CN109687163A

CN109687163A - 基于三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏

Info

Publication number: CN109687163A
Application number: CN201811517097.8A
Authority: CN
Inventors: 常玉梅; 王琳; 李波; 薄亚明; 祝雷
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-04-26

Abstract

本发明公开了一种基于三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏，通过PIN二极管的“通”和“断”控制金属贴片上的电流分布，从而使得周期单元在不同的频率点，实现其在同相反射和反射之间的切换，进而实现上述周期结构在不同的频率点处对入射电磁波的吸收。在不同的工作频段，通过独立控制PIN二极管在一个周期内“导通”所占的时间比，即占空比，实现对多个频段的特性进行自由调控的功能。本发明采用的人工磁导体结构，结构简单，易于加工，且厚度远远比小于工作波长的十分之一，体积和成本大大降低。

Description

基于三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏

技术领域

本发明属于微波电路技术领域，尤其涉及一种基于三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏。

背景技术

雷达反射截面(radar cross section，RCS)是目标在雷达波的照射下产生的回波强度的一种物理量，当目标尺寸越大，雷达截面也越大。RCS通常广泛应用于军事战争，特别是它的雷达探测技术和雷达隐身技术。随着对隐身技术的需求越来越高，低RCS材料受到越来越多的关注。较为广泛应用的隐身技术包括外表修饰，电磁对消技术、雷达吸波材料(Radar Absorbing Material，RAM)等。雷达吸波材料将电磁波能量转化为电能，从而减少能量的反射达到隐身的需求。

20世纪90年代后期，Chambers教授和Tenant教授将相位调制的概念引入到微波吸收体的设计当中。与前述隐身机理不同，基于相位调制技术的微波吸收体是对入射电磁波的能量进行频率上的偏移，保证反射信号落在雷达接收机通带范围之外，从而实现低反射率。传统的相位调制屏是由金属板，四分之一波长的介质隔层和周期贴片阵列组成，厚度较厚。因此，隐身材料的发展方向是：厚度薄，重量轻，吸收频带宽等。

人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)作为一种超材料，具有在特定频率范围内对平面波呈现同相反射的电磁特性。普通的金属接地面作为低阻抗面，反射率R＝-1，而人工磁导体具有很高的阻抗且反射率R＝+1，有在特定频率范围内对平面波呈现同相反射的电磁特性，并且有效降低了材料厚度，在隐身方面有了很大的进展。

但是，一般的AMC同相反射带宽有限且只有一个频率点。因此，为了达到更好的隐身效果，实现多频AMC具有重大的意义。多频AMC设计方法有很多种，包括多层频率表面选择表面(FSS)、扰动平面AMC、高阶共振和GA技术，平面同心片AMC。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏，通过控制PIN二极管的开关状态来改变AMC同相反射点的位置，可以实现对雷达隐身的效果，有多个频点，可以自由的切换，且工作频段互不干扰。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种三频人工磁导体结构，包括二维周期排布的人工磁导体单元17，所述人工磁导体单元17中心对称，包括上层贴片、中间介质基板15和底层金属地面16，所述上层贴片包括位于中心位置的大多边形金属贴片1和四个角的小多边形金属贴片，印制在介质基板15上，并通过金属化通孔与金属地面16相连；且大多边形金属贴片1与小多边形金属贴片之间由四个PIN二极管相连接。

进一步地，所述大多边形金属贴片1通过金属化通孔2与金属地面16相连，所述四个小多边形金属贴片，第一小多边形金属贴片7，第二小多边形金属贴片8，第三小多边形金属贴片9，第四小多边形金属贴片10，分别通过第一四分之一圆柱金属化通孔11、第二四分之一圆柱金属化通孔12、第三四分之一圆柱金属化通孔13、第四四分之一圆柱金属化通孔14与金属地面16相连。

