CN113224542B - 一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器，包括多个呈周期性排布的超单元，每个超单元包括四个基本单元，四个基本单元以2×2矩阵形式排列，同一水平方向的2个基本单元为90°旋转关系，中心对称的2个基本单元完全相同，相邻2个基本单元通过贴片电感连接，所述基本单元包括顶层有源频率选择表面和底层金属地，所述顶层有源频率选择表面和底层金属地之间设有一层空气匹配层。本发明具有多功能、双极化和宽频带等特点，在智能隐身系统等重要领域有广阔的应用前景。

Description

一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器
技术领域
本发明属于电磁超材料技术领域，具体为一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器。
背景技术
微波吸波器因其在反雷达伪装应用中的重要作用，得到了相当广泛的研究。传统的Salisbury屏通过在金属地上方四分之一波长处放置阻性面，能够在较窄的频带范围内吸收电磁波，Jaumann吸波器通过级联多层阻性面，能够增大吸波带宽，但是结构的剖面厚度也会相应增大。
基于频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)来设计吸波器，不仅能有效缩减剖面厚度，还能有效提高吸波性能。进一步，基于有源频率选择表面(ActiveFrequency Selective Surface,AFSS)来设计吸波器，还能够实现具有可重构特性的有源吸波器。
目前，已经有很多有源吸波/反射器的研究见诸报道，但是绝大多数设计存在电磁功能单一、可切换带宽窄和极化特性敏感等主要问题。因此，有必要研究双极化宽带多功能有源吸波/反射器，为用于反雷达伪装中的智能隐身系统提供重要的技术支持，具有重大的研究价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器，能有效解决现有有源吸波/反射器电磁功能单一、可切换带宽窄和极化特性敏感的问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器，包括多个呈周期性排布的超单元，每个超单元包括四个基本单元，四个基本单元以2×2矩阵形式排列，同一水平方向的2个基本单元为90°旋转关系，中心对称的2个基本单元完全相同，相邻2个基本单元通过贴片电感连接，所述基本单元包括顶层有源频率选择表面和底层金属地，所述顶层有源频率选择表面和底层金属地之间设有一层空气匹配层。
优选地，所述顶层有源频率选择表面包括介质基底、金属结构，所述金属结构包括准十字形金属结构和四个矩形金属结构，所述准十字形金属结构设置在介质基底下层中心，所述四个矩形金属结构中心对称设置在准十字形金属结构的四端，所述准十字形金属结构的四端均分别通过一个PIN二极管和一个贴片电阻与矩形金属结构连接，且每端的PIN二极管和贴片电阻并联在一起。
优选地，所述准十字形金属结构包括水平金属条带结构和垂直金属条带结构，所述垂直金属条带结构和水平金属条带结构通过一对金属化通孔和设置在介质基底上层的金属贴片结构进行几何分离。
优选地，所述垂直金属条带结构将水平金属条带结构分割为对称的两段，设置在介质基底上层的金属贴片结构通过金属化通孔与两段水平金属条带结构连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.本发明将四个基本单元进行组合以形成“超单元”，具有对称的几何结构，可获得较为稳定的双极化特性；
2.本发明中有源频率选择表面中无需再设计额外的馈电网络，由金属结构和贴片电感作为偏置线来给PIN二极管进行馈电，且水平方向和垂直方向的偏置线相互分离，通过分别控制在不同方向加载的PIN二极管的开关状态，可实现独立可控的极化性能，引入更为丰富的极化信息；
