CN113555696B - 一种超宽带可调超表面吸波体单元、贴片阵列及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超表面吸波体，为解决目前超表面吸波体中的无源吸波体在低剖面结构下能够实现的工作带宽有限，且一旦加工完成，工作性能随之固定，在结构中加载可调元器件，实现的吸波宽带均较为有限的问题，提供一种超宽带可调超表面吸波体单元、贴片阵列及控制方法，吸波体单元包括介质基板，介质基板上设置有两个第一金属贴片和一个第二金属贴片，相邻金属贴片间留有间隙，两个第一金属贴片之间串联有变容二极管，位于中部的第一金属贴片和第二金属贴片之间串联有开关二极管，第二金属贴片和两个所述第一金属贴片分别通过高阻抗偏置线与直流电压源相连。贴片阵列将多个超表面吸波体单元呈矩阵排布，控制时控制开关二极管通断并调节变容二极管容值。
Description
技术领域
本发明属于超表面吸波体，具体涉及一种超宽带可调超表面吸波体单元、贴片阵列及其控制方法。
背景技术
电磁超表面是一种新兴的人工电磁结构，通过微结构设计和特殊空间序构排列，能够突破常规材料的电磁特性，实现对电磁波幅度、相位和极化等性能的定制调控。
利用超表面的幅度调控特性，可以实现对雷达波的强吸收，进而减缩目标的雷达散射截面，实现目标对探测雷达的隐身。与经典涂覆型和传统结构型吸波材料相比，超表面吸波体具有剖面厚度低、重量轻、无表面损耗层、可用于辐射结构周围，且能够承受一定载荷等突出优点。因此，其在机身、天线等各类目标的雷达隐身领域据具有广泛用途。
2008年Landy等人首次设计了一种超表面完美吸波体，在很窄的频带内以接近100％的吸收率实现了对雷达波的吸收，自此，关于超表面吸波体的研究成果不断涌现，多频带、宽频带、不同频段的超表面吸波体相继出现。吸波带宽、吸波率和剖面厚度是超表面吸波体的三个关键因素，三者密切关联且互相制约，如何平衡三者之间的关系是设计高性能吸波体的难点。无源吸波体在提升吸波带宽方面卓有成效，但在低剖面结构下能够实现的工作带宽有限，且一旦加工完成，其工作性能也就随之固定。还有一些研究在结构中加载可调元器件，使吸波体的工作频段能够根据需要实现动态可调，因此，无需增加剖面高度即可实现宽带工作，并且在每个频点均能保证极高的吸波率，但实现的吸波宽带均较为有限。
发明内容
本发明为解决目前超表面吸波体中的无源吸波体在低剖面结构下能够实现的工作带宽有限，且一旦加工完成，其工作性能也就随之固定，而在结构中加载可调元器件，实现的吸波宽带均较为有限的技术问题，提供一种超宽带可调超表面吸波体单元、贴片阵列及控制方法，混合集成有源器件括宽吸波体工作宽带。
本发明的发明构思是，在单元结构中同时加载变容二极管和开关二极管，将工作频率的连续可调与离散搬移结合起来，利用组合工作的思想实现吸波频率的超宽带连续可调。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超宽带可调超表面吸波体单元，其特殊之处在于，包括介质基板；
所述介质基板的底面为完整的金属板，顶面上设置有金属贴片，金属贴片包括两个第一金属贴片和一个第二金属贴片；
所述第一金属贴片呈矩形，所述第二金属贴片呈梯形，两个所述第一金属贴片和一个所述第二金属贴片依次沿介质基板的中线设置，相邻金属贴片间留有间隙，其中，位于外侧一个第一金属贴片的长边与介质基板的一个侧边对齐，第二金属贴片的下底与介质基板的另一个侧边对齐；
两个所述第一金属贴片之间串联有变容二极管，位于中部的第一金属贴片和第二金属贴片之间串联有开关二极管；
位于外侧的所述第一金属贴片通过高阻抗偏置线与直流电压源的一个正极相连，位于中部的所述第一金属贴片通过高阻抗偏置线与直流电压源的负极相连，所述第二金属贴片通过高阻抗偏置线直流电压源的另一个正极相连。
进一步地，所述介质基板采用FR4板材，相对介电常数为4.4。
进一步地，所述介质基板的损耗角正切为0.02；
所述介质基板的厚度为0.5mm，表面呈正方形，边长为11mm。
