CN113314851B - 一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，包括：金属底板、蜂窝层和介质层；所述金属底板上方设置有所述蜂窝层；所述蜂窝层用于将所述介质层与所述金属底板隔开，并支撑所述介质层；所述蜂窝层上设置有所述介质层；所述介质层的下表面为极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的表面，所述极化不敏感的频率可重构超表面吸波体由若干个吸波周期单元彼此连接在一起构成。通过对每个吸波周期单元上的变容二极管施加偏置电压，实现变容二极管的电容值可调，从而实现超表面吸波体的频率可重构，这使得同一块吸波体就可以实现多个吸波状态，而且易于设计，易于调控，易于加工，成本低廉。

Description

一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体
技术领域
本申请涉及电磁材料领域，特别是涉及一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体。
背景技术
电磁超材料是一种新型的人工电磁材料，具备许多自然界材料所不能实现的电磁特性。电磁超表面作为电磁超材料的二维表现形式，具备诸如轻薄、制作简便、性能可调控等优点。特别是在吸波领域，超表面吸波体往往比传统吸波材料更轻更薄，且可以实现频率、幅度、极化等电磁特性的调节。
现在已有的极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其通常通过设计具备旋转对称性的超表面图案或将两个单极化超表面叠层实现双极化，这种设计的吸波体中的大部分不能通过简单的修正实现单极化与双极化的功能转换。然而目前并未见一种简单的、快速的、有效的实现超表面吸波体极化特征转换的方法。例如，在将一种线极化超表面吸波体转换为极化不敏感超表面吸波体的例子中，实现极化特性转换的方法是直接将两个相同的线极化超表面吸波体叠加，二者的极化方向相垂直。这种方法可以实现从线极化到极化不敏感的极化转换，但由于叠放而产生的上下层耦合作用，两个极化方向上的有效吸波带宽不能重合，产生了性能浪费，实际的极化不敏感吸波带宽相比于之前的线极化吸波带宽大幅缩减，因而这种方法是简单的但不是有效的。对于加载了有源器件如变容二极管，PIN二极管的超表面吸波体，其频率可重构特性在极化转换后也很难保持一致，这种性能不一致即产生了性能浪费，不是有效的方法。目前暂未见通过直接叠加图案实现双极化的频率可重构超表面吸波体。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，本申请提供了一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，包括：金属底板、蜂窝层和介质层；所述金属底板上方设置有所述蜂窝层；所述蜂窝层用于将所述介质层与所述金属底板隔开，并支撑所述介质层；所述蜂窝层上设置有所述介质层；所述介质层的下表面为极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的表面，所述极化不敏感的频率可重构超表面吸波体由若干个吸波周期单元彼此连接在一起构成。
进一步的，所述介质层的下表面设置有偏置线、导电片、贴片电阻和变容二极管；在所述介质层的下表面上，四个角落的偏置线连接两个梯形的导电片，四条边上的偏置线连接四个梯形的导电片，内部的偏置线连接八个梯形的导电片；相邻的梯形导电片无缝衔接组成菱形的导电片，相邻两个菱形的导电片之间，连接着一个贴片电阻和一个变容二极管。
进一步的，在所述介质层的下表面，所述贴片电阻和所述变容二极管分别与两个梯形导电片相连；所述偏置线和梯形导电片构成导电体。
进一步的，位置呈中心对称的梯形导电片是中心对称的；两个梯形导电片之间连接有相互并联的贴片电阻和变容二极管。
进一步的，所述变容二极管连接在所述导电体之间；所述介质层的下表面设置的变容二极管连接在所述导电体之间，在所述介质层的上表面，所述变容二极管通过所述介质层的通孔与下表面的导电体连接。
进一步的，通过在所述偏置线上施加电压，所述变容二极管产生偏置电压，使所述变容二极管呈现不同的容性状态，实现频率可重构。
