CN113809545A - 一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，包括亚波长吸波单元阵列和位于亚波长吸波单元阵列中心的非线性感应控制模块，所述亚波长吸波单元阵列由多个加载PIN二极管的亚波长吸波单元呈周期排列而成；所述非线性吸波超表面的吸波效率随入射波在表面上功率密度的变化而变化，功率密度越大，吸波效率越高；所述非线性吸波超表面具有极薄的厚度和较宽的工作频带，在入射波的任意极化状态和大角度入射条件下均表现出非线性吸波超表面随入射波强度变化的吸波特性。因而能够用于减小强电磁波对敏感电子设备的电磁干扰，而不影响对这些设备有用的小信号的传播。

Description

一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面
技术领域
本发明涉及一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面设计技术，可用于减小强电磁波对敏感电子设备的无线信号干扰，而不影响对这些设备有用的小信号的传播，属于新型人工电磁表面技术领域。
背景技术
如今，无线电技术的广泛应用对社会、经济、军事的发展注入了强劲动力。然而，无线电发射机数量日益增多，不同设备在有限空间中的分布愈加紧凑，导致设备间的电磁干扰越来越严重。特别是来自雷达发射机、广播发射站等设备的高功率微波信号对邻近小功率无线电接收机的正常工作产生了极大的影响。常用的微波吸波材料是可选方案之一，但它们在吸收高强度微波信号的同时也对有用的小信号呈现强衰减作用，会不可避免地影响低功率设备的正常工作。如何在不影响有用小信号传输的同时减小高强度微波的干扰是当前无线电技术发展中所面临的难题。因此，具有强度依赖特性的非线性吸波材料开始受到关注。与吸波效率固定的普通吸波材料不同，这种非线性材料的吸波效率随入射波强度的增大而增强，因此可以对强电磁波呈现高吸收性能，而几乎不影响小信号。
为了获得对空间电磁波的高吸波效率，吸波材料的输入阻抗需要与自由空间的特征阻抗匹配，才能使能量进入材料内部被吸收，而不会被反射。尽管目前已有基于各类材料和原理的吸波材料，例如尖劈泡沫、索尔兹伯里屏、铁氧体、碳纤维、超材料、石墨烯等，也有基于电磁超表面技术的超薄可调谐吸波材料，但这些材料的输入阻抗都不随入射波强度变化，因而不具备非线性吸波能力。在此之前，已有针对电磁表面波的非线性吸波材料的研究。表面波是一种特殊的电磁波传输模式，存在于两种不同材料的分界面上，例如金属-空气分界面。但对于更加普遍存在的空间电磁波，还未见非线性吸波材料的报道。
发明内容
本发明正是在现有背景下，提供了一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，能够用于减小强电磁波对敏感电子设备的电磁干扰，而不影响对这些设备有用的小信号的传播。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，包括亚波长吸波单元阵列和位于亚波长吸波单元阵列中心的非线性感应控制模块，所述亚波长吸波单元阵列由多个加载PIN二极管的亚波长吸波单元呈周期排列而成；所述非线性吸波超表面的吸波效率随入射波在表面上功率密度的变化而变化，功率密度越大，吸波效率越高；所述非线性吸波超表面具有极薄的厚度（厚度小于0.08λ0，λ0为超表面工作中心频率所对应的自由空间波长）和较宽的工作频带（非线性吸波效率范围在30%~70%所对应的相对频带宽度大于10%），在入射波的任意极化状态和大角度入射条件下均表现出非线性吸波超表面随入射波强度变化的吸波特性。
作为本发明的一种改进，所述亚波长吸波单元为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、介质层、第二金属层、空气层和第三金属层。
所述亚波长吸波单元的第一金属层包括位于亚波长吸波单元中间的正方形贴片、位于亚波长吸波单元边沿的方形环贴片导线以及所述正方形贴片与方形环贴片导线之间的矩形贴片和PIN二极管；所述第二金属层包含一个十字贴片导线；所述第三金属层为全金属覆盖；所述介质层的中心处有一个竖直金属通孔，用于将所述第一层金属的正方形贴片与第二金属层的十字贴片导线连接在一起。所述PIN二极管与矩形贴片在x方向和y方向各有两对；每一个PIN二极管的阳极位于所述第一层金属的正方形贴片上；所述亚波长吸波单元以x轴和y轴对称，对x极化电磁波和y极化电磁波的吸波效率均受到PIN二极管的等效电阻调控。