进一步地，所述大多边形金属贴片1为正方形及在四周加上一定宽度的矩形实心贴片。

进一步地，第一小多边形金属贴片7、第二小多边形金属贴片8、第三小多边形金属贴片9和第四小多边形金属贴片10为小正方形及在一侧加上一定宽度的矩形实心贴片。

进一步地，所述第一小多边形金属贴片7、第二小多边形金属贴片8、第三小多边形金属贴片9和第四小多边形金属贴片10为四个形状完全相同的金属贴片，摆放方向不同，每一个小多边形金属贴片都能与其相邻的三个周期单元中的小多边形金属贴片，构成一个完整的中心对称的小多边形金属贴片18。

进一步地，所述PIN二极管的两端设有与其封装尺寸相同大小的金属贴片。

进一步地，所述四个PIN二极管为第一PIN二极管3、第二PIN二极管4、第三PIN二极管5和第四PIN二极管6，分别焊接在四个小多边形金属贴片7、小多边形金属贴片8、小多边形金属贴片9、小多边形金属贴片10与金属贴片1之间，并且都位于介质基板15上面。

进一步地，小多边形贴片18在人工磁导体单元17对角线延长线上的投影长度、金属贴片1在人工磁导体单元17对角线上的投影长度及单个PIN二极管长度之和等于人工磁导体单元17的对角线长度。

进一步地，所述第一四分之一圆柱金属化通孔11、第二四分之一圆柱金属化通孔12、第三四分之一圆柱金属化通孔13和第四四分之一圆柱金属化通孔14为具有相同截面形状的四分之一圆，摆放方向不同，每一个四分之一圆金属化通孔都能与其相邻的三个周期单元中的四分之一圆金属化通孔构成一个完整的圆柱，位于小多边形金属贴片18的中心位置，半径与金属化通孔2半径相同。

进一步地，人工磁导体单元17以方型晶格形式进行二维周期排列。

一种基于三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏，当PIN二极管断开时，中间的大多边形金属贴片在低频段处产生谐振，四个角的小多边形金属贴片在高频段处产生谐振；当PIN二极管闭合时，大多边形金属贴片和四个小多边形金属贴片构成一个整体，在第三个频率点处发生谐振；通过控制PIN二极管的开关状态，三频人工磁导体结构可以在三个频率处，实现入射波同相反射和反相反射的切换；在不同的频段处，通过独立控制PIN二极管导通的占空比，独立控制相位调制屏对三个频段入射波的吸收效果，使其在三个频率段自由切换。

有益效果：本发明采用上述方案中的人工磁导体，可以在两个频率实现同相反射，并通过控制PIN二极管的开关，增加一个频率来实现同相反射，实现多频且自由切换。本发明采用上述方案中的人工磁导体，通过独立控制PIN二极管导通的占空比，能够独立控制相位调制屏对三个频段入射波的吸收效果，可以有效地控制每个频段，达到隐身效果，可调性强。本发明采用介质基板的总厚度约为工作波长的十分之一，与传统的相位调制屏相比，其厚度降低了60％。

附图说明

图1是本发明基于三频人工磁导体结构的相位调制屏的工作原理示意图；

图2是本发明三频人工磁导体结构的顶视图；

图3是本发明人工磁导体单元的三维示意图；

图4是本发明人工磁导体单元的顶层示意图；

图5是本发明人工磁导体单元的金属通孔的侧视图；

图6是本发明相位调制屏在PIN二极管为“开”和“关”两种状态时，反射系数的相位曲线图；

图7是本发明相位调制屏在占空比为10％，30％，50％，70％，90％时，每个频段吸收值的曲线图；

图8是本发明相位调制屏在每个频段吸收值为100％的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的基于三频人工磁导体结构构建的相位调制屏，可实现电磁波隐身的方法，通过PIN二极管的“通”和“断”控制贴片的电流分布，从而使得周期单元在不同的频率点，实现其在同相反射和反射之间的切换，进而实现上述周期结构在不同的频率点处对入射电磁波的吸收。

当PIN二极管断开时，中间的大多边形金属贴片在低频段处产生谐振，四个角的小多边形金属贴片在高频段处产生谐振；当PIN二极管闭合时，大多边形金属贴片和四个小多边形金属贴片构成一个整体，在第三个频率点处发生谐振。通过控制PIN二极管的“通”和“断”，三频人工磁导体结构可以在三个频率处，实现对入射波同相反射和反相反射的切换。

