CN205863403U - 可调谐超材料结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调谐超材料结构，该可调谐超材料结构包括：基板；多个导电几何结构单元，设置于基板上，并且每个导电几何结构单元包括有谐振环结构，谐振环结构为对称图案，谐振环结构上设有至少一个开口，以及，每个开口处设置有通过调整其电性能参数来实现谐振环结构对电磁波进行调制的可调器。本实用新型通过改变可调器的电容、电阻或电感参数来控制可调谐超材料结构的电磁响应，从而实现对电磁波的响应频率的可调，并扩大电磁波的频率调制范围。

Description

可调谐超材料结构

技术领域

本实用新型涉及电磁波控制技术领域，具体来说，涉及一种可调谐超材料结构。

背景技术

为了实现微结构对电磁波的响应可调频的目的，在相关技术中，主要包括以下几种方式：一种为将竖直排列的金属线与开口谐振环构成金属微结构来实现上述目的，但是这种方式仅仅可以在微波段实现对电磁波的调控，并且其电磁响应时由金属微结构的尺寸决定的，即一旦该金属微结构的尺寸定制完成，那么该金属微结构仅仅可以对某一频段的微波进行调制，且可调制的频段不可改变，因此并不能够实现对电磁波的灵活调制；另一种则是利用热敏或光敏调制器来进行电磁波的调整，但是这种方案仅仅可以在高频范围内实现对电磁波的调制，而在微波领域此类调制器并不太适用。

针对相关技术中的电磁波响应频率不可调以及响应的电磁波频率范围受限问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

针对相关技术中的电磁波响应频率不可调以及响应的电磁波频率范围受限问题，本实用新型提出一种可调谐超材料结构，能够实现对电磁波的响应频率的可调，并扩大电磁波的频率调制范围。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种可调谐超材料结构。

该可调谐超材料结构包括：

基板；

多个导电几何结构单元，设置于基板上，并且每个导电几何结构单元包括有呈谐振环结构，谐振环结构为对称图案，谐振环结构上设有至少一个开口，以及，每个开口处设置有通过调整其电性能参数来实现谐振环结构对电磁波进行调制的可调器。

根据本实用新型的一个实施例，谐振环结构包括：

第一子谐振环结构，

第二子谐振环结构，与第一子谐振环结构相连；

其中，第一子谐振环结构和第二子谐振环结构在连接处形成有共用线结构；以及

第一子谐振环结构由第一侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成，第二子谐振环结构由第二侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成；以及

第一子谐振环结构和第二子谐振环结构沿共用线结构对称设置。

根据本实用新型的一个实施例，开口设置在共用线结构上。

根据本实用新型的一个实施例，开口分别设置在第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上。

根据本实用新型的一个实施例，开口分别设置在共用线结构、第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上。

根据本实用新型的一个实施例，多个导电几何结构单元以周期性阵列的方式进行排布。

根据本实用新型的一个实施例，基板上划分有多个单元格，每个单元格上设置一个导电几何结构单元，并且，各个单元格上所设置的导电几何结构单元之间相互无电磁耦合。

根据本实用新型的一个实施例，谐振环结构的外轮廓呈圆形、椭圆形或闭合多边形。

根据本实用新型的一个实施例，可调器为电控可调器、热控可调器或光控可调器。

根据本实用新型的一个实施例，可调器为变容二极管。

本实用新型提供的可调谐超材料结构，其上的呈对称设置的谐振环结构等效于两个电感L并联，开口等效于一个电容C，组成一个LC电路，通过改变可调器的电容、电阻或电感参数来控制LC电路的电磁响应，从而实现可调谐超材料结构对电磁波的响应频率的可调，并扩大电磁波的频率调制范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1a是根据本实用新型一个实施例的可调谐超材料结构的示意图；

图1b是根据图1a所示的可调谐超材料结构的电磁波频率响应的仿真图；

图2a是根据本实用新型另一个实施例的可调谐超材料结构的示意图；

图2b是根据图2a所示的可调谐超材料结构的电磁波频率响应的仿真图；

图3a是根据本实用新型又一个实施例的可调谐超材料结构的示意图；

图3b是根据图3a所示的可调谐超材料结构的电磁波频率响应的仿真图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的实施例，提供了一种可调谐超材料结构。

根据本实用新型实施例的可调谐超材料结构包括：

基板；

多个导电几何结构单元，设置于基板上，并且每个导电几何结构单元包括有谐振环结构，谐振环结构为对称图案，谐振环结构上设有至少一个开口，以及，每个开口处设置有通过调整其电性能参数来实现谐振环结构对电磁波进行调制的可调器。