作为本发明的另一种改进，所述亚波长吸波单元阵列中所有第一金属层的方形环贴片导线连成了网格状导线；所述亚波长吸波单元阵列中所有第二金属层的十字贴片导线连成了网格状导线；所述亚波长吸波单元阵列中所有第一金属层的正方形贴片与第二金属层的网格状导线被所有竖直金属通孔连接在一起；所述亚波长吸波单元阵列中所有PIN二极管呈并联连接，形成PIN二极管阵列，其两端电压等于第一金属层网格状导线和第二金属层网格状导线之间的电压。在所述第一金属层网格状导线和第二金属层网格状导线之间施加直流电压，使所有PIN二极管处于正向偏置状态；正向直流电压在PIN二极管上产生直流电流，且电压越大，电流越大，PIN二极管的等效电阻越小；亚波长吸波单元阵列的输入阻抗随PIN二极管等效电阻变化，若PIN二极管两端正向直流电压增大，亚波长吸波单元阵列的输入阻抗将接近自由空间的特征阻抗，最终使亚波长吸波单元阵列对空间入射波的吸波效率增大。
作为本发明的另一种改进，所述非线性感应控制模块为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层。所述非线性感应控制模块的第一金属层为微带天线，包含一个正方形贴片辐射器和两个用于改善天线输入阻抗的谐振器；其中一个谐振器垂直于x方向，另一个谐振器垂直于y方向，每个谐振器包含两根长度不同的偶极子臂和与较长偶极子臂相接的矩形金属贴片，正方形贴片辐射器的边长约为微带天线工作频率所对应的二分之一波长；所述第二金属层为微带天线的反射金属地；所述第三层金属为两个整流放大电路，用于获取入射电磁波强度，并根据相应极化的入射波功率密度输出直流电压，且功率密度越大，直流电压越大；两个竖直金属盲孔分别从两个谐振器的较长偶极子臂中心出发，穿过第一介质层，与反射金属地连接；两个竖直金属通孔分别从与较长偶极子臂相接的矩形金属贴片出发，穿过第一介质层、第二金属层、第二介质层后，将与较长偶极子臂相接的矩形金属贴片和第三金属层的两个整流放大电路连接。所述两个竖直金属通孔均不与第二金属层接触。
作为本发明的另一种改进，所述非线性感应控制模块的两个竖直金属通孔将微带天线接收到的x和y极化入射波能量馈入与之连接的整流放大电路，两个整流放大电路的输出端与PIN二极管正极连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果和技术优势：
1. 目前已有的绝大部分吸波材料不具备随入射波强度变化的吸波效率。本发明中的超表面具有随入射波功率密度增大而增强的吸波效率。
2. 目前已有的非线性吸波材料只针对电磁表面波。表面波是一种特殊的电磁波传输模式，存在于两种不同材料的分界面上，例如金属-空气分界面。本发明是首例针对空间入射电磁波的、具有大入射角度、适应于任意入射波极化状态的非线性吸波超表面。
3. 目前已有的非线性吸波材料的瞬时工作频带较窄，且吸波效率变化范围较窄。本发明中超表面的工作机制采用有源非线性机制，因此具有较宽的瞬时工作频带和较宽的吸波效率变化范围。
4. 本发明中超表面的吸波特性基于电磁波在结构中产生的磁谐振损耗效应，不依赖PIN二极管的损耗，因此具有较高的功率容量。
5. 本发明可利用成熟的印制电路板加工工艺和元器件表贴技术制备，具有加工难度小、成本低廉等优点。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
在附图中：
图1为本发明一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面的正面结构示意图（右上给出了亚波长吸波单元的正面结构放大示意图，右下给出了非线性感应控制模块的正面结构放大示意图）；
图2（a）为本发明实施例中一个亚波长吸波单元的三维结构示意图；
图2（b）为本发明实施例中，亚波长吸波单元阵列的吸波效率随PIN二极管等效电阻变化的仿真结果；
图2（c）为本发明实施例中，当PIN二极管的等效电阻为25欧姆时亚波长吸波单元阵列的输入阻抗仿真结果；
图2（d）为本发明实施例中，当PIN二极管的等效电阻为2000欧姆时亚波长吸波单元阵列的输入阻抗仿真结果；
图3 （a）为本发明实施例中一个非线性感应控制模块的三维结构示意图；
图3（b）为图3 （a）的正面示意图；
图3（c）为非线性感应控制模块中的整流放大电路图；
图4（a）为本发明实施例中非线性吸波超表面的加工实物照片；
图4（b）为本发明实施例中加工的非线性感应控制模块的输出电压测试结果；
图4（c）为本发明实施例中加工的非线性感应控制模块的输出电流测试结果；
图5为本发明实施例中非线性吸波超表面样件的测试结果，其中，