3.本发明实现了双极化吸波、双极化反射、TE极化吸波/TM极化反射和TM极化吸波/TE极化反射等四种独立可切换的工作状态，并且以上吸波与反射的组合状态具有宽带特性。
附图说明
图1是双极化宽带多功能有源吸波/反射器的阵列结构示意图；
图2是双极化宽带多功能有源吸波/反射器的“超单元”侧视图；
图3是双极化宽带多功能有源吸波/反射器的“超单元”缩略图；
图4是有源频率选择表面的上层和下层结构示意图；
图5是双极化宽带多功能有源吸波/反射器四种独立可切换工作状态的透射系数曲线图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：(1)-“超单元”，(2)-基本单元，(3)-有源频率选择表面，(3-1)金属结构，(3-2)金属化通孔，(3-4)介质基底，(4)-金属地，(5)-空气匹配层，A-准十字形金属结构A，A1-下层水平金属条带结构A1，A2-下层垂直金属条带结构A2，A3-上层金属贴片结构A3，B1-下层矩形金属结构B1，B2-下层矩形金属结构B2，B3-下层矩形金属结构B3，B4-下层矩形金属结构B4，C1-贴片电感C1，C2-贴片电感C2，D1-PIN二极管D1，D2-PIN二极管D2，D3-PIN二极管D3，D4-PIN二极管D4，E1-贴片电阻E1，E2-贴片电阻E2，E3-贴片电阻E3，E4-贴片电阻E4。
具体实施方式
为了更加清楚明白地阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器，包括多个呈周期性排布的超单元1，每个超单元包括四个基本单元2，四个基本单元2以2×2矩阵形式排列，同一水平方向的2个基本单元为90°旋转关系，中心对称的2个基本单元完全相同，相邻2个基本单元2通过贴片电感连接。
如图2～4所示，所述基本单元2包括顶层有源频率选择表面3和底层金属地4，所述顶层有源频率选择表面3和底层金属地4之间设有一层空气匹配层5。
具体地，所述顶层有源频率选择表面3包括介质基底3-4、金属结构3-1，所述金属结构3-1包括准十字形金属结构A和四个矩形金属结构B1、B2、B3、B4，所述准十字形金属结构A设置在介质基底3-4下层中心，所述四个矩形金属结构B1、B2、B3、B4中心对称设置在准十字形金属结构A的四端，所述准十字形金属结构A的四端均分别通过一个PIN二极管和一个贴片电阻与矩形金属结构连接，且每端的PIN二极管和贴片电阻并联在一起。准十字形金属结构和每个相邻的矩形金属结构之间包括一个PIN二极管和一个贴片电阻，PIN二极管和集总电阻并联在一起，水平方向加载的所有PIN二极管方向一致，垂直方向加载的所有PIN二极管也方向一致，同一排中加载的PIN二极管串接在一起。
具体地，所述准十字形金属结构A包括水平金属条带结构A1和垂直金属条带结构A2，水平金属条带结构A1和垂直金属条带结构A2通过一对金属化通孔3-2和设置在介质基底3-4上层的金属贴片结构A3进行几何分离。
具体地，所述垂直金属条带结构A2将水平金属条带结构A1分割为对称的两段，设置在介质基底3-4上层的金属贴片结构A3通过金属化通孔3-2与两段水平金属条带结构A1连接。
具体地，相邻2个基本单元2的矩形金属结构通过贴片电感连接。所述贴片电感用于隔交流通直流。
具体地，所述介质基底3-4为矩形，四个矩形金属结构B1、B2、B3、B4沿介质基底3-4的四条边设置。
本发明中，将四个基本单元进行组合以形成超单元，具有对称的几何结构，可获得较为稳定的双极化特性。有源频率选择表面的内部无需再设计额外的馈电网络，由金属结构3-1，和贴片电感作为偏置线来给PIN二极管进行馈电，且水平方向和垂直方向的偏置线相互分离，通过分别控制在不同方向加载的PIN二极管的开关状态，可实现独立可控的极化性能，引入更为丰富的极化信息。本发明能够实现双极化吸波、双极化反射、TE极化吸波/TM极化反射和TM极化吸波/TE极化反射等四种独立可切换的工作状态，并且以上吸波与反射的组合状态具有宽带特性。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的双极化宽带多功能有源吸波/反射器进行详细说明。
