一种基于PIN二极管的超宽带开关式吸波体的制作方法

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于pin二极管的超宽带开关式吸波体。

背景技术：

吸波体能够对电磁波进行有效吸收，抑制其发射和传输。被广泛应用在手机、电子仪器设备、高频设备、微波有源器件、人体安全防护、通信及导航系统抗干扰，智能墙壁等技术领域，逐渐成为研究热点。然而传统吸波材料由于自身性质的限制，不能满足形式多样的应用需求。

超材料是一种周期排列的人工电磁结构，具有自然材料不具有的电磁特性。超材料吸波体由于质量轻，性能好等优点从而具有广泛的应用前景。目前的超材料吸波体大多都是不可调的，一旦设计完成，其工作频率便不可改变，这极大的限制了超材料吸波体的应用。此外，超材料本身的电磁特性和频率密切相关，很难实现宽带吸波。而同时实现宽带吸波和开关特性，更成了难点中的难点。目前已有的开关式吸波体只能对全工作频段进行开关转换，而某些场合下只希望对部分频段进行吸波，而对其余频段进行反射。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，克服传统吸波体工作频段窄、工作频段固定不可调的缺点，实现超宽带吸波和开关特性，本发明利用加载集总电阻和pin二极管的多层结构，提出了一种基于pin二极管的超宽带开关式吸波体，在高频设备、微波有源器件、人体安全防护、通信及导航系统抗干扰，智能墙壁等技术领域有广阔的应用前景。具体技术方案如下：

一种基于pin二极管的超宽带开关式吸波体，从上至下依次为吸波层、开关层和底板层；

所述吸波层由第一介质基板和多个周期性附着在第一介质基板上表面的开口谐振环结构组成；

所述开关层由第二介质基板、多条周期性附着在第二介质基板上表面的加载二极管的金属横条、多条周期性附着在第二介质基板下表面的加载二极管的金属纵条，所述多条金属横条之间相互平行，所述多条金属纵条之间相互平行，所述金属横条与金属纵条在空间上的方向相互垂直；

所述底板层为金属材料层。

进一步地，所述吸波体被虚拟地划分为多个周期性排布的正方形单元结构，每个正方形单元结构包括第一介质基板、开口谐振环结构、第二介质基板、1条加载二极管金属横条、1条加载二极管金属纵条和金属材料层；所述加载二极管金属横条与加载二极管金属纵条相互垂直且经过正方形单元结构的中心。

进一步地，所述开口谐振环结构由1个内金属环、1个外金属环和8个集总电阻组成，所述内金属环、外金属环均等间距设置4个开口，内金属环的开口位置与外金属环的开口位置对应；所述集总电阻设置在开口处，用于连接被开口隔断的金属环。

进一步地，所述正方形单元结构中的加载二极管金属横条由4段金属条和4个pin二极管组成，所述4个pin二极管的正负极朝向一致，用于连接所述4段金属条。

进一步地，所述正方形单元结构中的加载二极管金属纵条由4段金属条和4个pin二极管组成，所述4个pin二极管的正负极朝向一致，用于连接所述4段金属条。

采用本发明获得的有益效果：与现有最好技术相比，本发明实现了从s波段到x波段的超宽带吸波，工作频段覆盖宽；本发明具有部分频段开关特性，在保持持x波段吸波特性不变的前提下实现s波段吸波的开关效果，且本发明的馈电方式简单，具有极化无关性，并且可独立控制两个方向的二极管的开关状态，从而在使吸波体在两个极化方向上分别工作在“on”状态和“off”状态。

附图说明

图1为本发明吸波体单元结构示意图；

图2为本发明吸波层正面图；

图3为本发明开关层正面示意图；

图4为本发明开关层背面示意图；

图5为本发明吸波体等效电路；

图6为本发明吸波体在不同状态下的吸波特性；

图7为本发明吸波体在不同入射角度下的吸波特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于pin二极管的超宽带开关式吸波体，从上至下依次为吸波层1、开关层2和底板层3；该吸波体为周期结构，周期单元结构如图1所示。

吸波层1由第一介质基板11和多个周期性附着在第一介质基板上表面的开口谐振环结构12组成；实施例中，第一介质基板采用fr4基板(介电常数4.4，损耗角正切0.007)，其它介电常数范围在4.0-5.0间的不同类型的基板材料也可代替，第一介质基板厚度为0.5mm

如图2所示，正方形单元结构中的开口谐振环结构12由1个内金属环121、1个外金属环122和8个集总电阻123组成，所述内金属环、外金属环均等间距设置4个开口，内金属环的开口位置与外金属环的开口位置对应；所述集总电阻设置在开口处，用于连接被开口隔断的金属环。8个集总电阻的阻值相同，为100欧姆。开口谐振环结构具有谐振作用，可以与入射电磁波产生谐振。集总电阻可以吸收电磁波，使得电磁波在较宽频带内被吸收。吸波功能由吸波层完成，开口谐振环结构的大小决定了谐振频率，调节加载的集总电阻的值和不同层间的距离实现频段内的阻抗匹配。