图（a）为x极化波垂直入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到0.63mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（b）为TE极化波以20度入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到1.00mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（c）为TE极化波以40度入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到2.39mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（d）为TE极化波以60度入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到3.15mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（e）为y极化波垂直入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到0.63mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（f）为TM极化波以20度入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到0.63mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（g）为TM极化波以40度入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到1.00mW/cm2时的吸波效率测试结果；
图（h）为TM极化波以60度入射时，功率密度从0.02mW/cm2增大到1.58mW/cm2时的吸波效率测试结果。
附图标识：1. 亚波长吸波单元阵列、2.亚波长吸波单元、21.正方形贴片、22.方形环贴片导线、23.矩形贴片、24.PIN二极管、25.介质层、26.十字贴片导线、27.竖直金属通孔、28.空气层、29.第三金属层、3.非线性感应控制模块、31.正方形贴片辐射器、32.谐振器、33.第一介质层、34.反射金属地、35. 第二介质层、36.竖直金属通孔、37.竖直金属盲孔、38. 整流放大电路、39. 整流放大电路、311.电路芯片、312.电路芯片、321.较短偶极子臂、322.较长偶极子臂、323.矩形金属贴片。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，包括亚波长吸波单元阵列1和位于亚波长吸波单元阵列1中心的非线性感应控制模块3；其中，亚波长吸波单元阵列1由多个加载PIN二极管的亚波长吸波单元2呈周期排列而成。
以下给出上述实施例关于亚波长吸波单元的一优选实施例：
如图2（a）所示，亚波长吸波单元2为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、介质层25、第二金属层、空气层28和第三金属层29。
具体的方案：第一金属层包括位于亚波长吸波单元2中间的正方形贴片21、位于亚波长吸波单元2边沿的方形环贴片导线22以及正方形贴片21与方形环贴片导线22之间的矩形贴片23和PIN二极管24。PIN二极管24与矩形贴片23在x方向和y方向各有两对，因此共有四对。每一个PIN二极管24的阳极位于第一层金属的正方形贴片21上。
第二金属层包含一个十字贴片导线26；第三金属层29为全金属覆盖；介质层25的中心处有一个竖直金属通孔27，用于将第一层金属的正方形贴片21与第二金属层的十字贴片导线26连接在一起。
需要说明的是，亚波长吸波单元2以x轴和y轴对称，即为各向同性设计。
具体的方案：亚波长吸波单元阵列1中所有第一金属层的方形环贴片导线22连成了网格状导线；亚波长吸波单元阵列1中所有第二金属层的十字贴片导线26连成了网格状导线；亚波长吸波单元阵列1中所有第一金属层的正方形贴片21与第二金属层的网格状导线被所有竖直金属通孔27连接在一起；亚波长吸波单元阵列1中所有PIN二极管24呈并联连接，形成PIN二极管阵列，其两端电压等于第一金属层网格状导线和第二金属层网格状导线之间的电压。在第一金属层网格状导线和第二金属层网格状导线之间施加直流电压，使所有PIN二极管24处于正向偏置状态；正向直流电压在PIN二极管24上产生直流电流，且电压越大，电流越大，PIN二极管24的等效电阻越小；亚波长吸波单元阵列1的输入阻抗随PIN二极管等效电阻变化，若PIN二极管24两端正向直流电压增大，亚波长吸波单元阵列1的输入阻抗将接近自由空间的特征阻抗，最终使亚波长吸波单元阵列1对空间入射波的吸波效率增大。
以下给出一组实施例对上述的亚波长吸波单元的特性进行了仿真。
