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皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器专利

专利号:201810017478.3

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11800
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专利名称:皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器

技术领域:天线

IPC主分类号:H01Q17/00

申请号:CN201810017478.3

公开日:2020-04-07

说明书

一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,属于无线电通信、微波器件领域。

背景技术

[0002] 等离子体超材料是开发由于光和金属-电介质材料相互作用而产生的表面等离子体的超材料。在特殊条件下,入射光和表面等离子体耦合产生自维持和传播称为表面等离子极化子的电磁波。这样的波一旦形成后,便沿金属-电介质的介面传播。与入射光相比,等离子极化波的波长要短得多,等离子超材料由复合材料组成;是用金属和电介质经过设计达到自然界没有的性质。这种性质来自复合材料的单一结构,其特点是被次波长距离所分开。
[0003] 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。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。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。
[0004] 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。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,通过可编程的逻辑阵列来控制固态等离子体的激励区域的激励状态,以此来实现对不同频率的动态调控,达到宽带吸收的效果,另外可以通过动态的改变激励区域来实现对整个X波段的吸收的覆盖。本发明中的结构单元采用皇冠型的结构,对于TE极化波和TM极化波都有良好的吸收作用,并且采用固态等离子体来代替金属进行工作,通过可编程的逻辑阵列来控制固态等离子体的激励区域的激励状态,以此来实现对不同频率的动态调控,达到宽带吸收的效果,另外可以通过动态的改变激励区域来实现对整个X波段的吸收的覆盖。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007] 本发明提供一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,包括底层反射板,所述底层反射板上设置有介质基板,所述介质基板上设有对角线对称的周期排布的若干固态等离子体谐振单元;
[0008] 每个所述固态等离子体谐振单元的结构相同,中心处是一个十字形固态等离子体单元,所述十字形固态等离子体单元的中心处设置有十字形缝隙,所述十字形固态等离子体单元的上方是一个开口向内的半圆环形固态等离子体单元,下方是两个开口向内的开口方环形固态等离子体单元构成的嵌套结构,左右两侧分别是一个倒三角环形固态等离子体单元的一半且与上方的半圆环形固态等离子体单元相连;
[0009] 每个所述固态等离子体单元分别连接一个等离子体激励源进行激励,每个等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制。
[0010] 作为本发明的进一步技术方案,两个所述开口向内的开口方环形固态等离子体单元分别通过等离子体柱与底层反射板连接。。
[0011] 作为本发明的进一步技术方案,所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。
[0012] 作为本发明的进一步技术方案,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。
[0013] 作为本发明的进一步技术方案,所述介质基板上设有对角线对称分布的四个固态等离子体谐振单元,且处于对角线上的两个固态等离子体谐振单元尺寸相同。
[0014] 作为本发明的进一步技术方案,左上角的固态等离子体谐振单元中:十字形缝隙的由长为7.476mm和7.437mm、宽度均为0.174mm的矩形缝隙构成;半圆环形固态等离子体单元的内径为6.0456mm,宽度为0.7328mm;倒三角环形固态等离子体单元的边长为6.87mm,宽度为0.7328mm;嵌套结构中内侧的开口方环形固态等离子体单元的长为7.026mm,宽为6.611mm,宽度为0.72mm,距离十字形固态等离子体单元6.409mm;嵌套结构中外侧的开口方环形固态等离子体单元的长为12.605mm,宽为8.05mm,宽度为0.72mm,距离内侧的开口方环形固态等离子体单元0.72mm;两个开口方环形固态等离子体单元分别通过半径为0.1832mm的等离子体柱与底层反射板连接;
[0015] 右上角的固态等离子体谐振单元中:十字形缝隙的由长为8.162mm和8.120mm、宽均为0.19mm的矩形缝隙构成;半圆环形固态等离子体单元的内径为6.7mm,宽度为0.8mm;倒三角环形固态等离子体单元的边长为7.5mm,宽度为0.8mm;嵌套结构中内侧的开口方环形固态等离子体单元的长为7.11mm,宽为6.689mm,宽度为0.728mm,距离十字形固态等离子体单元7.23mm;嵌套结构中外侧的开口方环形固态等离子体单元的长为12.754mm,宽为8.147mm,宽度为0.728mm,距离内侧的开口方环形固态等离子体单元0.729mm;两个开口方环形固态等离子体单元分别通过半径为0.2mm的等离子体柱与底层反射板连接。
[0016] 作为本发明的进一步技术方案,在微波波段,所述底层反射板采用金属反射板;在太赫兹及光波以上频段,所述底层反射板采用多层介质反射板或具有反射特性的人工结构阵列。
[0017] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
[0018] (1)本发明一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,其结构单元采用对角线对称的结构,对于TE极化波和TM极化波都有良好的吸收效果;
[0019] (2)本发明采用固态等离子体来代替金属进行工作,通过可编程的逻辑阵列来控制固态等离子体的激励区域的激励状态,以此来实现对不同频率的动态调控,达到窄带吸收的效果;通过合适的参数设置可以使其工作频率在激励区域范围选择合适的情况下高效的覆盖整个X波段;
[0020] (3)本发明一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,当电磁波入射时,通过编程实现三种不同的激励状态,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以及展宽吸收频带,从而提高吸收率以及吸收效率;
[0021] (4)本发明可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收,具有结构新颖,可编程调控,设计灵活,功能性强等特点。

