CN207338648U - 基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，包括底层金属反射板，上层金属贴片以及它们之间的介质基板和至少一个由固态等离子体构成的谐振单元，介质基板设置在底层金属反射板上，而固态等离子体构成的谐振单元嵌于介质基板中。固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励PIN单元阵列，以便得到固态等离子体。本实用新型具有通俗易加工，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。

Description

基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器

技术领域

本实用新型涉及一种基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，属于微波器件技术领域。

背景技术

随着信息技术的发展，微波器件已经广泛的应用于通信中的各类系统中。如发射端的天线、电磁屏蔽盒等。防止电磁干扰和电磁隐身在军事和民用领域有广泛的应用前景。电磁吸波器就满足这一需求所设计的一类微波器件，在通信领域得到了越来越广泛的应用。在军事领域，提高武器装备的电磁隐身特性，降低被敌侦测概率，是夺取现代战争胜利的前提。如提升天线系统的隐身特性，降低飞行器和导弹的RCS等。而在民用领域，无线通信中基本器件，医疗、保健以及常用消费级的电子产品都对电子器件有电子兼容的需求，都需要额外的屏蔽“不需要的”电磁信号。低剖面和小型化的吸波器在民用领域也有着强大的需求。为了满足以上需求，电磁超材料往往被应用于吸波器的设计当中。电磁超材料能够产生一些十分有趣的物理现象，如负折射、“完美”成像和“隐身衣”等。通过构建周期性的亚波长尺度的超材料基本单元结构就能得到物理尺度较小的吸波器结构。然而，传统意义上的超材料吸波器很难得到可调谐的吸收频谱，获得可调谐的吸收频谱不得不引入大量的集总元件，控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造。

固态等离子体能够很好地解决这一问题，它是采用利用电或光激励的形式在半导体本征层形成的，当形成的固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其电导性可与金属相比拟。当未激发成固态等离子体时，其就是半导体材料表现出介质的特性，对电磁波没有响应具有低RCS的特性可实现其电磁隐身性能，因此可以用来制成可调谐/可重构的微波器件。此外，半导体工艺成熟、成本低廉，能够实现大批量的生产。综上优势，固态等离子体能够制成吸波器，且在现代无线通信具有非常广的前景。在对采用半导体材料制作的PIN管两端施加激励电压，可在I区产生固态等离子体。利用PIN单元构造基于固态等离子体的吸波器,具有吸波频段调控灵活、工作频域广泛、与微电子工艺兼容、可同时与外部控制的编程控制阵列实现可编程的一体化设计。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，通过编程可以实现对固态等离子体构成的谐振单元的激励状态进行调控，从而实现该吸波器吸波器在特定频率区域范围的吸收率的增加，且通过合理的参数设定可以使得吸收频率区域覆盖整个X波段。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，包括底层金属反射板、顶层金属贴片、介质基板以及固态等离子体构成的谐振单元，其中，所述底层金属反射板、顶层金属贴片分别位于所述介质基板的上下表面，所述固态等离子体构成的谐振单元嵌于所述介质基板中。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，且PIN单元之间设有隔离层进行隔离。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述介质基板的材质为具有损耗角正切的SiO₂。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述固态等离子体构成的谐振单元的个数至少为两个。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述固态等离子体构成的谐振单元的个数为两个，两个所述谐振单元分别是固态等离子体等边三角形环截成的两个部分；两个谐振单元之间存在间隙，形成一个等腰三角形结构。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述顶层金属贴片为三角形，其在底层金属反射板上的投影位于谐振单元在底层金属反射板上的投影之内且不重叠。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述间隙的宽度为1.6mm。

作为本实用新型的进一步优化方案，在微波波段，所述底层反射板为全金属板；在太赫兹及光波以上频段，所述底层反射板为多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述多层介质反射板为光子晶体。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述光子晶体是多层堆材结构或者周期性分布结构。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型是基于固态等离子体可编程/可调控的多频吸波器，通过编程对固态等离子体构成的谐振结构状态进行调控，并且可以通过编程来随意改变谐振结构单元的形状。通过合适的参数设置可以实现其在X波段的特定频率区域范围的吸收率的增加，或者吸收效率涵盖整个X波段；当电磁波入射时，通过编程实现四种不同的激励状态，以获得可调谐的吸收频谱。通过合理的程序设定来确定激励区域和激励状态就可以增大吸波器在特定频率区域内的吸收峰值，提高吸收率；

