CN111987400A - 一种光控吸波有源频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光控吸波有源频率选择表面，包括上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板、金属阵列贴片、光敏层和馈光层；金属阵列贴片设置在上层介质基底的上表面，包含若干个呈矩形周期排布的金属单元；光敏层设置在中层金属背板的下表面，包含若干和金属单元一一对应的光敏单元；馈光层设置在下层馈光板的上表面，用于根据外部电压的大小发出相应强度的白光照射光敏电阻的光敏面。本发明使用光控技术实现频率选择表面的有源控制功能，摈除了频率选择表面受PIN管、变容二极管等有源集总器件的限制，可以更好的操控电磁波，在电磁屏蔽和通信系统中的多功能设备等方面都有重要的应用前景。

Description

一种光控吸波有源频率选择表面

技术领域

本发明涉及电磁超材料技术领域，尤其涉及一种光控吸波有源频率选择表面。

背景技术

频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）是一种人工电磁材料，由按一定规律周期排布的弯折线或缝隙组成，具有空间滤波性，可以对特定频段的电磁波进行选择性传输或屏蔽，主要分为有源FSS 和无源FSS。

传统的无源FSS属于被动器件，加工之后其电磁性能就基本固定了，工作性能特性单一，无法主动改变自身频响特性以适应外部电磁环境的变化，具有很大的局限性。因此，有源频率选择表面（Active Frequency Selective Surface, AFSS）就应运而出，常见的有源频率选择表面主要为电可调型，其通过加载有源器件（如PIN管、变容二极管等）来实现可重构的电磁特性，极大的拓展了FSS的发展空间。然而在电可调的应用中，需要额外的设计金属馈线，增加了设计难度，并且可能会影响电磁性能。

光控有源频率选择表面（Optically Controlled Active Frequency SelectiveSurface）的实现主要包括使用光控材料和加载光控元件等方式。常使用的光敏半导体材料有硅、砷化镓等，目前关于这方面的报道比较少，而且文献均只报道了仿真情况，并没有给出实物，且将半导体材料作为介质衬底，若要实际加工，由于半导体晶圆的尺寸限制，所以这种方式很难实现，若使用切割硅片，则需要大量的激光器和光纤与之匹配，这就给馈光设计增加了复杂程度，并且带来了高昂的设计成本。对于加载光控元件的方式有两种，一种是使用光敏二极管、光伏电池等提供电压对电控元件进行电控，而这种方式对电控元件有限制，使用的范围有限，而另一种是将光敏电阻等直接加载到频率选择表面中，但是目前对这方面的研究几乎没有。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种光控吸波有源频率选择表面。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种光控吸波有源频率选择表面，包括上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板、金属阵列贴片、光敏层和馈光层；

所述上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板依次平行设置，相互之间留有空气层且通过若干尼龙柱固定；

所述金属阵列贴片设置在所述上层介质基底的上表面，包含若干个呈矩形周期排布的金属单元；

所述金属单元呈正方形、包含四块弯折线；所述弯折线为带缝隙的小型化曲折方环结构，四块弯折线分别位于金属单元的四个角，呈中心对称；

所述光敏层设置在所述中层金属背板的下表面，包含若干和所述金属单元一一对应的光敏单元；

所述光敏单元包含四只光敏电阻，四只光敏电阻一一对应设置在对应金属单元四个弯折线下方；

所述上层介质基底、中层金属背板上均设有供各个光敏电阻引脚穿过的通孔；

所述光敏电阻的光敏面朝下，两个引脚依次穿过中层金属背板、上层介质基底上其对应的通孔后和其对应弯折线的缝隙两端电气相连；

所述馈光层设置在下层馈光板的上表面，包含若干均匀分别的LED灯珠，接外部电压，用于根据外部电压的大小发出相应强度的白光照射光敏电阻的光敏面。

作为本发明一种光控吸波有源频率选择表面进一步的优化方案，所述上层介质基底采用Fr4环氧树脂高频微波板，厚度为1.6mm。

作为本发明一种光控吸波有源频率选择表面进一步的优化方案，所述光敏电阻采用型号为SG3506的直插式硫化镉光敏电阻，长3.3mm，宽3mm。

作为本发明一种光控吸波有源频率选择表面进一步的优化方案，所述弯折线采用35μm厚度的铜制成。

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. 首次将加工封装好的可见光波段光敏电阻器件直接加载于频率选择表面，通过光控技术实现对其吸波性能的改变，并加工OCAFSS实物，通过控制LED灯两端的工作电压改变光敏电阻阻值从而操控OCAFSS的不同状态实现吸波切换与吸波率可调的功能，验证了此类光敏电阻器件加载于频率选择表面的可行性。