进一步地，位于外侧的第一金属贴片呈正方形，边长为4mm；
位于中部的第一金属贴片的长边边长为4mm，短边边长为3.5mm，且其长边与各金属贴片的设置方向垂直。
进一步地，所述第二金属贴片的上底长度为4mm，下底长度为6mm，高度为1.8mm。
本发明还提供了一种贴片阵列，其特殊之处在于，包括多个呈矩阵排布的超表面吸波体单元；
所述超表面吸波体单元包括介质基板；所述介质基板的底面为完整的金属板，顶面上设置有两个第一金属贴片和一个第二金属贴片；所述第一金属贴片呈矩形，所述第二金属贴片呈梯形，两个所述第一金属贴片和一个所述第二金属贴片依次沿介质基板的中线设置，相邻金属贴片间留有间隙，其中，一个第一金属贴片的长边与介质基板的一个侧边对齐，第二金属贴片的下底与介质基板的另一个侧边对齐；两个所述第一金属贴片之间串联有变容二极管，位于中部的第一金属贴片和第二金属贴片之间串联有开关二极管；
各超表面吸波体单元中位于外侧的第一金属贴片通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的一个正极，各超表面吸波体单元中位于中部的第一金属贴片通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的负极，各超表面吸波体单元中的第二金属贴片通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的另一个正极。
另外，本发明还提供了一种上述贴片阵列的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，根据实际需要，确定贴片阵列所需吸波峰值对应的频率；
S2，断开或导通所述开关二极管；
若所需吸波峰值对应的频率在第一频段内，则断开所述开关二极管；若所需吸波峰值对应的频率在第二频段内，则导通所述开关二极管；
所述第一频段的上限值为第一频段和第二频段合集的上限值，第二频段的下限值为第一频段和第二频段合集的下限；
S3，调节变容二极管的容值；
所述吸波峰值对应的频率与所述变容二极管的容值成反比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明超宽带可调超表面吸波体单元，提出一种混合集成有源器件括宽吸波体工作带宽的新方法，在不改变基本结构的条件下，也能够使吸波体的吸波峰值对应频率能够连续可调，实现频带可调的同时，结构和尺寸都不需进行改变。不仅实现了超宽带高效吸波，且吸波性能在宽入射角内都有良好稳定性。本发明的吸波体单元从等效电路模型的分析来看，通过在单元结构中混合加载变容二极管和开关二极管，将工作频率的连续可调和离散搬移结合起来，实现吸波频率在超宽带范围内的连续动态调节，并以此展宽吸波体的工作带宽。
2.本发明中通过合理设置介质基板、金属贴片的形状和结构参数，使得本发明的吸波体能够在4.57-8.51GHz的范围内实现连续可调吸波，吸波率大于80％的带宽达到60％。
3.本发明贴片阵列，对超表面吸波体单元通过合理的矩阵排布设置，能够实现多工作频段组合，进一步展宽了工作带宽，实现了超宽频带内的动态隐身，同时，本发明的宽带可调设计思路，还可以扩展应用至其他类型的宽带微波器设计中。
4.本发明贴片阵列的控制方法，只需要断开或导通开关二极管，并调节变容二极管，即可实现频率的连续调节，调节方法简便，易于实现。
附图说明
图1为本发明超宽带可调超表面吸波体单元实施例的结构示意图；
图2为本发明贴片阵列实施例的结构示意图；
图3为本发明图2实施例的直流馈电电路示意图；
图4为经典方形超表面吸波单元等效的并联RLC谐振电路；
图5为本发明图1实施例中开关二极管导通时的等效电路图；
图6为本发明图1实施例中开关二极管断开时的等效电路图；
图7为本发明图1实施例能够实现的两段吸波频带示意图；
图8为本发明图1实施例能够实现的超宽频带吸波示意图；
图9为本发明图1实施例利用高频电磁仿真软件HFSS中的周期边界条件仿真开关二极管断开时吸波率随变容二极管容值变化的曲线图；
