜箔层。
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