2. 使用光敏电阻器件替代集总元件与电控元件，无需设计电控馈电线路；且将光敏电阻通过打孔连接于频选表面与金属背板的背面，减少了器件本身所带金属与其它材料对频选电磁性能带来的影响。

3. 本发明基于此光控频率选择表面所设计的LED馈光层可与整体结构固定在一起，不需要额外的辅助对光源进行固定与对准，且所使用的LED软灯条可自由裁剪与组装，价格便宜，使用方便。

附图说明

图1是光控吸波有源频率选择表面的结构示意图；

图2是光控吸波有源频率选择表面的侧视图；

图3（a）、图3（b）分别是本发明中金属单元、光敏单元的结构示意图；

图4是光控吸波有源频率选择表面的测试结果示意图。

图中，A1-金属阵列贴片，A2-上层介质基底，B1-金属背板，B2-光敏层，B3-光敏电阻引脚，C1-馈光层，C2-下层馈光板。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2所示，本发明公开了一种光控吸波有源频率选择表面，包括上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板、金属阵列贴片、光敏层和馈光层；所述上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板依次平行设置，相互之间留有空气层且通过若干尼龙柱固定；所述金属阵列贴片设置在所述上层介质基底的上表面，包含若干个呈矩形周期排布的金属单元；所述光敏层设置在所述中层金属背板的下表面，包含若干和所述金属单元一一对应的光敏单元；所述馈光层设置在下层馈光板的上表面。

如图3（a）所示，所述金属单元呈正方形、包含四块弯折线；所述弯折线为带缝隙的小型化曲折方环结构，四块弯折线分别位于金属单元的四个角，呈中心对称。

如图3（b）、图2所示，所述光敏单元包含四只光敏电阻，四只光敏电阻一一对应设置在对应金属单元四个弯折线下方；所述上层介质基底、中层金属背板上均设有供各个光敏电阻引脚穿过的通孔；所述光敏电阻的光敏面朝下，两个引脚依次穿过中层金属背板、上层介质基底上其对应的通孔后和其对应弯折线的缝隙两端电气相连。

所述馈光层设置在下层馈光板的上表面，包含若干均匀分别的LED灯珠，接外部电压，用于根据外部电压的大小发出相应强度的白光照射光敏电阻的光敏面。

所述介质基底采用Fr4环氧树脂高频微波板，厚度为1.6mm。

实际实施过程中，馈光层可以采用LED软条灯带裁剪并粘贴于下层馈光板来形成，将LED软条灯带裁剪裁减为三灯一组粘贴于下层馈光板，同时设置贴片电阻用来保护电路防止电流过大。

根据光控吸波有源频率选择表面具体的功能和工作频段，介质基底上方的金属阵列贴片可以设计成不同样式；光敏电阻的型号与尺寸可根据实际情况选择，这里采用型号为SG3506的直插式硫化镉光敏电阻，长3.3mm，宽3mm；上层介质基底的材料可选择聚四氟乙烯、环氧树脂等；弯折线的材料可选择导电性好、性质稳定的金属，如铜、银和金等；LED灯珠的型号与功率也可根据不同的需求进行选择。

在本实施例中，光控吸波有源频率选择表面工作在微波波段，介质基底采用Fr4环氧树脂高频微波板，厚度为1.6mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上制作15´15的金属周期阵列，总的尺寸为300´300 mm²，金属阵列贴片的结构材料、金属背板、金属线均采用35μm厚度的铜。