通过本实用新型的上述方案，能够实现谐振频率的可调，以解决相关技术中超材料结构对电磁波响应不可调频的问题；并且，由于在对电磁波的响应进行调节时借助的是对可调器的参数调整，因此，能够实现对电磁波的灵活调制，扩大电磁波的频率调制范围。

根据本实用新型的一个实施例，谐振环结构包括：

第一子谐振环结构，

第二子谐振环结构，与第一子谐振环结构相连；

其中，第一子谐振环结构和第二子谐振环结构在连接处形成有共用线结构；以及

第一子谐振环结构由第一侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成，第二子谐振环结构由第二侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成；以及

第一子谐振环结构和第二子谐振环结构沿共用线结构对称设置。

在该实施例中，以图1a所示为例，该导电几何结构单元包括一个谐振环结构12，该谐振环结构包括：第一子谐振环结构15、第二子谐振环结构16以及该两个子谐振环结构的连接处形成的共用线结构14，其中，在图1a中，中间为共用线结构14，左侧为第一子谐振环结构15，该第一子谐振环结构15由左侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成，而右侧为第二子谐振环结构16，该第二子谐振环结构16为右侧非闭合谐振环结构与共用线结构组成，该第一子谐振环结构15和第二子谐振环结构16关于共用线结构对称。当然，应该可以理解，第一子谐振环结构也可以处于右侧，本实用新型不局限于此。

根据本实用新型的一个实施例，开口设置在共用线结构上。

在该实施例中，以图1a所示为例，该导电几何结构单元包括一个谐振环结构12，在谐振环结构12中的共用线结构14上，存在一个开口设置，开口上设置有可调器，从而保证了调节的电磁波的频率范围较广，同时，由于开口位于位于共用线结构上(闭合环的环内)，因此，这样设计的可调谐超材料结构能够使得抑制的电磁波的频率波动小、更加稳定。此外，为了实现对不同频率的电磁波的抑制调节，可以通过对该变容二极管的数量进行调节，即可通过改变开口的个数实现对不同频率的电磁波的抑制调节。

可以理解，设置在共线结构上的开口也可以是除上述实施例所涉及的数量和位置之外的其他数量和位置。例如，根据本实用新型的一个可选实施例，开口的个数为3个。

根据本实用新型的一个实施例，开口分别设置在第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上。

在该实施例中，为了满足调节频率的稳定性的不同要求(例如要求的稳定性较低)，可将开口分别设置在该第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上，即开口可设置在谐振环结构中除共用线结构的任意位置上，例如：1个开口设置在第一侧边非闭合谐振环结构上，或2个开口设置在第一侧边非闭合谐振环结构上，1个开口设置在第二侧边非闭合谐振环结构上，从而满足了调节频率的稳定性的不同需求。

此外，为了实现对不同频率的电磁波的抑制调节，可以通过对该变容二极管的数量进行调节，即可通过改变开口的个数实现对不同频率的电磁波的抑制调节。

可以理解，设置在第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构的开口也可以是除上述实施例所涉及的非对称设置之外的对称设置。例如，根据本实用新型的一个可选实施例，第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上分别设置1个开口，且该2个开口关于共线结构对称。

根据本实用新型的一个实施例，开口分别设置在共用线结构、第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上。

在该实施例中，为了满足调节频率的稳定性的不同要求，可将开口分别设置在共用线结构、第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上，即开口可设置在谐振环结构中任意位置上，例如：谐振环结构中存在2个开口，其中，1个开口设置在第一侧边非闭合谐振环结构上，另一个开口设置在共用线结构上，从而满足了调节频率的稳定性的不同需求。

此外，为了实现对不同频率的电磁波的抑制调节，可以通过对该变容二极管的数量进行调节，即可通过改变开口的个数实现对不同频率的电磁波的抑制调节。

根据本实用新型的一个实施例，多个导电几何结构单元以周期性阵列的方式进行排布。

在该实施例中，多个导电几何结构单元设置在基板上，且多个导电几何结构单元以周期性阵列的方式进行排布，其中，多个谐振环结构组合构成的多个导电几何结构单元中，各个谐振环结构的形状可以相同或不同，以及与各个谐振环结构连接的可调器也可以相同或不同，这样就可以构成对不同频段的电磁波进行调制的多种谐振环结构的组合，从而扩大电磁波调制的频率范围，实现高频范围和微波范围的同时调制。