在不同的频段处，通过独立控制PIN二极管导通的占空比，能够独立控制相位调制屏对三个频段入射波的吸收效果，可以有效地控制每个频段，使其可以在三个频率段自由切换。

如图2所示，三频人工磁导体结构由若干个中心对称的人工磁导体单元17进行二维周期排布组成。如图3所示，每个人工磁导体单元17由上层金属贴片，包含四个小多边形金属贴片和大多边形金属贴片1，中间的介质基板15，金属地面16、PIN二极管组构成。通过控制人工磁导体单元的PIN二极管的“开”和“关”两种状态，从而使得入射电磁波在工作频率处分别呈“反相反射”和“同相反射”两种状态，可以实现多频的转换。

如图3所示，人工磁导体单元17中的人工磁导体是中心对称的大多边形金属贴片1和围绕四周的第一小多边形金属贴片7，第二小多边形金属贴片8，第三小多边形金属贴片9，第四小多边形金属贴片10，并印制在介质基板15上方，底面设置金属地面16。频率可调的人工磁导体单元17以方型晶格的形式进行周期排列。大多边形金属贴片和四个角的小多边形金属贴片，通过单元中心位置处的金属化通孔，穿过介质基板与介质基板的下表面的金属地面16连接，从而能够在一高一低两个频率点处发生谐振，即在这两个频率处实现对入射波的同相反射。

如图5所示，大多边形金属贴片1通过金属化通孔2与金属地面16相连，四个小金属贴片中，第一小多边形金属贴片7、第二小多边形金属贴片8、第三小多边形金属贴片9和第四小多边形金属贴片10分别通过第一四分之一圆柱金属化通孔11、第二四分之一圆柱金属化通孔12、第三四分之一圆柱金属化通孔13、第四四分之一圆柱金属化通孔14与金属地面16相连。

如图4所示，PIN二极管组由第一PIN二极管3、第二PIN二极管4、第三PIN二极管5和第四PIN二极管6组成，分别焊接在四个小多边形金属贴片7、小多边形金属贴片8、小多边形金属贴片9、小多边形金属贴片10与大多边形金属贴片1之间，并且都位于介质基板15的上面。PIN二极管的两端设有与其封装尺寸相同大小的金属贴片。介质基板15的介电常数ε_r为2.2～10.2，厚度为4mm，约0.08*λ_g，其中，λ_g＝λ₀/ε_r^0.5，λ₀为第一谐振点在自由空间的波长。

大多边形金属贴片1为正方形及在四周加上一定宽度的矩形实心贴片，周长为λ_eff/2，其中λ_eff＝λ₀/(ε_r+1)^0.5，λ₀为自由空间的波长。金属化通孔2贯穿介质基板15，其半径为总厚度的三分之一。

第一小多边形金属贴片7、第二小多边形金属贴片8、第三小多边形金属贴片9和第四小多边形金属贴片10为小正方形及在一侧加上一定宽度的矩形实心贴片。

第一小多边形金属贴片7、第二小多边形金属贴片8、第三小多边形金属贴片9和第四小多边形金属贴片10为四个形状完全相同的金属贴片，但是摆放的方向不同，每一个小多边形金属贴片都能与其相邻的三个周期单元中的小多边形金属贴片，构成一个完整的中心对称的小多边形金属贴片18，如图2所示。

中心对称的小多边形金属贴片18在人工磁导体单元17对角线的延长线上的投影长度，与中心对称的大多边形金属贴片1在人工磁导体单元17对角线上的投影长度、以及单个PIN二极管的长度之和(包括预留的焊接长度)，等于人工磁导体单元17的对角线长度。

第一金属化通孔11、第二金属化通孔12、第三金属化通孔13和第四金属化通孔14存在于介质基板15中，它们具有相同的截面形状—四分之一圆，但是摆放的方向不同，每一个金属化通孔都能与其相邻的三个周期单元中的金属化通孔构成一个完整的圆柱，每一个圆柱都相应位于四个相邻多边形贴片所构成的中心对称的小多边形金属贴片18的中心位置；它们的半径均与第一金属化通孔2的半径相同。

