一种利用磁导率近零超材料实现P波段智能可调完美吸波器的方法与流程

本发明涉及一种利用磁导率近零超材料实现p波段智能可调完美吸波器的方法，属于无线信息传播领域，核心部分是通过电压控制pin管的通断来改变磁导率近零超材料的有效工作结构，从而改变超材料的等效电磁参数，实现对完美吸波频率的调节；同时为了有效的给pin管进行馈电，本发明采用了“内部通孔”连接和“火、地线分面”的混合馈电方式。

背景技术：

p波段电磁波在目前的军事探测领域应用非常广泛，但由于p波段的波长较长，针对该波段吸波器一般厚重，导致实际应用的局限性很大。人工电磁超材料是通过人工设计的周期结构，具有可设计的电磁波反射和透射特性，在吸收电磁波方向有着重要的应用价值。磁导率近零的超材料是一种人工设计的周期结构，其具备在某些频段的等效磁导率实部趋于0的特殊电磁性能，将这种材料应用于吸波器设计可以获得一种厚度远远小于吸波工作波长的吸波结构(几十分之一至百分之一工作波长)。从而可以凭借毫米尺度的厚度，实现对p波段电磁波完美吸收的效果。在实际应用中，由于应用场景时刻都能发生变化，所以设计一种智能可调的吸波器很有必要。可调吸波器的设计一般可借助pin管等电可调元器件实现。通过控制元器件的馈电电压来对加载元件的超材料结构单元的等效电磁参数进行调控，从而对基于超材料设计的吸波器的吸波性能如吸波频段、吸波强度、吸波极化等进行智能调控，最终实现在不同场景下的应用。在设计过程中，如何在不影响超材料单元结构本身电磁性能的情况下，给元器件进行有效馈电也是一项关键技术。因此，设计一种轻薄且智能可调的p波段吸波器具有很大的挑战性和必要性。本专利基于磁导率近零超材料相干相消的吸波原理，提出了一种智能可调的针对p波段关键频段的吸波器结构，并为了实现给pin管进行有效馈电，采用了“内部通孔”连接和“火、地线分面”的混合馈电方式。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种基于磁导率近零超材料实现p波段智能可调完美吸波的方法，只需通过控制pin管两端加载的电压来控制pin管的通断，就可实现控制吸波器完美吸波的频段，能够实现智能调节的功能，可以应对复杂应用环境的多种应用需求，从而节省研究和制造的成本。

技术方案：本发明所述的超材料吸波器分为两个主体结构：背面金属板和双面敷有周期性“回”形单元结构的fr4板条。fr4板条竖向固定在金属板上。fr4板条的“回”形单元结构被pin管分为内围和外围两段，内围为3匝的“回形结构”，外围为0.75匝的“回”形结构。通过调节pin管两端电压的高、低，实现对pin管工作状态通、断切换。pin管导通时，内、外围“回”形结构相连，吸波器在中心频率为0.75ghz附近频段实现对电磁波的完美吸收；pin管截断时，内、外围“回”形结构被截断，吸波器在中心频率为0.87ghz附近频段实现对电磁波的完美吸收。首先，我们将双面敷有周期性的“回”形单元结构的fr4板条固定在金属背板上，引出两条导线控制pin管的两端电压，当电压小于0.3v时，pin管工作在截断状态，在接收端我们可以测出在0.87ghz附近的电磁波的反射系数小于-10db；当电压大于0.3v时，pin管导通，在接收端我们可以测出在0.75ghz附近的电磁波的反射系数小于-10db。本发明只需要调节pin管的馈电电压，就能有效的进行吸波频段的切换。同时，为了解决对pin管的馈电问题，我们采取的是“内部通孔”连接、“火、地分面”的混合馈电方式。两个“内部通孔”将双面的内围“回”形结构和双面的外围“回”形结构分别进行连通；然后在fr4板一面结构下引出一条火线并与外围结构相连，另一面引出一条地线并与内围结构相连，从而实现对pin管的有效馈电。本发明馈电方式简便有效，可以为其他需要馈电的装置提供很好的设计指导；且调节吸波频段只需要调节电压，不需要其他任何方式，所以具有调节简便，多场景应用的优势。

超材料是由很多周期排布的相同单元结构组成，当单元结构的尺寸远小于入射电磁波的波长并且单元数足够多时，整体表现出来的等效电磁性质可以通过对单元结构进行分析而获得。磁导率近零的超材料在进一步减小超材料的厚度和重量情况下能实现对p波段的完美吸波。我们设计的超材料单元结构是双面双围的“回”形结构，外围结构和内围结构之间留一定间隔，将pin管横跨该间隔焊接在两侧的金属表面。“回”形结构工作在谐振频点时，等效磁导率实部接近于0，利用相干相消原理，实现完美吸收入射电磁波的效果。在保持入射电磁波频率不变的情况下，改变pin管两端的电压，可控制pin管的通断，从而控制内、外围“回”形结构连通与否，使得等效磁导率近零的频率发生改变，从而实现完美吸波的频段也发生了相应的偏移。如此，只需控制pin管两端的电压就可以改变有效工作的结构，实现对p波段吸波频段的控制。

有益效果：1、可实现p波段一定频率范围内的完美吸波；2、通过控制pin管的通断可实现吸波频段的可调性；3、厚度薄，重量轻，方便与其他材料进行复合应用；4、“内部通孔”连接和“火、地分面”的混合馈电方式。

附图说明：

图1是本发明的整体效果图。

图2是本发明的可调磁导率近零超材料的结构示意图。

图3是本发明的可调磁导率近零超材料的单元结构主视图。

图4是本发明的仿真结果图

图5是本发明的通过s参数反演得到的等效磁导率图

图6是本发明的实验样品图。

图7是本发明的实验结果。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式：

下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例：参考图1-3描述的本发明的整体效果图、可调磁导率近零超材料的结构示意图、可调磁导率近零超材料的单元结构主视图。

该吸波器主要由两个部分构成，金属背板1以及可调磁导率近零超材料2。可调磁导率近零超材料2由双面敷有周期排列的“回”形单元结构的fr4介质板3和pin管10构成，结构单元数可根据具体应用场景进行选取。fr4介质板3的介电常数为4.3，厚度为0.4mm，长为16mm，高为5mm。介质板3的正面镀有多个金属“回”形结构，“回”形结构被pin管10分割成外围9和内围5两个金属结构，内、外围“回”形结构线宽均为0.28mm，金属条间间距为0.28mm，最短线长为12mm，总高为4.5mm。pin管10焊接在内围金属结构9和外围金属结构5之间。内部通孔6、8分别将双面的内、外围金属结构连通。内围结构通过金属馈线4连接火线，外围结构通过另一面的金属馈线7连接地线，实现对pin管的馈电。

图4是pin管分别加0v和2v电压时吸波器的吸波率，其中实线12对应0v的电压情况，虚线11对应2v电压情况。电压为0v时，实现对0.87ghz附近频段的完美吸波，电压为2v时，实现对0.75ghz附近频段的完美吸波。图5是利用该吸波器s参数反演得到的等效磁导率，虚线13、实线14为电压为2v时反演出的磁导率的虚部和实部，虚线15、实线16为电压为0v时反演出的磁导率的虚部和实部。两者都在吸波器实现完美吸波的频段磁导率实部趋于0。

图6是实物展示，图7是实验测量得到的结果。虚线16对应电压为2v时测量得到吸波器的反射系数，实线17对应电压为0v时测量得到吸波器的反射系数。结果说明本发明技术的馈电方法简便有效，且可以实现对p波段的智能调节的完美吸波。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。