图10为本发明图1实施例利用高频电磁仿真软件HFSS中的周期边界条件仿真雷达波从不同角度入射时的吸波率曲线图；
图11为本发明图2实施例仿真与实测的单站RCS减缩曲线图。
其中，1-介质基板、2-第一金属贴片、3-第二金属贴片、4-变容二极管、5-开关二极管、6-超表面吸波体单元。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供了一种超宽带可调超表面吸波体单元，包括介质基板1，介质基板1的底面为完整的金属板，顶面上设置有金属贴片，金属贴片包括两个第一金属贴片2和一个第二金属贴片3。第一金属贴片2呈矩形，第二金属贴片3呈梯形，两个第一金属贴片2和一个第二金属贴片3依次沿介质基板1的中线设置，相邻金属贴片间留有间隙，两个第一金属贴片2之间串联有变容二极管4，位于中部的第一金属贴片2和第二金属贴片3之间串联有开关二极管5。其中，位于外侧一个第一金属贴片2的长边与介质基板1的一个侧边对齐，第二金属贴片3的下底与介质基板1的另一个侧边对齐。第二金属贴片3和两个第一金属贴片2分别通过高阻抗偏置线与直流电压源相连，可以给二极管提供偏置电压。
本发明的开发原理如下：
传统的无源超表面吸波体多为电磁谐振结构，依靠介质损耗来吸收能量，所以工作带宽较窄，经典的方形超表面吸波单元，其可以等效为一个如图4所示的并联RLC谐振电路，其中，Lp为上表面贴片的等效电感，Cp为贴片单元间的耦合电容，Rs为介质基板损耗电阻，Lg为下表面接地板的等效电感，该结构的表面阻抗Z可以表示为：
其中，j为虚数符号，ω为角频率。
当该结构谐振时，阻抗Z等效为纯电阻，且阻值约等于自由空间波阻抗(377欧姆)，此时，谐振工作频率f0为：
从上式能够明显看出，通过改变单元结构的等效电感或等效电容，且改变的电感和电容值量级足够大时，可以有效调节吸波体的工作频率，为了实现这一目标，在单元结构中同时引入开关二极管5和变容二极管4，开关二极管5导通时近似等效为一个小电阻Rd，变容二极管4等效为电容Cv，此时，整个超表面吸波单元的等效电路如图5所示，从该电路图可以计算出导通状态下的谐振频率f0n为：
另一方面，当开关二极管5断开时近似等效为一个电容Cd，此时，超表面吸波单元的等效电路如图6所示，从该电路图可以计算出断开状态下的谐振频率f0ff为：
由导通状态下的谐振频率f0n和断开状态下的谐振频率f0ff可知，通过控制开关二极管5的通断，可以使吸波体工作在两种完全不同的状态，实现工作频率的大范围离散调控，而进一步控制变容二极管4的电容值Cv，则可以在每种状态下实现工作频率的小范围连续可调，如图7所示，若结构设计合理，通过开关二极管5的通断调控和变容二极管4的连续调节，可以将两段吸波频带f1和吸波频带f2连接在一起，从而实现如图8所示的超宽频带吸波。
如图1所示，在本发明超宽带可调超表面吸波体单元的一个实施例中，介质基板1采用高损耗FR4板材，相对介电常数为4.4，损耗角正且为0.02，厚度为0.5mm，每个金属贴片连接的高阻抗偏置线宽度为0.15mm，靠近外侧的第一金属贴片2呈正方形，边长W1为4mm，位于中部的第一金属贴片2的长边L2边长为4mm，短边W2边长为3.5mm，且其长边与各金属贴片的设置方向垂直，介质基板1表面呈正方形，边长P为11mm，第二金属贴片3的上底长度为4mm，下底W3长度为6mm，高度L3为1.8mm。
利用高频电磁仿真软件HFSS中的周期边界条件，仿真得到了该实施例结构在开关二极管5处于两种状态下的吸波率，结果如图9所示，当开关二极管5断开时，第二金属贴片3几乎不参与谐振，此时，将变容二极管4的容值从0.74pF增大到10.23pF时，吸波峰值对应的频率从8.51GHz连续下降到5.85GHz，而当开关二极管5导通时，整个吸波体单元的金属贴片结构均参与工作，此时，通过调节变容二极管4的容值，吸波峰值对应的频率调节范围下移到4.57-6.05GHz，综合开关二极管5导通和断开两种状态下的吸波性能，超表面吸波体在4.57-8.51GHz的范围内实现了连续可调吸波，吸波率大于80％的带宽达到60％，如图10展示了雷达波从不同角度入射时的吸波率曲线，可以看出，当入射角小于60°时，吸波率几乎不受影响。