附图说明

[0022] 图1为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器状态一结构单元正视图;
[0023] 图2为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器状态一结构单元正视图;
[0024] 图3为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器结构单元侧视图;
[0025] 图4为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器阵列(3×3)状态一结构图正视图;
[0026] 图5为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器结构单元立体图;
[0027] 图6为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器不同谐振单元的激励控制图;
[0028] 图7为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器状态二结构单元正视图;
[0029] 图8为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器状态三结构单元正视图;
[0030] 图9为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线;
[0031] 图10为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器TM模式电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线;
[0032] 图11为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线;
[0033] 图12为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线;
[0034] 图13为一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器TE模式电磁波垂直入射且谐振单元结构不同时的吸收曲线;
[0035] 附图标记解释:13—介质基板,1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12—固态等离子体构成的谐振单元,14—金属反射板,15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26—固态等离子体激励源。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0037] 本发明一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,其周期性结构单元采用对角线对称的结构,其结构由底层反射板,介质基板,固态等离子体谐振单元和可编程逻辑阵列控制的等离子体激励源组成,所述的底层反射板上设置有介质基板(具有较大损耗角正切的FR-4),其介质基板上设有固态等离子体谐振单元,等离子体谐振单元通过连接等离子体激励源进行激励,每个等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制。本发明中,通过可编程逻辑阵列控制固态等离子体激励源,从而达到对吸波器不同频率动态调控的目的,实现吸波器的宽带吸收,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。
[0038] 本发明中,每个所述固态等离子体谐振单元的结构相似,如图1至4所示中心处是一个十字形固态等离子体单元,所述十字形固态等离子体单元的中心处设置有十字形缝隙,所述十字形固态等离子体单元的上方是一个开口向内的半圆环形固态等离子体单元,下方是两个开口向内的开口方环形固态等离子体单元构成的嵌套结构,左右两侧分别是一个倒三角环形固态等离子体单元的一半且与上方的半圆环形固态等离子体单元相连。两个所述开口向内的开口方环形固态等离子体单元分别通过等离子体柱与底层反射板连接。
[0039] 本发明中固态等离子体谐振单元有两种状态,分别是激励状态和未激励状态,所述的固态等离子体由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,如图6所示。
[0040] 本发明中的吸波器由结构单元周期排列而成,其中有三种工作状态,状态一其结构单元包括底层金属反射板14,介质基板13,以及被激励的所有固态等离子体谐振;状态二其结构单元包括底层金属反射板14,介质基板13,以及被激励的固态等离子体谐振单元1、3、4、6、7、9、10、12,状态三其结构单元包括底层金属反射板14,介质基板13,以及被激励的固态等离子体谐振单元2、3、5、6、8、9、11、12,这些工作状态可以通过对激励控制模块中的可编程逻辑阵列进行编程来实现,从而达到调控由固态等离子体构成的谐振单元工作状态的目的。
[0041] 谐振单元由固态等离子体构成,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2.9×1015rad/s,其碰撞频率为1.65×10141/S,如图5所示。谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12分别通过等离子体激励源15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26进行激励如图6所示。
[0042] 所述的一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器的产生方法,该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的,电磁波垂直入射时,状态一的吸收效果是由于固态等离子体构成的全部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1、3、4、6、7、9、10、12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2、3、5、6、8、9、11、12被激励时所引起的。所述的状态中等离子体构成的全部谐振单元被激励时吸收效果最好。在实现较好的吸波性能同时,可通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。
[0043] 该吸波器的反射板,在不同频段所用反射板不同,如在微波波段反射板可用全金属板,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。