本实施采用商用电磁仿真软件CST对亚波长吸波单元的输入阻抗和吸波效率进行了仿真。亚波长吸波单元2的结构参数为：p=22mm, a=17.6mm, w=0.2mm, g=2mm, h 1 =2.5mm, 空气层28的厚度h 2 =1mm。介质层25的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027。本实施例中PIN二极管24的选型为Skyworks的SMP1320。
由于亚波长吸波单元2关于x轴和y轴均对称，因此对x极化电磁波和y极化电磁波的吸波效率均受到PIN二极管24的等效电阻调控。由于PIN二极管24的等效电阻由它们的正偏直流电压决定，因此可通过调节第一、第二金属层网格导线之间的电压来调控阵列的吸波效率。
仿真吸波效率结果如图2(b)所示，可见，随着PIN二极管等效电阻的减小，5.0GHz至5.5GHz范围内的吸波效率逐渐增大。当PIN二极管的等效电阻Rd为25欧姆时，5.25GHz的吸波效率接近100%，吸波效率在70%以上的频带范围为4.8GHz到5.62GHz，对应相对带宽15.7%；而当Rd为2000欧姆时，5.25GHz的吸波效率低于3.5%。
图2(c)和图2 (d)分别给出了等效电阻Rd为25欧姆和2000欧姆时单元阵列的输入阻抗，当Rd=25欧姆时，单元阵列在5.0GHz到5.5GHz范围内的输入电阻接近377欧姆，即自由空间的特征阻抗，而电抗曲线在5.25GHz处穿过0欧姆线，说明在此频率附近的电抗接近0欧姆。这意味着单元阵列在此频率范围内的输入阻抗与自由空间匹配；而当Rd=2000欧姆时，单元阵列在5.0GHz到5.5GHz范围内的输入阻抗远离377欧姆，与自由空间不匹配。这就解释了图2(b)所显示的吸波率变化依据，即单元阵列的输入阻抗越接近自由空间的特征阻抗，其对空间入射波的吸波效率越高。应理解该频率范围取决于单元结构参数，仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的结构参数的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
以下给出上述实施例关于非线性感应控制模块的一优选实施例：
如图3（a）、3（b）所示，非线性感应控制模块3为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、第一介质层33、第二金属层、第二介质层35、第三金属层。
具体的方案：第一金属层为微带天线，包含一个正方形贴片辐射器31和两个用于改善天线输入阻抗的谐振器32；其中一个谐振器垂直于x方向，另一个谐振器垂直于y方向，每个谐振器32包含一根较短偶极子臂321、一根较长偶极子臂322和与较长偶极子臂322相接的矩形金属贴片323，正方形贴片辐射器31的边长约为微带天线工作频率所对应的二分之一波长；第二金属层为微带天线的反射金属地34；第三层金属为整流放大电路38和整流放大电路39，用于获取入射电磁波强度，并根据相应极化的入射波功率密度输出直流电压，且功率密度越大，直流电压越大。
两个竖直金属盲孔37分别从两个谐振器32的较长偶极子臂322中心出发，穿过第一介质层33，与反射金属地34连接；两个竖直金属通孔36分别从与较长偶极子臂322相接的矩形金属贴片323出发，穿过第一介质层33、第二金属层、第二介质层35后，将与较长偶极子臂322相接的矩形金属贴片323和第三金属层的整流放大电路38和整流放大电路39连接。两个竖直金属通孔36将微带天线接收到的x和y极化入射波能量馈入与之连接的整流放大电路，两个整流放大电路的输出端与PIN二极管正极连接。两个竖直金属通孔36不与第二金属层接触。
以下给出一组实施例对上述的非线性感应控制模块中的微带天线特性进行了仿真。
在图3(c)中显示了整流放大电路38和整流放大电路39的电路图，其中电路芯片311和电路芯片312为Linear Technology公司的LTC5535。结构参数为b=22 mm, l1=16 mm,l2=13.6 mm, l3=13.3 mm, w1=0.8 mm, w2=0.5 mm, d1=0.6 mm, d2=0.4 mm, 第一层介质33厚度为1.5 mm, 第二层介质35厚度为1 mm。
仿真结果显示，微带天线的-10dB阻抗带宽为5.06GHz至5.50GHz，相对带宽8.3%。在此频率范围内，微带天线在x极化和y极化方向的方向性系数均大于4dBi，且最大值方向与天线平面垂直，微带天线的远场方向图半功率角为±46°。当y极化波入射时，正方形贴片辐射器31接收到的电磁波能量由谐振器32和竖直金属通孔输入到整流放大电路39，整流放大电路39根据入射波强度输出直流电压；当x极化波入射时，正方形贴片辐射器31接收到的电磁波能量由谐振器32和竖直金属通孔输入到整流放大电路38，整流放大电路38根据入射波强度输出直流电压，如图3(c)所示。应理解该频率范围取决于单元结构参数，仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的结构参数的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
