一种多层支架结构的可调谐超宽带吸波器的制作方法

本发明涉及一种多层支架结构的新型可调谐超宽带吸波器，属于无线电通信、微波器件
技术领域：
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背景技术：
：超材料是一种人工制造的周期性电介质或者金属阵列，并且超材料的微结构远小于其工作波长，由于超材料的奇特电磁特性，使其在军事装备的电磁隐身、民用设备的电磁防护等众多领域内拥有广阔的应用前景。电磁超材料在电磁学方面一个重要的应用就是产生了电磁超材料吸波器。超材料吸波器本身具有的谐振吸收特征在微波吸收领域展现出广阔的应用前景，不同的几何结构需要特定的电磁波极化方式，而且谐振的频段非常窄，这在一定程度上限制了超材料吸收器的实际应用，但是现有的超材料吸波器只是对特定频率的电磁波具有有效吸收，且吸收的带宽很窄，所以可调谐的超宽带吸波器的设计是及其迫切而有必要的，而且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。等离子体超材料因固态等离子体的特殊性质，在吸波器的设计中有很多优良的特性，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。技术实现要素：本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种多层支架结构的可调谐超宽带吸波器，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，达到超宽带吸收的效果。为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种多层支架结构的可调谐超宽带吸波器，包括反射板及其上方的介质基板，所述介质基板的内部及其表面分别设有固态等离子体谐振单元；位于介质基板内部的固态等离子体谐振单元具有两层，上层的固态等离子体谐振单元与下层固态等离子体谐振单元之间通过第一等离子体锥相连接，下层的固态等离子体谐振单元通过第二等离子体锥与底层反射板连接；所述各固态等离子体谐振单元均通过连接等离子体激励源进行激励，各等离子体激励源的通断通过编程控制逻辑阵列进行控制。本发明进一步限定的技术方案是：所述位于介质基板表面的固态等离子体谐振单元呈方环形，由三个分立的具有开口的正方环形固态等离子体谐振单元构成，且外层的两个等离子体谐振单元之间通过电阻连接；位于介质基板内部的上层固态等离子体谐振单元均呈等边三角环形，沿三角形的各边线中点上设有开口，通过开口将固态等离子体谐振单元截成三部分，且三部分之间通过电阻连接；下层固态等离子体谐振单元呈Y型，其三条分支以等边三角环形的中心为端点沿等边三角环形的对称轴分布，在其中的两个端点处分别通过第一等离子体锥与上层固态等离子体谐振单元相连接。进一步的，所述方环形固态等离子体谐振单元的边长由内至外分别为2.5mm，7mm和8mm。所述等边三角形固态等离子体谐振单元的边长分别为6.9mm和10.9mm，宽带均为0.1mm。所述Y型固态等离子体谐振单元各分支的边长均为6.4mm，宽度均为0.1mm。所述第一固态等离子体谐振单元的等离子体锥的高度均为1.4mm，底面半径为0.2857mm；第二固态等离子体谐振单元和底层反射板的等离子体锥的高度为0.1mm，半径为0.2857mm。进一步的，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间具有隔离层进行隔离；所述各谐振结构分别连接一个等离子体激励源并通过其两端加载偏置电压进行激励；通过激励固体等离子体的PIN单元阵列实现。进一步的，所述反射板在不同频段所用材质不同；在微波频段，反射板采用完整金属反射板，在太赫兹及光波以上频段，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。进一步的，所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。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：（1）本发明一种多层支架结构的新型可调谐超宽带吸波器，通过加载集总电阻的方式，并且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，达到超宽带吸收的效果；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覆盖多个频段。(2)本发明一种多层支架结构的新型可调谐超宽带吸波器，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以及拓宽吸收频带。(3)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，具有结构通俗，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。附图说明下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1为本发明的正视图。图2为本发明的固态等离子体谐振单元集总电阻正视图。图3为本发明的侧视图。图4为本发明的阵列（3´3）正视图。图5为本发明介质基板内部固态等离子体谐振单元的立体图。图6为本发明介质基板表面固态等离子体谐振单元的立体图。图7为本发明介质基板内部固态等离子体谐振单元的激励控制图。图8为本发明介质基板表面固态等离子体谐振单元的激励控制图。图9为本发明等离子体锥谐振单元的激励控制图。图10为本发明TE模式电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线。图11为本发明TE模式电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线。图12为本发明TE模式电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线。图13为本发明TE模式电磁波垂直入射时状态四的吸收曲线。图14为本发明TE模式电磁波垂直入射时外层三角形环宽度不同的吸收曲线。附图标记：18-介质基板，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14-固态等离子体构成的谐振单元，19-金属反射板，20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33-固态等离子体激励源，15、16、17-电阻，34-固态等离子区域，35-隔离区。具体实施方式本实施例提供了一种多层支架结构的可调谐超宽带吸波器，如图1至9所示，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。其中，底层反射板上设置有介质基板，介质基板是具有较大损耗角正切的FR-4，其内部具有两层固态等离子体谐振结构：上层固态等离子体谐振结构由两个分立的等边三角形环各截成三部分构成，三部分之间通过电阻连接，阻值分别为570Ω和800Ω，下层的Y型固态等离子体谐振结构分别通过等离子体锥与上层谐振结构和底层反射板连接。介质基板表面的固态等离子体谐振单元由三个分立的正方环形固态等离子体谐振单元各截成两部分构成，且外层分立的两个固态等离子体谐振单元之间均通过电阻连接，阻值均为500Ω。每个固态等离子体谐振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，实现对吸波器吸收性能的动态调控。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。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。本发明中，通过加载集总电阻的方式，并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，达到超宽带吸收的效果，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多个电磁波段。所述的吸波器由结构单元周期排列而成。