当然，应该可以理解，多个导电几何结构单元也可以是非周期阵列的方式排布，本实用新型不局限于此。

根据本实用新型的一个实施例，基板上划分有多个单元格，每个单元格上设置一个导电几何结构单元，并且，各个单元格上所设置的导电几何结构单元之间相互无电磁耦合。

在该实施例中，为了避免各个谐振环结构之间调制的电磁波相互干扰或抵消，需要在各个单元格上所设置的谐振环结构之间相互无电磁耦合。

根据本实用新型的一个实施例，谐振环结构的外轮廓呈圆形、椭圆形或闭合多边形。

在该实施例中，以图1a所示为例，谐振环结构12的外轮廓呈正六边形，当然，应该可以理解，谐振环结构的外轮廓也可以是除正六边形以外的其他形状，本实用新型不局限于此。

根据本实用新型的一个实施例，基板的材料为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

根据本实用新型的一个实施例，可调器为电控可调器、热控可调器或光控可调器。

其中，为了实现对不同频率范围的电磁波的响应调制，当需要在高频范围内对电磁波(例如红外波、光波等)进行调制时，该可调器可采用热控可调器和/或光控可调器；当需要在微波范围内对电磁波进行调制时，该可调器则可采用电控可调器；而当既需要在高频范围又需要在微波范围对电磁波进行调制时，该可调器则可采用电控可调器与热控可调器和/或光控可调器的组合来对电磁波进行响应，因此，可根据实际需求，对可调谐超材料结构的可调器的数量(或开口个数)或种类进行设置。根据本实用新型的一个实施例，可调器为变容二极管。

下面将结合外轮廓呈正六边形、矩形和圆形的谐振环结构来对本实用新型的可调谐超材料结构进行详细阐述。

在一个实施例中，如图1a所示，根据本实用新型实施例的可调谐超材料结构包括：

FR4(玻璃纤维环氧树脂)介质层11和设置在其表面的外轮廓呈正六边形谐振环结构12，该谐振环结构12包括：第一子谐振环结构15、第二子谐振环结构16以及共用线结构14，其中，在该正六边形谐振环结构12中的共用线结构的中心区域设置有1个开口，在该开口处连接有变容二极管13，从而实现正六边形谐振环结构12与变容二极管13的连接，呈对称设置的谐振环结构等效于两个电感L并联，开口等效于一个电容C，组成两个电感L并联后与电容C串联的LC电路，这样通过调整变容二极管13的偏压值就能够实现对该变容二极管13的电容C、电阻R和电感L的调节，进而实现对接收的电磁波的调制。

其中，该正六边形谐振环结构12的边长尺寸为10mm，而共线结构的两个连接边的长度相同，即该变容二极管13位于该正六边形谐振环结构12的环内的中心位置，这样可以使得抑制的电磁波的频率波动小、更加稳定。

VR(V)	C(pF)	R(Ω)	L(nH)
				0	2.31	4.51	0.70
-4	0.84	4.04	0.70
				-7	0.55	3.66	0.70
-11	0.38	3.18	0.70
				-14	0.31	2.86	0.70
-16	0.27	2.65	0.70
				-19	0.24	2.38	0.70

表1

其中，在本实施例中，可将该变容二极管13的偏压值分别调整为0V、-4V、-7V、-11V、-14V、-16V与-19V，那么在该可调谐超材料结构在偏压值从0V变化到-19V的过程中，该变容二极管13的电容C、电阻R和电感L将发生如表1所示的变化，相应的图1b示出了该六边形谐振环结构的截止频率随着变容二极管13偏压值的不同的变化的仿真结果图，其中，每一条曲线分别对应一个上述不同的偏压值。由图1b所示的仿真结果可知，截止共振频点(波谷)有明显的蓝移(即截止共振频点升高的移动)，其中，从图1b可以看出，该可调谐超材料结构的截止共振频点(抑制的电磁波频率)从7.42GHz变化到8.07GHz，变化范围达到0.65GHz，相对带宽为8.7％。

其中，值得注意的是，在实际应用中，为了实现对不同频率的电磁波的抑制调节，一方面可以对该闭合的谐振环结构(即正六边形谐振环结构)的边长尺寸进行调节，另一方面也可以对该变容二极管的数量进行调节(例如，可以在图1a所示的开口处串联多个变容二极管或是在该正六边形微结构的环内设置多对连接边，每对连接边的中间设计有开口来连接一个变容二极管，本例中只设计了一对连接边)。