另外，本发明还提供了一种如图2所示的贴片阵列，包括多个呈矩阵排布的超表面吸波体单元6，超表面吸波体单元6的结构如前述的超宽带可调超表面吸波体结构，各超表面吸波体单元6中位于外侧的第一金属贴片2通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的一个正极，各超表面吸波体单元6中位于中部的第一金属贴片2通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的负极，各超表面吸波体单元6中的第二金属贴片3通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的另一个正极。
在本发明贴片阵列的一个实施例中，超表面吸波体单元6排列成10*10的阵面并进行加工，整体尺寸为110mm*110mm*1.5mm，变容二极管4的型号为SMV1265-040LF，可调节容值范围为0.71-22.47pF，开关二极管5的型号为Infineon BAR50-02。如图3为该贴片阵列实施例的直流馈电电路示意图，为了给变容二极管4施加反向偏置电压Vc，每个超表面吸波体单元6结构中最外侧的第一金属贴片2由高阻抗偏置线连接到一起，并接在直流电压源的正极，而每个超表面吸波体单元6结构中位于中部的第一金属贴片2由高阻抗偏置线连接到直流电压源的负极，每个超表面吸波体单元6结构中的第二金属贴片3由高阻抗偏置线连接到直流电压源的另一个正极，给开关二极管5提供导通或截止电压Vd。
在暗室中利用空间波法对该贴片阵列进行测试，为了提高测试的准确性，在收发天线之间放置一块吸波材料，以减小天线之间的耦合，同时，在矢网上应用时域门技术抑制多径散射。图11和表1示出了贴片阵列较同等大小的参考金属板的RSC减缩结果，图11中同时示出了仿真结果，其中，实线表示仿真结果，虚线表示实测结果，实测结果表明，当开关二极管5两端不是家电压时(Vd＝0)，开关二极管5断开，此时，将变容二极管4两端的反偏电压Vc从05V逐渐增大到30V，RCS减缩峰值频率可以在5.82-8.34GHz的频段内连续可调；而给开关二极管5两端施加正向导通电压时(Vd＝0.95V)，可调频率范围向低频移动至4.48-6.16GHz，能够得出，通过调节开关二极管5和变容二极管4的状态，贴片阵列在4-9.5GHz的频段内能够实现不同成都的RCS减缩，且每种状态下的最大减缩频点对应周期结构的吸波频点。从图11中也可以看出，测试结果和仿真结果之间存在一定的差距，包括频率偏移、缩减量大小以及减缩带宽，产生这些差距的原因主要是由于开关二极管5和变容二极管4并不是理想器件，存在分布阻抗、封装电感和器件的不一致性等，这些都影响谐振频率以及自由空间的阻抗匹配程度。另外，基板参数偏差和加工误差也会引起频率偏移，但总体上看，实测的RCS减缩频率变化趋势与仿真结果吻合良好，表明贴片阵列可以在宽带范围内实现吸波频率的连续可调，同时，也证实了本发明发明构思的有效性。
表1贴片阵列实施例仿真与实测性能表
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种超宽带可调超表面吸波体单元，其特征在于：包括介质基板(1)；
所述介质基板(1)的底面为完整的金属板，顶面上设置有金属贴片，金属贴片包括两个第一金属贴片(2)和一个第二金属贴片(3)；
所述第一金属贴片(2)呈矩形，所述第二金属贴片(3)呈梯形，两个所述第一金属贴片(2)和一个所述第二金属贴片(3)依次沿介质基板(1)的中线设置，相邻金属贴片间留有间隙，其中，位于外侧一个第一金属贴片(2)的长边与介质基板(1)的一个侧边对齐，第二金属贴片(3)的下底与介质基板(1)的另一个侧边对齐；