下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：该发明一种多层支架结构的新型可调谐超宽带吸波器有以下工作状态：状态一其结构单元包括底层金属反射板19，介质基板18和被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、13、14；状态二其结构单元包括底层金属反射板19，介质基板18和被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、13、14；状态三其结构单元包括底层金属反射板19，介质基板18和被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、14；状态四其结构单元包括底层金属反射板19，介质基板18和所有被激励的固态等离子体谐振单元。该吸波器所对应的参数如表1所示。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。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´1014rad/s，其碰撞频率为1.65´10131/S，如图6所示。固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14分别通过等离子体激励源20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33进行激励，如图7、图8和图9所示。该发明一种多层结构的等离子体超材料可调谐超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敏感的，电磁波垂直入射时，状态一的吸收效果是由谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体1、2、3、4、5、6、7、8、9、13、14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谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、13、14构成的谐振单元同时被激励时引起的；状态三的吸收效果是由谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、14构成的谐振单元同时被激励时引起的；状态四吸收效果是由谐振单体之间连接的电阻和固态等离子体构成的谐振单元全部被激励时引起的；三者相比较，该吸波器状态一的吸收效果最佳。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超宽频吸收。该发明一种多层支架结构的新型可调谐超宽带吸波器在能够实现较好的吸波性的同时，通过编程的方式实现吸收频率的可调谐。一种多层支架结构的新型可调谐超宽带吸波器，由若干个谐振单元周期排列而成。该种吸波器有四种工作状态，状态一其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、13、14；状态二其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、13、14；状态三其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、14；状态四其结构单元底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板、电阻以及被激励的所有固态等离子体谐振单元。所述该超宽带吸波器中，介质基板上的固态等离子体谐振单元分别由边长为2.5mm，7mm和8mm的方形环各截成两部分，介质基板中的上层固态等离子体谐振单元分别由边长为6.9mm和10.9mm宽度均为0.1mm的等边三角形环各截成三部分，介质基板中的下层Y型固态等离子体谐振单元各分支的边长均为6.4mm，宽度均为0.1mm，Y型固态等离子体谐振单元与上层三角形环谐振单元连接的固态等离子体锥的高度均为1.4mm，半径为0.2857mm，Y型谐振单元与和底层反射板间连接的固态等离子体锥的高度为0.1mm，半径为0.2857mm。谐振单元的相关参数如表1所示。表1谐振单元的相关参数参数abcd参数的值(mm)0.10.17.910.9参数rstl参数的值(mm)0.28570.20.512参数efgp参数的值(mm)2.5780.0438参数hwh1q参数的值(mm)3.20.21.35620.1参数R1R2R3参数的值(Ω)570800500如图10、图11、图12和图13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10是Y型固态等离子体谐振单元没有通过等离子体锥与介质基板中的上层谐振单元连接时（谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、13、14被激励）的吸收曲线，在频带7.13GHz到15.96GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽达到76.48%，实现了超宽带吸收。而且具有两个较高的吸收峰，分别位于8.17GHz和14.64GHz，其吸收率分别为96.52%和99.98%。图11是Y型固态等离子体谐振单元通过一根等离子体锥与介质基板中的上层固态等离子体谐振单元连接时（固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、13、14被激励）的吸收曲线，在频带7.27GHz到15.95GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽达到74.76%，具有两个较高的吸收峰，分别位于8.38GHz和14.6GHz，其吸收率分别为95.82%和99.98%。图12是Y型固态等离子体谐振单元通过两根等离子体锥与介质基板中的上层固态等离子体谐振单元连接时（谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、14被激励）的吸收曲线，在频带7.69GHz到16.08GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽为70.59%，具有两个较高的吸收峰，分别位于9.32GHz和14.58GHz，其吸收率分别为96.02%和99.97%。图13是Y型固态等离子体谐振单元通过三根等离子体柱与上层固态等离子体谐振单元连接时（固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14被激励）的吸收曲线，在频带8.1GHz到16.07GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，其相对带宽为65.94%，具有两个较高的吸收峰，分别位于9.425GHz和14.57GHz，其吸收率分别为95.72%和99.98%。所以我们可以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，选择对不同等离子体谐振单元进行激励，从而达到对吸波器的动态调控的目的。如图14所示，曲线一是固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、13、14被激励时的吸收曲线；曲线二则是改变外层三角环形固态等离子体谐振单元的宽度（固态等离子体谐振单元4、5、6的宽度）时的吸收曲线。由图14可知，在修改后该吸波器的吸收特性有了明显的变化。吸收曲线向低频方向发生了移动，在频带7.7GHz-12.07GHz和频带14.05-16.46GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，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曲线发生移动，从而达到吸收峰覆盖多个电磁波段的目的，实现对该吸波器工作频率和性能的编程调控。在经过特定设计（编程控制）后，本发明的工作频率能够实现动态的调控，并能够覆盖多个电磁波段。主要吸收都是由固态等离子构成的谐振单元和加载的电阻共同引起，可以在较小的物理尺寸下实现对电磁波的超宽带吸收，本发明具有通俗易加工，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。当前第1页1 2 3