基于该光控吸波有源频率选择器件的加载，包含以下步骤：

分别在相应位置上对上层介质基底与中层基底进行打孔，且孔的大小需要刚好通过光敏电阻的引脚，金属背板上的通孔直径要略微大于引脚直径，防止引脚与金属背板相接触，引脚穿过通孔到达弯折线单元表面，通过焊锡进行相互连接。

LED灯珠被固定于下层馈光板，发出白光后直接照射于光敏电阻半导体光敏面，通过调控LED两端电压来改变LED发出的白光亮度，进而对整个结构的吸波频点进行切换与单个吸波频点处吸波率大小的调控。

吸波率上下可调与吸波频点切换的具体步骤如下：

步骤1：当LED光源发出的白光亮度较弱与较强的状态时，对应调节外部直流电源电压在0-5V与10-12V两个范围，此时光控吸波频率选择表面工作在第一个频点，通过控制LED两端的电压，能够分别连续改变该频点处吸波率值的大小。

步骤2：当LED光源发出的白光亮度为适中的状态时，对应调节外部直流电源电压范围在5-10V，此时光控吸波频率选择表面工作在第二个频点，通过控制LED两端的电压，能够连续改变该频点处吸波率值的大小。

图4给出了光控吸波有源频率选择表面分别在不同光照条件下的工作状态，为吸波率上下可调与吸波切换的功能。

当LED两端零电压，且无外界自然光，光敏电阻阻值较大时，光控吸波有源频率选择表面在第一个频点（850MHz左右）具有吸波效应；当LED两端电压值较大，光敏电阻阻值较小时，光控吸波有源频率选择表面在第一个频点（850MHz左右）同样也具有吸波效应；当LED两端电压取中间值时，光敏电阻阻值适中，此时光控吸波有源频率选择表面在第二个频点（1.6GHz附近）具有吸波效应；且在两个吸波频点附近，随着电压小范围调动，吸波率上下可调。

结果表明，通过独立LED控制光控吸波有源频率选择表面上的光敏电阻，能够实现吸波功能的切换与吸波率大小的调控。这体现了本发明提出的光控吸波有源频率选择表面具有功能多样性与状态可调性，也直接验证了通过加载光敏电阻的方式来实现光控的频率选择表面的可行性，且器件加载简单、成本低廉、馈光方便，通过对器件的改进，将在OCAFSS发展道路上有很大潜力。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光控吸波有源频率选择表面，其特征在于，包括上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板、金属阵列贴片、光敏层和馈光层；

所述上层介质基底、中层金属背板、下层馈光板依次平行设置，相互之间留有空气层且通过若干尼龙柱固定；

所述金属阵列贴片设置在所述上层介质基底的上表面，包含若干个呈矩形周期排布的金属单元；

所述金属单元呈正方形、包含四块弯折线；所述弯折线为带缝隙的小型化曲折方环结构，四块弯折线分别位于金属单元的四个角，呈中心对称；

所述光敏层设置在所述中层金属背板的下表面，包含若干和所述金属单元一一对应的光敏单元；

所述光敏单元包含四只光敏电阻，四只光敏电阻一一对应设置在对应金属单元四个弯折线下方；

所述上层介质基底、中层金属背板上均设有供各个光敏电阻引脚穿过的通孔；

所述光敏电阻的光敏面朝下，两个引脚依次穿过中层金属背板、上层介质基底上其对应的通孔后和其对应弯折线的缝隙两端电气相连；

所述馈光层设置在下层馈光板的上表面，包含若干均匀分别的LED灯珠，接外部电压，用于根据外部电压的大小发出相应强度的白光照射光敏电阻的光敏面。

2.根据权利要求1所述的光控吸波有源频率选择表面，其特征在于，所述上层介质基底采用Fr4环氧树脂高频微波板，厚度为1.6mm。

3.根据权利要求1所述的光控吸波有源频率选择表面，其特征在于，所述光敏电阻采用型号为SG3506的直插式硫化镉光敏电阻，长3.3mm，宽3mm。

4.根据权利要求1所述的光控吸波有源频率选择表面，其特征在于，所述弯折线采用35μm厚度的铜制成。

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