两个所述第一金属贴片(2)之间串联有变容二极管(4)，位于中部的第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)之间串联有开关二极管(5)；
位于外侧的所述第一金属贴片(2)通过高阻抗偏置线与直流电压源的一个正极相连，位于中部的所述第一金属贴片(2)通过高阻抗偏置线与直流电压源的负极相连，所述第二金属贴片(3)通过高阻抗偏置线直流电压源的另一个正极相连。
2.如权利要求1所述一种超宽带可调超表面吸波体单元，其特征在于：所述介质基板(1)采用FR4板材，相对介电常数为4.4。
3.如权利要求1或2所述一种超宽带可调超表面吸波体单元，其特征在于：
所述介质基板(1)的损耗角正切为0.02；
所述介质基板(1)的厚度为0.5mm，表面呈正方形，边长为11mm。
4.如权利要求3所述一种超宽带可调超表面吸波体单元，其特征在于：
位于外侧的第一金属贴片(2)呈正方形，边长为4mm；
位于中部的第一金属贴片(2)的长边边长为4mm，短边边长为3.5mm，且其长边与各金属贴片的设置方向垂直。
5.如权利要求4所述一种超宽带可调超表面吸波体单元，其特征在于：
所述第二金属贴片(3)的上底长度为4mm，下底长度为6mm，高度为1.8mm。
6.一种贴片阵列，其特征在于：包括多个呈矩阵排布的超表面吸波体单元(6)；
所述超表面吸波体单元(6)包括介质基板(1)；所述介质基板(1)的底面为完整的金属板，顶面上设置有两个第一金属贴片(2)和一个第二金属贴片(3)；所述第一金属贴片(2)呈矩形，所述第二金属贴片(3)呈梯形，两个所述第一金属贴片(2)和一个所述第二金属贴片(3)依次沿介质基板(1)的中线设置，相邻金属贴片间留有间隙，其中，一个第一金属贴片(2)的长边与介质基板(1)的一个侧边对齐，第二金属贴片(3)的下底与介质基板(1)的另一个侧边对齐；两个所述第一金属贴片(2)之间串联有变容二极管(4)，位于中部的第一金属贴片(2)和第二金属贴片(3)之间串联有开关二极管(5)；
各超表面吸波体单元(6)中位于外侧的第一金属贴片(2)通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的一个正极，各超表面吸波体单元(6)中位于中部的第一金属贴片(2)通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的负极，各超表面吸波体单元(6)中的第二金属贴片(3)通过高阻抗偏置线相连，并连接于直流电压源的另一个正极。
7.如权利要求6所述一种贴片阵列，其特征在于：所述介质基板(1)采用FR4板材，相对介电常数为4.4。
8.如权利要求6或7所述一种贴片阵列，其特征在于：
所述介质基板(1)的损耗角正切为0.02；
所述介质基板(1)的厚度为0.5mm，表面呈正方形，边长为11mm。
9.如权利要求8所述一种贴片阵列，其特征在于：
位于外侧的第一金属贴片(2)呈正方形，边长为4mm；
位于中部的第一金属贴片(2)的长边边长为4mm，短边边长为3.5mm，且其长边与各金属贴片的设置方向垂直；
所述第二金属贴片(3)的上底长度为4mm，下底长度为6mm，高度为1.8mm。
10.一种权利要求6至9任一所述贴片阵列的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据实际需要，确定贴片阵列所需吸波峰值对应的频率；
S2，断开或导通所述开关二极管(5)；
若所需吸波峰值对应的频率在第一频段内，则断开所述开关二极管(5)；
若所需吸波峰值对应的频率在第二频段内，则导通所述开关二极管(5)；
所述第一频段的上限值为第一频段和第二频段合集的上限值，第二频段的下限值为第一频段和第二频段合集的下限；
S3，调节变容二极管(4)的容值；
所述吸波峰值对应的频率与所述变容二极管(4)的容值成反比。
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