以下给出一组实施例对上述的非线性感应控制模块的特性进行了测试。
如图4（a）所示，本实施例加工了非线性吸波超表面实物，包括224个亚波长吸波单元和位于亚波长吸波单元阵列中心的非线性感应控制模块，非线性感应控制模块的放大照片显示在图4(a)右上角。非线性感应控制模块电路参数为R1=36kΩ, R2=10kΩ, C1=0.1μF,C2=100pF, C3=33pF, Vcc=4V。
图4(b)显示了分别在x极化和y极化波垂直入射条件下，当非线性感应控制模块表面的功率密度从0.016mW/cm2增大到3.00mW/cm2时，测试得到的非线性感应控制模块的输出电压，入射波的频率取5.0 GHz、5.2 GHz、5.4 GHz。可见当入射功率密度最小时，非线性感应控制模块的输出直流电压为0.49V，随着功率密度的不断增大，直流电压随之上升，当功率密度为3.00 mW/cm2时，所有频率信号所获得的直流电压都超过了0.9V。由于非线性感应控制模块对x极化和y极化入射波所采用的接收天线和整流放大电路完全相同，因此非线性感应控制模块对此正交极化信号所产生的直流电压也非常接近。当非线性感应控制模块的输出端连接PIN二极管的阳极时，PIN二极管处于正向偏置状态，图4(c)显示了分别在x极化和y极化波垂直入射条件下，当非线性感应控制模块表面的功率密度从0.016mW/cm2增大到3.00 mW/cm2时，测试得到的非线性感应控制模块的输出电流，入射波的频率取5.0 GHz、5.2 GHz、5.4 GHz。可见，测得直流电流随入射波功率密度的增强而从2mA增大到80mA，可以计算得到，通过每只PIN二极管的直流电流从893μA增大到0.35mA，根据PIN二极管特性，其等效电阻从数千欧姆降低到几欧姆。参考上述仿真结果，可以预见所述非线性超表面随入射波强度变化的吸波特性。
以下给出一组实施例对上述的非线性吸波超表面的特性进行了测试。
图5给出了非线性吸波超表面在不同入射功率密度、不同入射角度、不同入射极化条件下的吸波性能。其中，图5(a)为x极化垂直入射条件下的吸波效率，可见，当功率密度为0.63mW/cm2时，最高吸波效率96.4%出现在5.24GHz，吸波效率在70%以上的频带为4.80GHz至5.43GHz，相对带宽12.3%；而当功率密度为0.02mW/cm2时，该频率下的最低吸波效率仅为23.0%，在上述频带范围内的吸波效率均低于30%。从图5(e)所显示的y极化垂直入射条件下的吸波效率结果来看，与x极化垂直入射结果非常相似，这是因为所述超表面的各向同性设计所致。
图5(b)-(d)给出了横电（TE）极化波入射角度从0度增大到60度条件下的非线性吸波效率。可见，入射角为20度和40度的结果非常相似，显示了较高的角度稳定性；即便入射角增大至60度，仍能观察到较强的非线性吸波效果，当功率密度为0.02mW/cm2时，5.29GHz频率下的吸波效率为24.1%，而当功率密度为3.15mW/cm2时，吸波效率能够达到75.8%。
图5(f)-(h)给出了横磁（TM）极化波入射角度从0度增大到60度条件下的非线性吸波效率。可见，直到入射角增大至60度时，所述超表面仍旧显示较强的非线性吸波性能，当入射波功率密度为1.58mW/cm2时，在5.38GHz频率下的吸波效率达到98%，吸波效率在70%以上的频带为5.00GHz至5.49GHz，相对带宽9.3%。在5.4GHz，当功率密度从0.02mW/cm2增大到1.58mW/cm2时，吸波效率从26%增大至97.5%。
综上，本发明中的超表面具有随入射波功率密度增大而增强的吸波效率；本发明是首例针对空间入射电磁波的、具有大入射角度、适应于任意入射波极化状态的非线性吸波超表面；本发明中超表面的工作机制采用有源非线性机制，因此具有较宽的瞬时工作频带和较宽的吸波效率变化范围；本发明中超表面的吸波特性基于电磁波在结构中产生的磁谐振损耗效应，不依赖PIN二极管的损耗，因此具有较高的功率容量；本发明可利用成熟的印制电路板加工工艺和元器件表贴技术制备，具有加工难度小、成本低廉等优点。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
包括亚波长吸波单元阵列和位于亚波长吸波单元阵列中心的非线性感应控制模块，所述亚波长吸波单元阵列由多个加载PIN二极管的亚波长吸波单元呈周期排列而成；