开关层2由第二介质基板21、多条周期性附着在第二介质基板上表面的加载二极管23的金属横条22、多条周期性附着在第二介质基板下表面的加载二极管的金属纵条24。实施例中，第二介质基板采用rt5880基板(介电常数2.2，损耗角正切0.02)，也可用介电常数范围在2.0-2.5之间同类型的基板材料代替，第二介质基板的厚度为0.5mm，加载pin二极管的金属条可以通过现有技术中的印刷工艺分别印刷至第二介质基板的上下表面；如图3、图4所示，图中xoy表示平面坐标系，第二介质基板上表面的金属横条沿x轴方向，第二介质基板下表面的金属纵条沿y方向(或者下表面的纵条沿x方向，上表面的横条沿y方向)。所述多条金属横条之间相互平行，所述多条金属纵条之间相互平行，所述金属横条与金属纵条在空间上的方向相互垂直。

金属横条、金属纵条均由若干间断金属条组成，通过加载二极管连接，所有加载的二极管型号为bap_5102或者bap70-03以及其他具有开关作用的pin二极管，每个表面上的所有二极管的正负朝向一致，分别沿着金属条的方向外加电源偏置，电源的正负极与pin二极管的正负极一致，从而对加载在金属条之间的pin二极管进行调控。第二介质基板上、下两面的二极管独立馈电，分别控制两个方向上二极管的开关状态。当外加电源为正时，pin二极管处于导通，吸波体工作状态为“on”状态(工作状态)；外加偏置电压为0或者较小时，二极管不导通，吸波体工作状态为“off”状态(关闭状态)。本发明不需要额外的馈电网络，外加偏置电压直接加载在金属横条或金属纵条上。开关特性由开关层加载的pin二极管完成，pin二极管由外加偏置电压控制。

底板层3为金属板，该金属板可以完全反射入射波，加强吸波作用。

不同层之间采用塑料螺钉固定，也可以采用介电常数较低的pmi泡沫材料填充，用于支持上层结构。一个实施例中吸波体的具体参数如下所示：

h2＝7.5mm,g＝1mm,w1＝0.7mm,w2＝0.6mm,r1＝4.6mm,r2＝8.0mm,

h1＝3.5mm,t2＝0.5mm,p＝22mm,t1＝0.5mm,f＝4.75mm,w＝1mm。

h1表示吸波层与开关层之间的垂直距离；h2表示开关层与底板层之间的垂直距离；r1表示内金属环的半径，r2表示外金属环的半径；w1表示内金属环的宽度；w2表示外金属环的宽度；g表示开口宽度；t1表示吸波层的厚度；t2表示开关层的厚度；p表示正方形单元结构的正面边长；f表示短金属条的长度；w表示金属横条的宽度，金属纵条的宽度与金属横条的宽度相等。

图5中(a)图为本发明吸波体的等效电路，吸波层等效为两个并联的串联rlc电路，在导通状态下，pin二极管等效为一个电阻，而在不导通时等效为一个电容，因而在吸波体在“on”状态和“off”状态下具有不同的等效电路。利用传输线理论将其化简为图5中的(b)图，将二极管在“on”状态和“off”下的等效电路带入(b)图，同时利用部分接入法对电路进一步化简，可以分别得到吸波体在“on”状态和“off”下等效电路，分别如图5中的图(c)和图(d)所示。

在“on”状态，吸波体具有两个并联的串联lc谐振，分别在两个不同的频点谐振产生两个吸收峰。在吸收峰的中间频段，可以通过调节加载的集总电阻的值以及吸波体的尺寸优化r,l4和l实现阻抗匹配和宽带吸波。在“off”状态下，由于pin二极管等效为一个电容，引入了一个并联lc谐振，从而在低频段产生了一个传输零点，关闭了在低频段的吸收同时不影响高频段的吸波特性。通过上述原理，本发明吸波体实现了低频段的开关特性。

图6显示了cst软件仿真得到的基于pin二极管的超宽带开关式吸波体在不同状态下的吸波特性。与现有技术方法相比，本发明实现了保持高频段(7.2ghz到11.2ghz)吸波特性不变，而在低频段实现吸波开关特性的功能，大大地提高了吸波体应用的灵活性。可以看出在“on”状态时，能够在3.2ghz到11.2ghz的频段内吸波；在“off”状态下，吸波频段切换为7.2ghz到11.2ghz。两种状态下吸波率都大于90％。周期结构为四面对称结构，当两个方向上的pin二极管开关状态相同时，具有极化无关特性。

图7为cst软件仿真得到的基于pin二极管的超宽带开关式吸波体在不同入射角度下的吸波特性，可以看出当入射角φ从0度增加到45度时，吸波特性未发生明显变化，证明了该吸波体具有较好的角度稳定性。

本发明吸波体在保持x波段吸波特性不变的前提下实现了s波段吸波的开关效果，吸波层和开关层分离设计，实现了部分工作频段的开关特性，本发明可以应用于飞机隐身、雷达天线罩、探测传感，智能墙壁，电磁兼容等领域，根据实际需要进行开关控制，实现对不同频段的超强吸波从而达到隐身效果。

上述实施例中pin二极管型号也可由其它具有开关特性的半导体二极管代替；开关层的加载pin二极管的条形结构可由其它加载pin二极管的金属网格结构代替。进一步地，应当指出，本发明并不局限于以上特定实施例，本领域技术人员可以在权利要求的保护范围内做出任何变形或改进，均落在本发明的保护范围之内。