进一步的，每一个所述吸波周期单元长为40mm，宽为40mm；左右分布的两个梯形的导电片的上底为1.8mm，下底为20mm，高为18.2mm；上下分布的两个梯形的导电片的上底为1.8mm，下底为20mm，高为18.6mm；所述偏置线的长度为10mm，宽为0.1mm。
进一步的，所述超表面吸波体在进行馈电网络及外加电源控制时，每个吸波周期单元的偏置线与相邻吸波周期单元的偏置线无缝连接并形成馈电网络；四个角落的馈电网络仅由一个吸波周期单元的偏置线构成，呈直角型；四个边上的馈电网络由两个吸波周期单元的偏置线构成，连接四个梯形的导电片，呈T型；内部的馈电网络由四个吸波周期单元的偏置线构成，连接八个梯形的导电片，呈十字型。
进一步的，馈电点位于每一处馈电网络的中心；每一横排的馈电点连接电源的同一极，相邻排的馈电点连接电源的不同极。
进一步的，通过馈电网络及外加电源控制，实现对整个吸波体全部的变容二极管统一调控，且全部变容二极管的容性状态是一致的；通过改变电源施加的偏置电压，使得改变变容二极管的电容值，实现吸波体频率可重构。
本申请的有益效果是：本发明实施例提出一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，包括：金属底板、蜂窝层和介质层；所述金属底板上方设置有所述蜂窝层；所述蜂窝层用于将所述介质层与所述金属底板隔开，并支撑所述介质层；所述蜂窝层上设置有所述介质层；所述介质层的下表面为极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的表面，所述极化不敏感的频率可重构超表面吸波体由若干个吸波周期单元彼此连接在一起构成。通过对每个吸波周期单元上的变容二极管施加偏置电压，实现变容二极管的电容值可调，从而实现超表面吸波体的频率可重构，这使得同一块吸波体就可以实现多个吸波状态，而且易于设计，易于调控，易于加工，成本低廉。
附图说明
图1为一个实施例中极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的整体结构示意图；
图2为一个实施例中极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的吸波周期单元的结构示意图；
图3为一个实施例中吸波周期单元部分结构放大图；
图4为一个实施例中极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的吸波周期单元的尺寸示意图；
图5为一个实施例中极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的馈电网络及外加电源控制示意图。
附图说明：
1-金属底板；2-蜂窝层；3-介质层；4-偏置线；5-导电片；6-变容二极管；7-通孔
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
随着雷达探测技术的不断提升，对以隐身为目的的吸波材料提出了更高的需求。传统吸波材料因其电磁响应特性不能改变而容易被探测识别。具备频率可重构特性的吸波材料可以随外界电磁环境的变化而主动调节自身的电磁响应特性，具备更灵活的隐身性能，可以在更多场合中得到应用。电磁超表面作为一种二维形式的新型人工电磁材料，具备许多自然界材料所不能实现的电磁特性，拥有诸如轻薄、制作简便、性能可调控等优点。特别是在吸波领域，超表面吸波体往往比传统吸波材料更轻更薄，且可以实现频率、幅度、极化等电磁特性的调节。
在一个实施例中，如图1和图2所示，提供了一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，包括：金属底板1、蜂窝层2和介质层3；所述金属底板1上方设置有所述蜂窝层2；所述蜂窝层2用于将所述介质层3与所述金属底板1隔开，并支撑所述介质层3；所述蜂窝层2上设置有所述介质层3；所述介质层3的下表面为极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的表面，所述极化不敏感的频率可重构超表面吸波体由若干个吸波周期单元彼此连接在一起构成。