所述非线性吸波超表面的吸波效率随入射波在表面上功率密度的变化而变化，功率密度越大，吸波效率越高；
所述非线性吸波超表面具有极薄的厚度和较宽的工作频带，在入射波的任意极化状态和大角度入射条件下均表现出非线性吸波超表面随入射波强度变化的吸波特性。
2.根据权利要求1所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述亚波长吸波单元为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、介质层、第二金属层、空气层和第三金属层。
3.根据权利要求2所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述亚波长吸波单元的第一金属层包括位于亚波长吸波单元中间的正方形贴片、位于亚波长吸波单元边沿的方形环贴片导线以及所述正方形贴片与方形环贴片导线之间的矩形贴片和PIN二极管；
所述第二金属层包含一个十字贴片导线；
所述第三金属层为全金属覆盖；
所述介质层的中心处有一个竖直金属通孔，用于将所述第一层金属的正方形贴片与第二金属层的十字贴片导线连接在一起。
4.根据权利要求3所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述PIN二极管与矩形贴片在x方向和y方向各有两对；
每一个PIN二极管的阳极位于所述第一层金属的正方形贴片上；
所述亚波长吸波单元以x轴和y轴对称，对x极化电磁波和y极化电磁波的吸波效率均受到PIN二极管的等效电阻调控。
5.根据权利要求3所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述亚波长吸波单元阵列中所有第一金属层的方形环贴片导线连成了网格状导线；
所述亚波长吸波单元阵列中所有第二金属层的十字贴片导线连成了网格状导线；
所述亚波长吸波单元阵列中所有第一金属层的正方形贴片与第二金属层的网格状导线被所有竖直金属通孔连接在一起；
所述亚波长吸波单元阵列中所有PIN二极管呈并联连接，形成PIN二极管阵列，其两端电压等于第一金属层网格状导线和第二金属层网格状导线之间的电压。
6.根据权利要求5所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
在所述第一金属层网格状导线和第二金属层网格状导线之间施加直流电压，使所有PIN二极管处于正向偏置状态；
正向直流电压在PIN二极管上产生直流电流，且电压越大，电流越大，PIN二极管的等效电阻越小；
亚波长吸波单元阵列的输入阻抗随PIN二极管等效电阻变化，若PIN二极管两端正向直流电压增大，亚波长吸波单元阵列的输入阻抗将接近自由空间的特征阻抗，最终使亚波长吸波单元阵列对空间入射波的吸波效率增大。
7.根据权利要求1所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述非线性感应控制模块为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层。
8.根据权利要求7所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述非线性感应控制模块的第一金属层为微带天线，包含一个正方形贴片辐射器和两个用于改善天线输入阻抗的谐振器；其中一个谐振器垂直于x方向，另一个谐振器垂直于y方向，每个谐振器包含两根长度不同的偶极子臂和与较长偶极子臂相接的矩形金属贴片，正方形贴片辐射器的边长约为微带天线工作频率所对应的二分之一波长；
所述第二金属层为微带天线的反射金属地；
所述第三层金属为两个整流放大电路，用于获取入射电磁波强度，并根据相应极化的入射波功率密度输出直流电压，且功率密度越大，直流电压越大；
两个竖直金属盲孔分别从两个谐振器的较长偶极子臂中心出发，穿过第一介质层，与反射金属地连接；
两个竖直金属通孔分别从与较长偶极子臂相接的矩形金属贴片出发，穿过第一介质层、第二金属层、第二介质层后，将与较长偶极子臂相接的矩形金属贴片和第三金属层的两个整流放大电路连接。
9.根据权利要求8所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述非线性感应控制模块的两个竖直金属通孔将微带天线接收到的x和y极化入射波能量馈入与之连接的整流放大电路，两个整流放大电路的输出端与PIN二极管正极连接。
10.根据权利要求8所述的一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，其特征在于：