(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，具有通俗易加工，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。

附图说明

图1为状态一的固态等离子体构成的单元结构示意图；

图2为基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器3×3阵列状态一结构图正视图；

图3为状态二的固态等离子体构成的单元结构示意图；

图4为状态三的固态等离子体构成的单元结构示意图；

图5为状态四的固态等离子体构成的单元结构示意图；

图6为基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器立体图；

图7为基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器侧视图；

图8为PIN单元结构示意图；

图9为基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态一和状态二的吸收曲线；

图10为基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态三和状态四的吸收曲线；

图11为基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器TE模式电磁波垂直入射且激励的固态等离子体谐振单元间隔不同时的吸收率曲线；

图中：1、5、6-介质，2-顶层金属贴片，3、4-固态等离子体构成的谐振单元，7-底层金属反射板，8、9-固态等离子体激励源。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型采用固态等离子体来代替金属工作，并且可以与外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的改变，来实现对不同吸收频率的动态调控。尤其可以通过动态的该改变激励区域来实现对整个X波段的吸收的覆盖。本实用新型的设计及原理是通过编程方式实现对等离子体构成的谐振单元的状态进行调控，从而达到在X波段特定频率区域范围吸收率增加的目的。

本实用新型提供的一种基于固态等离子体可编程/可调控的多频吸波器，如图1所示，包括底层金属反射板、顶层金属贴片、介质基板以及固态等离子体构成的谐振单元，其中，所述底层金属反射板、顶层金属贴片分别位于所述介质基板的上下表面，所述固态等离子体构成的谐振单元嵌于所述介质基板中。

其中，所述谐振单元由固态等离子体构成，固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离。固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现，并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励的固态等离子体谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。其每个PIN单元大小0.1mm×0.1mm，选择Drude模型描述固态等离子体的介电常数，其中等离子体频率为2.9×10¹⁹rad/s，其碰撞频率为1.65×10¹⁴1/S，如图1所示。

PIN单元之间有隔离层隔开，通过其两端加载偏置电压进行激励。PIN单元未激励时，固态等离子体构成的谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；类似地，激励时表现为金属特性，即为激励状态，如图8所示。

该吸波器的反射板，在不频段所用反射板不同，如在微波波段反射面可用全金属板，如铜、铝等；而在太赫兹及光波以上频段，反射板可采用多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。

该吸波器，其介质基板是由有损耗的玻璃即SiO₂作为材料，还可以为人工合成的具有特定特性的介质，如通过溶液配比的方法得到的凝胶型(柔性)介质，再与柔性基板相结合可以用于共形实现宽频吸收。

所述固态等离子体构成的谐振单元的个数至少为两个，以下以两个谐振单元为例。

两个所述谐振单元分别是固态等离子体等边三角形环截成的两个部分3、4；两个谐振单元之间存在间隙，形成一个等腰三角形结构。谐振单元3、4分别通过固态等离子体激励源8、9进行激励，固态等离子体激励源8、9的通断状态通过编程来实现控制，如图6和7所示，其中所述顶层金属贴片为三角形，材料是铜，其在底层金属反射板上的投影位于谐振单元在底层金属反射板上的投影之内且不重叠。

本实用新型的基于固态等离子体的可编程/可调控吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，电磁波垂直入射时，状态一的吸收效果是由于两个固态等离子体构成的谐振单元同时被激励时引起的；状态二的吸收效果是由固态等离子体构成的谐振单元4被激励时引起的；状态三的吸收效果是由固态等离子体构成的谐振单元5被激励时所引起的；状态四的吸收则是由介质基板(两个谐振单元均未被激励)引起的。所述四种状态相比较，两个固态等离子体构成的谐振单元都被激励时，该吸波器的吸收效果最好。所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频超材料吸波器能够实现较好的吸波性能同时，通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。