本发明实施例的技术原理为：实现极化不敏感的原理是以近似的90°旋转对称性图案为基础，微调过孔间距来弥补两个极化方向上的差异，进而实现极化不敏感；实现频率可重构的原理是通过外接电源控制变容二极管6的偏置状态，进而改变吸波体的等效电磁参数，从而实现吸波频率的变化所述介质层3作为超表面的载体，起到承载超表面和两种器件的作用；所述金属底板1位于吸波体的最底层，起到反射电磁波的作用，本申请的吸波体在功能上同时具备极化不敏感，频率可重构的特性；在性能上同时具备低剖面、宽带、强吸收的显著优势，可以使目标在更复杂的电磁环境下实现不同的隐身需求。此外将许多已有的优秀单极化吸波体改进为极化不敏感吸波体，可以在保证性能的前提下节省重新设计的成本。
具体地，具备极化不敏感特性的超表面吸波体，其周期图案往往具备90°旋转对称性。将“蝴蝶结”型偶极子图案旋转90°并与原来的图案重合，可以得到具备90°旋转对称性的图案，由于超表面吸波体需要实现频率可重构，因而在两个梯形图案中间加载了变容二极管6和贴片电阻。而器件位于旋转重合过程的中心，旋转对称后将产生位置冲突，因此将两组器件分别置于介质板的上下表面来解决冲突。其中，两组偶极子图案均位于下表面；一组器件位于下表面，直接连接偶极子图案；另一组器件位于上表面，与通过介质板的通孔7与下表面的另一组偶极子图案连接。由于通孔7的存在，不同极化的电磁波在图案表面激励出的感应电流的路径是不同的，此时微调两个通孔7的间距，可以弥补这个差异。在本实施中，TE方向的偶极子使用了通孔7连接器件，电流路径较长，增加通孔7的间距使得偶极子的长度变短来弥补差异，偶极子的单个图案由原来的18.6mm缩减至18.2mm，而其余参数未发生变化。微调后的超表面吸波体不具备90°旋转对称性，但可以在频率可重构过程中实现有效的极化不敏感特性，如图所示：当变容二极管6的电容值为0.1pF时，TE极化入射波下的吸波体反射率在2.06-2.374GHz的频率范围内低于-10dB；在TM极化入射波下的吸波体反射率在2.046-2.357GHz的频率范围内低于-10dB；TE和TM的-10dB反射率范围重合率为91％；同样的，当变容二极管6的电容值为0.2pF，0.3pF，0.5pF，1pF，2pF，3pF，5pF时，其TE和TM极化反射率的-10dB范围重合率分别为98％，97.5％，96％，82％，98％，86％，75％。通过对每个吸波周期单元上的变容二极管6施加偏置电压，实现变容二极管6的电容值可调，从而实现超表面吸波体的频率可重构，这使得同一块吸波体就可以实现多个吸波状态，而且易于设计，易于调控，易于加工，成本低廉。
在一个实施例中，如图3所示，所述介质层3的下表面设置有偏置线4、导电片5、贴片电阻和变容二极管6；在所述介质层3的下表面上，四个角落的偏置线4连接两个梯形的导电片5，四条边上的偏置线4连接四个梯形的导电片5，内部的偏置线4连接八个梯形的导电片5；相邻的梯形导电片5无缝衔接组成菱形的导电片5，相邻两个菱形的导电片5之间，连接着一个贴片电阻和一个变容二极管6。进一步的，在所述介质层3的下表面，所述贴片电阻和所述变容二极管6分别与两个梯形导电片5相连；所述偏置线4和梯形导电片5构成导电体。具体地，所述的介质层3为FR4介质板；所述的导电体通过印制电路板的方式印制在介质层3的下表面上。
优选地，位置呈中心对称的梯形导电片5是中心对称的；两个梯形导电片5之间连接有相互并联的贴片电阻和变容二极管6。进一步的，所述变容二极管6连接在所述导电体之间；所述介质层3的下表面设置的变容二极管6连接在所述导电体之间，在所述介质层3的上表面，所述变容二极管6通过所述介质层3的通孔7与下表面的导电体连接。
优选地，通过在所述偏置线4上施加电压，所述变容二极管6产生偏置电压，使所述变容二极管6呈现不同的容性状态，实现频率可重构。
在一个实施例中，如图4所示，每一个所述吸波周期单元长为40mm，宽为40mm；左右分布的两个梯形的导电片5的上底为1.8mm，下底为20mm，高为18.2mm；上下分布的两个梯形的导电片5的上底为1.8mm，下底为20mm，高为18.6mm；所述偏置线4的长度为10mm，宽为0.1mm。