实施例
一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器，包括多个呈周期性排布的超单元1，每个超单元包括四个基本单元2，四个基本单元2以2×2矩阵形式排列且相邻2个基本单元为90°旋转关系，相邻2个基本单元2通过贴片电感连接，所述基本单元2包括顶层有源频率选择表面3和底层金属地4，所述顶层有源频率选择表面3和底层金属地4之间设有一层空气匹配层5。所述顶层有源频率选择表面3包括介质基底3-4、金属结构3-1，所述金属结构3-1包括准十字形金属结构A和四个中心对称的矩形金属结构B1、B2、B3、B4，所述准十字形金属结构A包括水平金属条带结构A1和垂直金属条带结构A2，水平金属条带结构A1和垂直金属条带结构A2通过一对金属化通孔3-2和金属贴片结构A3进行几何分离，两个相邻的有源频率选择表面3之间设置贴片电感C1、C2，准十字形金属结构A和相邻的矩形金属结构之间设置PIN二极管D1、D2、D3、D4和贴片电阻E1、E2、E3、E4，PIN二极管D1和集总电阻E1并联在一起，PIN二极管D2和集总电阻E2并联在一起，PIN二极管D3和集总电阻E3并联在一起，PIN二极管D4和集总电阻E4并联在一起。
在本实施例中，双极化宽带多功能有源吸波/反射器工作在微波波段，介质基底采用宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM220，介电常数为2.17，厚度为0.8mm，空气匹配层厚度为8mm，PIN二极管采用SMP1345系列低电容塑料封装硅二极管，封装为SC-79，贴片电感采用10nH绕线电感，封装为0603，贴片电阻采用ERJ3RBD1500V，阻值为150欧姆，封装为0603。双极化宽带多功能有源吸波/反射器几何参数如图4所示，具体如下：介质基底的边长p＝18mm；金属贴片结构A3的长lt1＝3.8mm，宽wt1＝3.8mm；金属化通孔直径dpin＝0.35mm；矩形金属结构的长lb1＝9.5mm，宽wb1＝3.6mm；垂直金属条带结构的长lb2＝9.1mm，wb2＝1.5mm，位于垂直金属条带结构一侧的水平金属条带结构的长lb3＝3.5mm，宽wb3＝1.5mm，垂直金属条带结构与其一侧的水平金属条带结构的间距g1＝0.3mm；准十字形金属结构A的四端到矩形金属结构的间距g2＝0.7mm。
图5给出了平方向和垂直方向加载的PIN二极管开关状态改变时，本实施例的双极化宽带多功能有源吸波/反射器的四种独立可切换工作状态的反射系数S11仿真结果。其中：
(a)为双极化宽带多功能有源吸波/反射器中水平方向和垂直方向加载的PIN二极管全部关闭时的反射系数S11；
(b)为双极化宽带多功能有源吸波/反射器中水平方向和垂直方向加载的PIN二极管全部打开时的反射系数S11；
(c)为双极化宽带多功能有源吸波/反射器中水平方向加载的PIN二极管全部关闭而垂直方向加载的PIN二极管全部打开时的反射系数S11；
(d)为双极化宽带多功能有源吸波/反射器中水平方向加载的PIN二极管全部打开而垂直方向加载的PIN二极管全部关闭时的反射系数S11。