所述两个竖直金属通孔均不与第二金属层接触。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114144053A (zh) * 2021-12-20 2022-03-04 重庆邮电大学 一种具备双重动态调控的复合吸波体及其制备方法和应用
CN115000718A (zh) * 2022-07-20 2022-09-02 中国人民解放军国防科技大学 一种宽角度稳定的超表面
CN117748152A (zh) * 2023-12-29 2024-03-22 江苏赛博空间科学技术有限公司 一种1-bit并联电感加载馈电可吸波智能超表面

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2266995A (en) * 1981-04-28 1993-11-17 Radant Etudes Microwave spatial attenuator panel
WO2015187221A2 (en) * 2014-03-06 2015-12-10 California Institute Of Technology Systems and methods for implementing electrically tunable metasurfaces
CN105846110A (zh) * 2016-04-11 2016-08-10 电子科技大学 一种双极化同步可调的吸波器
CN106058483A (zh) * 2016-07-08 2016-10-26 西安电子科技大学 极化稳定的宽频带吸波材料
CN106849379A (zh) * 2017-03-15 2017-06-13 南京邮电大学 基于宽频带吸波器的电磁能量收集、存储和供电装置
CN108832304A (zh) * 2018-06-13 2018-11-16 重庆邮电大学 双极化频率选择表面的超高频二相调制板及其使用方法
CN109687157A (zh) * 2018-12-28 2019-04-26 西安电子科技大学 基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面
CN109904623A (zh) * 2019-03-12 2019-06-18 东南大学 一种宽带吸波、散射可调超表面
CN110034410A (zh) * 2019-05-10 2019-07-19 东南大学 一种多功能的非线性超表面
CN110444899A (zh) * 2019-09-04 2019-11-12 东南大学 一种非互易功能可定制的非线性超表面
WO2020019675A1 (zh) * 2018-07-27 2020-01-30 深圳光启尖端技术有限责任公司 吸波透波一体化装置及天线罩
CN111525277A (zh) * 2020-04-24 2020-08-11 太原理工大学 一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器
CN112086758A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 重庆大学 一种基于狄拉克半金属和水的双控、宽带太赫兹波吸收器
CN112448170A (zh) * 2020-11-27 2021-03-05 中国人民解放军空军工程大学 P-s频段的超宽带吸波超构表面及低散射系统
CN112928491A (zh) * 2021-01-13 2021-06-08 电子科技大学 一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料
WO2021170556A1 (en) * 2020-02-27 2021-09-02 Ilmsens Gmbh Ultra-wide band antenna system
CN113346249A (zh) * 2021-06-10 2021-09-03 西安电子科技大学 一种水基夹层超表面可调相干吸波体

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2266995A (en) * 1981-04-28 1993-11-17 Radant Etudes Microwave spatial attenuator panel
WO2015187221A2 (en) * 2014-03-06 2015-12-10 California Institute Of Technology Systems and methods for implementing electrically tunable metasurfaces