在一个实施例中，如图5所示，所述超表面吸波体在进行馈电网络及外加电源控制时，每个吸波周期单元的偏置线4与相邻吸波周期单元的偏置线4无缝连接并形成馈电网络；四个角落的馈电网络仅由一个吸波周期单元的偏置线4构成，呈直角型；四个边上的馈电网络由两个吸波周期单元的偏置线4构成，连接四个梯形的导电片5，呈T型；内部的馈电网络由四个吸波周期单元的偏置线4构成，连接八个梯形的导电片5，呈十字型。
优选地，馈电点位于每一处馈电网络的中心；每一横排的馈电点连接电源的同一极，相邻排的馈电点连接电源的不同极。进一步的，通过馈电网络及外加电源控制，实现对整个吸波体全部的变容二极管6统一调控，且全部变容二极管6的容性状态是一致的；通过改变电源施加的偏置电压，使得改变变容二极管6的电容值，实现吸波体频率可重构。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其特征在于，包括：金属底板、蜂窝层和介质层；所述金属底板上方设置有所述蜂窝层；所述蜂窝层用于将所述介质层与所述金属底板隔开，并支撑所述介质层；所述蜂窝层上设置有所述介质层；所述介质层的下表面为极化不敏感的频率可重构超表面吸波体的表面，所述极化不敏感的频率可重构超表面吸波体由若干个吸波周期单元彼此连接在一起构成；
所述吸波周期单元包括四个梯形的导电片、偏置线、贴片电阻和变容二极管；每个吸波周期单元的偏置线与相邻吸波周期单元的偏置线无缝连接并形成馈电网络；四个角落的馈电网络仅由一个吸波周期单元的偏置线构成，呈直角型；四个边上的馈电网络由两个吸波周期单元的偏置线构成，连接四个梯形的导电片，呈T型；内部的馈电网络由四个吸波周期单元的偏置线构成，连接八个梯形的导电片，呈十字型；
所述介质层的下表面设置有偏置线、导电片、贴片电阻和变容二极管；相邻吸波周期单元的梯形导电片无缝衔接组成菱形的导电片，相邻两个菱形的导电片之间，连接着一个贴片电阻和一个变容二极管；
在所述介质层的下表面，所述贴片电阻和所述变容二极管分别与两个梯形导电片相连；所述偏置线和梯形导电片构成导电体；
位置呈中心对称的梯形导电片是中心对称的；两个梯形导电片之间连接有相互并联的贴片电阻和变容二极管；
所述变容二极管连接在所述导电体之间；所述介质层的下表面设置的变容二极管连接在所述导电体之间，在所述介质层的上表面，所述变容二极管通过所述介质层的通孔与下表面的导电体连接。
2.根据权利要求1所述的极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其特征在于，通过在所述偏置线上施加电压，所述变容二极管产生偏置电压，使所述变容二极管呈现不同的容性状态，实现频率可重构。
3.根据权利要求1所述的极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其特征在于，每一个所述吸波周期单元长为40mm，宽为40mm；左右分布的两个梯形的导电片的上底为1.8mm，下底为20mm， 高为18.2mm；上下分布的两个梯形的导电片的上底为1.8mm，下底为20mm，高为18.6mm；所述偏置线的长度为10mm，宽为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其特征在于，所述超表面吸波体在进行馈电网络及外加电源控制时，每个吸波周期单元的偏置线与相邻吸波周期单元的偏置线无缝连接并形成馈电网络；四个角落的馈电网络仅由一个吸波周期单元的偏置线构成，呈直角型；四个边上的馈电网络由两个吸波周期单元的偏置线构成，连接四个梯形的导电片，呈T型；内部的馈电网络由四个吸波周期单元的偏置线构成，连接八个梯形的导电片，呈十字型。
5.根据权利要求4所述的极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其特征在于，馈电点位于每一处馈电网络的中心；每一横排的馈电点连接电源的同一极，相邻排的馈电点连接电源的不同极。
6.根据权利要求4所述的极化不敏感的频率可重构超表面吸波体，其特征在于，通过馈电网络及外加电源控制，实现对整个吸波体全部的变容二极管统一调控，且全部变容二极管的容性状态是一致的；通过改变电源施加的偏置电压，使得改变变容二极管的电容值，实现吸波体频率可重构。
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