[0044] 一种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器,由若干个谐振单元周期排列而成。该种吸波器有三种工作状态,状态一其结构单元如图1和图2所示,底层是完整的金属板,用于全反射,中间是介质基板,介质基板上面是被激励的所有固态等离子体谐振单元,其阵列(3×3)如图4所示;状态二其结构单元如图7所示,底层是完整金属板,中间是介质基板,介质基板上面是被激励的固态等离子体谐振单元1、3、4、6、7、9、10、12;状态三其结构单元如图8所示,底层是完整金属板,中间是介质基板,介质基板上面是被激励的固态等离子体谐振单元2、3、5、6、8、9、11、12。
[0045] 本发明的一实施例中,所述介质基板上设有对角线对称分布的四个固态等离子体谐振单元,且处于对角线上的两个固态等离子体谐振单元尺寸相同。左上角谐振结构其中间是有十字细缝的十字形谐振单元,中间的十字细缝长为7.476mm和7.437mm,宽为0.174mm。上方的谐振单元是由三角形的边和内径为6.0456mm,宽度为0.7328mm的半圆环经过组合设计而成,下方距离中间十字形谐振单元6.409mm的谐振单元是长为7.026mm,宽为
6.611mm,宽度为0.72mm的半开形方形环谐振单元,距该谐振单元0.72mm是长为12.605mm,宽为8.05mm,宽度为0.72mm的半开形方形谐振单元,两个半开形方形环各通过半径为
0.1832mm的等离子体柱与底层反射板连接。右上角谐振结构其中间也是有十字细缝的十字型谐振单元,中间的十字细缝长为8.162mm和8.120mm,宽为0.19mm。上方的谐振单元是由三角形的边和内径为6.7mm,宽度为0.8mm的半圆环经过组合设计而成,下方距离中心十字形谐振单元7.23mm的谐振单元是长为7.11mm宽为6.689mm,宽度为0.728mm的半开形方形环谐振单元,距离该谐振单元0.729mm是长为12.754mm,宽为8.147mm,宽度为0.728mm半开形方形谐振单元,两个半开形方形环各通过半径为0.2mm的等离子体柱与底层反射板连接。
[0046] 所述该超材料宽带吸波器中谐振单元的相关参数如表1所示。
[0047] 表1谐振单元的相关参数
[0048]参数 a1 b1 c1 d1
参数的值(mm) 7.786 6.0456 0.7328 12.605
参数 e1 f1 g1 t1
参数的值(mm) 7.026 0.720 0.720 0.174
参数 a2 b2 c2 d2
参数的值(mm) 8.5 6.7 0.8 12.754
参数 e2 f2 g2 h
参数的值(mm) 7.11 0.728 0.729 3.6
参数 t2 l r1 r2
参数的值(mm) 0.19 60 0.1832 0.2
参数 f3 f4 k1 w
参数的值(mm) 0.7328 0.8 7.825 0.0138
参数 j1 k2 j2  
参数的值(mm) 6.611 8.543 6.689  
[0049] 如图9和图10所示,是该吸波器状态一在不同工作模式下的吸收曲线,图11和图12是该吸波器在另外两种工作状态时的吸收曲线,由于该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的。除状态一以外其他两种状态皆是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和图10是状态一(所有谐振单元同时被激励)不同模式的吸收曲线,图9是该吸波器工作在TE模式下的吸收曲线,在频带8.976GHz到11.291GHz内的反射率低于-10dB,吸收率高于90%,在五个吸收频点9.09GHz、
9.77GHz、10.23GHz、10.45GHz和11GHz处的吸收峰值分别为99.44%、99.81%、99.02%、
99.96%和99.44%,达到了宽带吸收的效果。图10是该吸波器工作在TM模式下的吸收曲线,在频带8.881GHz到11.203GHz内的反射率低于-10dB,吸收率高于90%,在六个吸收频点
8.98GHz、9.43GHz、9.62GHz、10.12GHz、10.49GHz和10.95GHz处的吸收峰值分别为97.3%、
99.97%、99.93%、99.95%、98.71%和94.94%。图11是状态二(谐振单元1、3、4、6、7、9、10、
12被激励)的吸收曲线有三个窄带吸收峰分别位于8.577GHz、9.214GHz和10.072GHz,吸收率分别为94.26%、92.13%、和97.16%。图12是状态三(谐振单元2、3、5、6、8、9、11、12被激励)的吸收曲线,在频带9.587GHz到9.865GHz内的反射率低于-10dB,吸收率高于90%,在吸收频点9.717GHz处的吸收峰值达到99.5%。比较三种状态可以看出,由固态等离子体构成的谐振单元同时被激励时吸收效果最好,能够实现吸波器的宽带吸收。显然,我们可以人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。
[0050] 如图13所示,曲线一是由固态等离子体构成的谐振单元同时被激励时的吸收曲线;曲线二则是各部分的谐振结构中的十字细缝的长和宽均变为0,使谐振单元以一种新重构的外形被激励。由图13可知,在修改该吸波器后吸收特性有了明显的变化。在9.1GHz到9.68GHz,9.89GHz到10.67GHz和10.96GHz到11.4GHz的吸收率达到90%以上,且吸收谱线向高频方向发生了移动。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调控。
[0051] 在经过特定设计(编程控制)后,本发明的工作频率能够覆盖整个X波段。主要吸收都是由固态等离子构成的谐振单元引起,可以在较小的物理尺寸下实现对电磁波的窄带吸收,本发明具有结构新颖,可编程调控,设计灵活,功能性强等特点。
[0052] 综上所述,该等离子体超材料宽带吸波器对于TE极化波和TM极化波都有很好的吸收效果,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,从而达到对吸波器不同频率动态调控的目的,实现吸波器的宽带吸收,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,该种皇冠型可调控的等离子体超材料宽带吸波器具有结构新颖,可编程调控,设计灵活,功能性强等特点。
[0053] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解,本发明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发明的原理,在不脱离本发明精神范围的前提下,本发明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发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

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