CN105846110A (zh) * 2016-04-11 2016-08-10 电子科技大学 一种双极化同步可调的吸波器
CN106058483A (zh) * 2016-07-08 2016-10-26 西安电子科技大学 极化稳定的宽频带吸波材料
CN106849379A (zh) * 2017-03-15 2017-06-13 南京邮电大学 基于宽频带吸波器的电磁能量收集、存储和供电装置
CN108832304A (zh) * 2018-06-13 2018-11-16 重庆邮电大学 双极化频率选择表面的超高频二相调制板及其使用方法
WO2020019675A1 (zh) * 2018-07-27 2020-01-30 深圳光启尖端技术有限责任公司 吸波透波一体化装置及天线罩
CN109687157A (zh) * 2018-12-28 2019-04-26 西安电子科技大学 基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面
CN109904623A (zh) * 2019-03-12 2019-06-18 东南大学 一种宽带吸波、散射可调超表面
CN110034410A (zh) * 2019-05-10 2019-07-19 东南大学 一种多功能的非线性超表面
CN110444899A (zh) * 2019-09-04 2019-11-12 东南大学 一种非互易功能可定制的非线性超表面
WO2021170556A1 (en) * 2020-02-27 2021-09-02 Ilmsens Gmbh Ultra-wide band antenna system
CN111525277A (zh) * 2020-04-24 2020-08-11 太原理工大学 一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器
CN112086758A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 重庆大学 一种基于狄拉克半金属和水的双控、宽带太赫兹波吸收器
CN112448170A (zh) * 2020-11-27 2021-03-05 中国人民解放军空军工程大学 P-s频段的超宽带吸波超构表面及低散射系统
CN112928491A (zh) * 2021-01-13 2021-06-08 电子科技大学 一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料
CN113346249A (zh) * 2021-06-10 2021-09-03 西安电子科技大学 一种水基夹层超表面可调相干吸波体

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KYPROS M. KOSSIFOS: "Toward the Realization of a Programmable Metasurface Absorber Enabled by Custom Integrated Circuit Technology", 《IEEE ACCESS》 *
ZHANGJIE LUO: "The Development of Nonlinear Metasurface Absorbers: From Passive to Active", 《IEEE ACCESS》 *
宋健: "基于集总元件的超材料吸波器研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）》 *
高祥: "基于频率选择表面的吸波结构设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114144053A (zh) * 2021-12-20 2022-03-04 重庆邮电大学 一种具备双重动态调控的复合吸波体及其制备方法和应用
CN114144053B (zh) * 2021-12-20 2024-04-12 重庆邮电大学 一种具备双重动态调控的复合吸波体及其制备方法和应用
CN115000718A (zh) * 2022-07-20 2022-09-02 中国人民解放军国防科技大学 一种宽角度稳定的超表面
CN117748152A (zh) * 2023-12-29 2024-03-22 江苏赛博空间科学技术有限公司 一种1-bit并联电感加载馈电可吸波智能超表面

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