本实用新型的一种基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，有四种工作状态：状态一(“11”状态)的结构单元如图1所示，底层是完整的用于全反射的金属板，中间是介质基板以及被激励的固态等离子体谐振单元3和4，谐振单元嵌与介质基板中，顶层是金属贴片，其阵列(3×3)如图2所示；状态二(“10”状态)的结构单元如图3所示，底层是完整金属板，中间是基板介质和被激励的固态等离子体谐振单元3，顶层是金属贴片；状态三(“01”状态)其结构单元如图4所示，底层是完整金属板，中间是介质基板和被激励的固态等离子体谐振单元4，顶层是金属贴片；状态四(“00”状态)的结构单元如图5所示，底层是完整金属板，中间是介质基板，顶层是金属贴片。介质基板是边长为为24.234mm(a的数值为42mm)、厚度h为3mm的长方体，设置在底层反射板上方。谐振单元是由边长a/2为21mm的固态等离子体构成、外形是等边三角环形截成的两部分，其宽度b为0.8mm，两部分之间的间隙宽度为2b。

如图9和图10所示，是该吸波器在四种状态工作时的吸收曲线，由于该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，以下四种状态的吸收曲线均是TE模式下得到的吸收曲线，工作时电磁波沿-z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。图9中实线是状态一(两个谐振单元同时被激励)的吸收曲线，其四个吸收率峰值分别为94.57％，99.54％，98.94％和99.97％，分别位于2.83GHz，9.22GHz，10.55GHz和11.4GHz。并实现了对于较低频率2.83GHz的吸收。图中虚线是状态二(只有谐振单元3被激励)的吸收曲线，其有两个峰值的吸收率分别为97.02％和98.89％分别位于2.9GHz和10.22GHz，图10中虚线是状态三(只有谐振单元4被激励)的吸收曲线，其吸收率最大字也仅有79.11％位于11.7GHz；图中实线是状态四(两个谐振单元均未被激励)的吸收曲线，其吸收率的最大值仅为47.05％位于10GHz，比较四种状态可以看出，由固态等离子体构成的两个谐振单元同时被激励时吸收效果最好，且有多个吸收率大0.9的吸收频率。显然，我们可以认为的用编程的方式来调控该吸波器的工作频点的位置和数量。如与天线协同工作需要电磁隐身时，可以采用状态一或二；如果需要天线独立工作时仅仅需要采用状态三和四。

如图11所示，曲线一是由固态等离子体构成的两个谐振单元同时被激励时的吸收曲线；曲线二则是改变这两个谐振单元之间的间距时的吸收虚线，即将这两个谐振单元左边的间距变为零，右边的间距不变，使这两个谐振单元以一种新重构的外形被激励。由图11可知，在修改参数b后该吸波器的吸收特性有了明显的变化。吸收率大于0.9的谱线由4条变为1条，且吸收谱线向高频方向发生了移动，吸收率变为95.35％位于11.69GHz。显然，我们可以通过改变固态等离子体谐振单元的外形使吸收谱线发生移动，从而达到吸收峰覆盖整个X波段目的，实现对该吸波器工作频率和性能的可编程/可调控。

本实用新型公开的一种基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，对于TE极化波有很好的吸收效果，并通过编程方式控制固态等离子体构成的谐振单元的激励区域不但能实现对不同谐振单元的激励，以达到对吸波器工作频率的可编程/可调控的目的，而且该吸波器的工作频率在激励区域选择合适的情况下能够覆盖整个X波段。还可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，本实用新型具有通俗易加工，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，包括底层反射板、顶层金属贴片、介质基板以及固态等离子体构成的谐振单元，其中，所述底层反射板、顶层金属贴片分别位于所述介质基板的上下表面，所述固态等离子体构成的谐振单元嵌于所述介质基板中。

2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，且PIN单元之间设有隔离层进行隔离。

3.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述介质基板的材质为具有损耗角正切的SiO₂。

4.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述固态等离子体构成的谐振单元的个数至少为两个。

5.根据权利要求4所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述固态等离子体构成的谐振单元的个数为两个，两个所述谐振单元分别是固态等离子体等边三角形环截成的两个部分；两个谐振单元之间存在间隙，形成一个等腰三角形结构。

6.根据权利要求5所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述顶层金属贴片为三角形，其在底层金属反射板上的投影位于谐振单元在底层金属反射板上的投影之内且不重叠。

7.根据权利要求5所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述间隙的宽度为1.6mm。

8.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，在微波波段，所述底层反射板为全金属板；在太赫兹及光波以上频段，所述底层反射板为多层介质反射板或具有反射特性的人工结构阵列。

9.根据权利要求8所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述多层介质反射板为光子晶体。

10.根据权利要求9所述的基于固态等离子体的可编程/可调控多频吸波器，其特征在于，所述光子晶体是多层堆材结构或者周期性分布结构。