当水平方向和垂直方向加载的PIN二极管全部关闭时，双极化宽带多功能有源吸波/反射器能够同时吸收TE极化入射电磁波和TM极化入射电磁波，TE极化情况下的-10dB吸波带宽为3.43-7.35GHz，TM极化情况下的-10dB吸波带宽为3.43-7.36GHz；当水平方向和垂直方向加载的PIN二极管全部打开时，双极化宽带多功能有源吸波/反射器能够同时反射TE极化入射电磁波和TM极化入射电磁波，TE极化情况下在6.42GHz的回波损耗为-1.5dB，TM极化情况下在6.42GHz的回波损耗为-1.49dB；当水平方向加载的PIN二极管全部关闭而垂直方向加载的PIN二极管全部打开时；双极化宽带多功能有源吸波/反射器能够吸收TE极化入射电磁波而反射TM极化入射电磁波，TE极化情况下的-10dB吸波带宽为3.44-7.46GHz，TM极化情况下在6.42GHz的回波损耗为-1.46dB；当水平方向加载的PIN二极管全部打开而垂直方向加载的PIN二极管全部关闭时；双极化宽带多功能有源吸波/反射器能够反射TE极化入射电磁波而吸收TM极化入射电磁波，TE极化情况下在6.42GHz的回波损耗为-1.47dB，TM极化情况下的-10dB吸波带宽为3.45-7.45GHz。
仿真结果表明，通过独立控制双极化宽带多功能有源吸波/反射器中水平方向和垂直方向加载的PIN二极管的开关状态，能够在一块板子上实现四种独立可切换吸波与反射的组合状态，即双极化吸波、双极化反射、TE极化吸波/TM极化反射和TM极化吸波/TE极化反射，这体现了本发明的双极化宽带多功能有源吸波/反射器具有多功能、双极化和宽频带等特点。以上所述仅是本发明的优选实施方案，并不用以限制本发明。应当指出：凡在本发明精神和原则之内所做出任何改进和润饰，均应视为本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双极化宽带多功能有源吸波/反射器，其特征在于，包括多个呈周期性排布的超单元(1)，每个超单元包括四个基本单元(2)，四个基本单元(2)以2×2矩阵形式排列，同一水平方向的2个基本单元为90°旋转关系，中心对称的2个基本单元完全相同，相邻2个基本单元(2)通过贴片电感连接，所述基本单元(2)包括顶层有源频率选择表面(3)和底层金属地(4)，所述顶层有源频率选择表面(3)和底层金属地(4)之间设有一层空气匹配层(5)；所述顶层有源频率选择表面(3)包括介质基底(3-4)、金属结构(3-1)，所述金属结构(3-1)包括准十字形金属结构(A)和四个矩形金属结构(B1、B2、B3、B4)，所述准十字形金属结构(A)设置在介质基底(3-4)下层中心，所述四个矩形金属结构(B1、B2、B3、B4)中心对称设置在准十字形金属结构(A)的四端，所述准十字形金属结构(A)的四端均分别通过一个PIN二极管和一个贴片电阻与矩形金属结构连接，且每端的PIN二极管和贴片电阻并联在一起；所述准十字形金属结构(A)包括水平金属条带结构(A1)和垂直金属条带结构(A2)，所述垂直金属条带结构(A2)和水平金属条带结构(A1)通过一对金属化通孔(3-2)和设置在介质基底(3-4)上层的金属贴片结构(A3)进行几何分离；所述垂直金属条带结构(A2)将水平金属条带结构(A1)分割为对称的两段，设置在介质基底(3-4)上层的金属贴片结构(A3)通过金属化通孔(3-2)与两段水平金属条带结构(A1)连接。
2.根据权利要求1所述的双极化宽带多功能有源吸波/反射器，其特征在于，准十字形金属结构(A)的四端到矩形金属结构的间距g2＝0.7mm。
3.根据权利要求1所述的双极化宽带多功能有源吸波/反射器，其特征在于，矩形金属结构的长lb1＝9.5mm，宽wb1＝3.6mm。
4.根据权利要求1所述的双极化宽带多功能有源吸波/反射器，其特征在于，垂直金属条带结构的长lb2＝9.1mm，宽wb2＝1.5mm，一段水平金属条带结构的长lb3＝3.5mm，宽wb3＝1.5mm。
5.根据权利要求4所述的双极化宽带多功能有源吸波/反射器，其特征在于，金属贴片结构(A3)的长lt1＝3.8mm，宽wt1＝3.8mm。
6.根据权利要求1所述的双极化宽带多功能有源吸波/反射器，其特征在于，金属化通孔(3-2)直径dpin＝0.35mm。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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