此外，在上述实施例中，为了保证调节的电磁波的频率稳定，因此将变容二极管连接在闭合的谐振环结构的环的内侧，而在实际应用中，随着调节频率的稳定性的不同要求(例如要求的稳定性较低)，那么也可以在该闭合的谐振环结构(这里为正六边形谐振环结构的)的闭合环的各个边长上设置开口，并将该变容二极管设置在各开口上与该闭合的谐振环结构连接。

其中，分析微结构对电磁波的响应原理和现象可知，在共振频率处外电场作用下金属表面的自由电子沿着外电场的方向反向流动，两侧金属结构形成类似的电感，由于自由电子的运动会在中间沟槽(即开口)两侧聚集大量相反的电荷形成电容，形成一个LC振荡电路。那么本实用新型通过在沟槽处加入可调器(如变容二极管)就可实现电容的调节，由于该微结构中电容的改变对共振频点偏移的影响最大，因此将导致共振频点的偏移，实现对外来电磁波响应的调节。

基于本实用新型上述实施例所描述的这种可调谐超材料结构产生的类LC振荡电路原理，此类微结构还可以有多种形态(例如矩形、圆形，以及嵌套的闭合的谐振环结构)。多数简单结构都可以通过在容性区域加入可调器来形成对电容的调整，从而形成具有相似功能的此类微结构。

在另一个实施例中，如图2a所示，根据本实用新型实施例的可调谐超材料结构包括：

FR4介质层21和设置在其表面的外轮廓呈矩形谐振环结构22，该谐振环结构22包括：第一子谐振环结构25、第二子谐振环结构26以及共用线结构24，其中，该矩形谐振环结构22中的共用线结构的中心区域设置有1个开口，在该开口处连接有变容二极管23，从而实现矩形谐振环结构22与变容二极管23的连接，这样通过调整变容二极管23的偏压值就能够实现对该变容二极管23的电容C、电阻R和电感L的调节，进而实现对接收的电磁波的调制。

其中，该矩形谐振环结构22的长为10mm、宽为5mm，而共线结构的两个连接边的长度相同，即该变容二极管23位于该矩形谐振环结构22的环内的中心位置，这样可以使得抑制的电磁波的频率波动小、更加稳定。

其中，在本实施例中，可将该变容二极管23的偏压值分别调整为0V、-4V、-7V、-11V、-14V、-16V与-19V，那么在该可调谐超材料结构在偏压值从0V变化到-19V的过程中，该变容二极管23的电容C、电阻R和电感L将发生如表1所示的变化，相应的图2b示出了该矩形谐振环结构的截止频率随着变容二极管23偏压值的不同的变化的仿真结果图，其中，每一条曲线分别对应一个上述不同的偏压值。由图2b所示的仿真结果可知，截止共振频点(波谷)有明显的蓝移(即截止共振频点升高的移动)，其中，从图2b可以看出，该可调谐超材料结构的截止共振频点(抑制的电磁波频率)从8.3GHz变化到9.08GHz,变化范围达到0.78GHz。

由此可见，借助本实用新型实施例设计的上述矩形的可调谐超材料结构，通过调整中间区域的变容二极管23的偏压值实现了可调谐超材料结构对不同频率的电磁波的抑制，并扩大了抑制的电磁波的频率范围。

其中，值得注意的是，在实际应用中，为了实现对不同频率的电磁波的抑制调节，一方面可以对该闭合的谐振环结构(即矩形谐振环结构)的边长(长、宽)尺寸进行调节，另一方面也可以对该变容二极管的数量进行调节(例如，可以在图2a所示的开口处串联多个变容二极管或是在该矩形微结构的环内设置多对连接边，每对连接边的中间设计有开口来连接一个变容二极管，本例中只设计了一对连接边)。

此外，在上述实施例中，为了保证调节的电磁波的频率稳定，因此将变容二极管连接在闭合的谐振环结构的环的内侧，而在实际应用中，随着调节频率的稳定性的不同要求(例如要求的稳定性较低)，那么也可以在该闭合的谐振环结构(这里为矩形谐振环结构的)的闭合环的各个边长上设置开口，并将该变容二极管设置在各开口上与该闭合的谐振环结构连接。

在又一个实施例中，如图3a所示，根据本实用新型实施例的可调谐超材料结构包括：

FR4介质层31和设置在其表面的外轮廓呈圆形谐振环结构32，该谐振环结构32包括：第一子谐振环结构35、第二子谐振环结构36以及共用线结构34，其中，该圆形谐振环结构32中的共用线结构的中心区域设置有1个开口，在该开口处连接有变容二极管33，从而实现圆形谐振环结构32与变容二极管33的连接，这样通过调整变容二极管33的偏压值就能够实现对该变容二极管33的电容C、电阻R和电感L的调节，进而实现对接收的电磁波的调制。

其中，该圆形谐振环结构32的直径为10mm，而共线结构的两个连接边的长度相同，即该变容二极管33位于该圆形谐振环结构32的环内的圆心，这样可以使得抑制的电磁波的频率波动小、更加稳定。

其中，在本实施例中，可将该变容二极管33的偏压值分别调整为0V、-4V、-7V、-11V、-14V、-16V与-19V，那么在该可调谐超材料结构在偏压值从0V变化到-19V的过程中，该变容二极管33的电容C、电阻R和电感L将发生如表1所示的变化，相应的图3b示出了该矩形谐振环结构的截止频率随着变容二极管33偏压值的不同的变化的仿真结果图，其中，每一条曲线分别对应一个上述不同的偏压值。由图3b所示的仿真结果可知，截止共振频点(波谷)有明显的蓝移(即截止共振频点升高的移动)，其中，从图3b可以看出，该可调谐超材料结构的截止共振频点(抑制的电磁波频率)从8.24GHz变化到9.74GHz，变化范围达到1.5GHz，大大拓宽了截止频带的可调范围。

由此可见，借助本实用新型实施例设计的上述圆形的可调谐超材料结构，通过调整中间区域的变容二极管33的偏压值实现了可调谐超材料结构对不同频率的电磁波的抑制，并扩大了抑制的电磁波的频率范围。

其中，值得注意的是，在实际应用中，为了实现对不同频率的电磁波的抑制调节，一方面可以对该闭合的谐振环结构(即圆形谐振环结构)的环的边长(这里为半径)尺寸进行调节，另一方面也可以对该变容二极管的数量进行调节(例如，可以在图3a所示的开口处串联多个变容二极管或是在该圆形微结构的环内设置多对连接边，每对连接边的中间设计有开口来连接一个变容二极管，本例中只设计了一对连接边)。

此外，在上述实施例中，为了保证调节的电磁波的频率稳定，因此将变容二极管连接在闭合的谐振环结构的环的内侧，而在实际应用中，随着调节频率的稳定性的不同要求(例如要求的稳定性较低)，那么也可以在该闭合的谐振环结构(这里为圆形谐振环结构的)的闭合环的圆周上设置开口，并将该变容二极管设置在各开口上与该闭合的谐振环结构连接。

在上述三个具体的实施例中描述的了采用闭合的谐振环结构的可调谐超材料结构，由于可调器(即变容二极管)位于闭合环的环内，因此，这样设计的可调谐超材料结构能够使得抑制的电磁波的频率波动小、更加稳定。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过改变可调器的电容、电阻或电感参数来控制可调谐超材料结构的电磁响应，从而实现对电磁波的截止频带的可调，进而实现对电磁波的灵活调制，并扩大电磁波的频率调制范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调谐超材料结构，其特征在于，包括：

基板；

多个导电几何结构单元，设置于所述基板上，并且每个导电几何结构单元包括有谐振环结构，所述谐振环结构为对称图案，所述谐振环结构上设有至少一个开口，以及，每个开口处设置有通过调整其电性能参数来实现所述谐振环结构对电磁波进行调制的可调器。

2.根据权利要求1所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述谐振环结构包括：

第一子谐振环结构，

第二子谐振环结构，与所述第一子谐振环结构相连；

其中，所述第一子谐振环结构和第二子谐振环结构在连接处形成有共用线结构；以及

所述第一子谐振环结构由第一侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成，所述第二子谐振环结构由第二侧边非闭合谐振环结构与共用线结构组成；以及

所述第一子谐振环结构和第二子谐振环结构沿共用线结构对称设置。

3.根据权利要求2所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述开口设置在共用线结构上。

4.根据权利要求2所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述开口分别设置在第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上。

5.根据权利要求2所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述开口分别设置在共用线结构、第一侧边非闭合谐振环结构和第二侧边非闭合谐振环结构上。

6.根据权利要求1所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述多个导电几何结构单元以周期性阵列的方式进行排布。

7.根据权利要求1所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述基板上划分有多个单元格，每个单元格上设置一个导电几何结构单元，并且，各个单元格上所设置的导电几何结构单元之间相互无电磁耦合。

8.根据权利要求1所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述谐振环结构的外轮廓呈圆形、椭圆形或闭合多边形。

9.根据权利要求1所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述可调器为电控可调器、热控可调器或光控可调器。

10.根据权利要求1所述的可调谐超材料结构，其特征在于，所述可调器为变容二极管。