第一PIN二极管11、第二PIN二极管12、第三PIN二极管13和第四PIN二极管14的型号并不唯一，但是必须选用能够工作在所需射频频段以上的PIN二极管。

下面对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。

以6*6单元为例，基于频率可调人工磁导体单元17的人工磁导体结构的界面尺寸为250mm*250mm，总厚度为4mm，质基板选用材料FR4，介电常数为4.4，金属地面16采用覆铜。

中心对称的金属贴片1采用大多边形贴片形状，其大小是边长为21.5mm的正方形以及四边加上长16mm*宽0.5mm的矩形，第一金属化通孔2的半径为1.5mm；第一小多边形金属贴片7、第二小多边形金属贴片8、第三小多边形金属贴片9和第四小多边形金属贴片10均采用大小为边长6mm的小正方以及一侧加上长4mm*宽2mm的矩形的形状；第二金属化通孔11、第三金属化通孔12、第四金属化通孔13和第五金属化通孔14的半径均为1.5mm；PIN二极管的型号为BAP64-02V。

参考图6所示，经数值计算，当PIN二极管的反向偏置电压大于10V时断开时，中间的多形贴片构成了低频段2.85GHz处的反射相位点，四个角的小多形金属贴片共同构成了高频段4.3GHz的反射相位点；当PIN二极管的正向偏置电压大于10V时断开时，整个贴片构成了频率为5.2GHz的反射相位点，实现了三频的自由切换；此外，由于整体的厚度不到十分之一波长，较传统的四分之一波长降低了很多，因此采用该技术方案十分有效。

参考图7所示，经数值计算，当占空比为50％-70％时，第一个频点的吸收达到100％；当占空比为70％-90％，第二个频点的吸收效果最好，接近100％；当占空比为30％-50％时，第三个频点的吸收效果最好为100％。

参考图8所示，通过独立控制PIN二极管的开关，改变每个频段的占空比，得到三个频段最好的结果，吸收率都为100％。

Claims

1.一种三频人工磁导体结构，其特征在于，包括二维周期排布的人工磁导体单元(17)，所述人工磁导体单元(17)中心对称，包括上层贴片、中间介质基板(15)和底层金属地面(16)，所述上层贴片包括位于中心位置的大多边形金属贴片(1)和四个角的小多边形金属贴片，印制在介质基板(15)上，并通过金属化通孔与金属地面(16)相连；且大多边形金属贴片(1)与小多边形金属贴片之间由四个PIN二极管相连接。

2.根据权利要求1所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，所述大多边形金属贴片(1)通过金属化通孔(2)与金属地面(16)相连，所述四个小多边形金属贴片，第一小多边形金属贴片(7)，第二小多边形金属贴片(8)，第三小多边形金属贴片(9)，第四小多边形金属贴片(10)，分别通过第一四分之一圆柱金属化通孔(11)、第二四分之一圆柱金属化通孔(12)、第三四分之一圆柱金属化通孔(13)、第四四分之一圆柱金属化通孔(14)与金属地面(16)相连。

3.根据权利要求1所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，所述大多边形金属贴片(1)为正方形及在四周加上一定宽度的矩形实心贴片。

4.根据权利要求1所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，第一小多边形金属贴片(7)、第二小多边形金属贴片(8)、第三小多边形金属贴片(9)和第四小多边形金属贴片(10)为小正方形及在一侧加上一定宽度的矩形实心贴片。

5.根据权利要求2所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，所述第一小多边形金属贴片(7)、第二小多边形金属贴片(8)、第三小多边形金属贴片(9)和第四小多边形金属贴片(10)为四个形状完全相同的金属贴片，摆放方向不同，每一个小多边形金属贴片都能与其相邻的三个周期单元中的小多边形金属贴片，构成一个完整的中心对称的小多边形金属贴片(18)。

6.根据权利要求1所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，所述PIN二极管的两端设有与其封装尺寸相同大小的金属贴片。

7.根据权利要求2所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，所述四个PIN二极管为第一PIN二极管(3)、第二PIN二极管(4)、第三PIN二极管(5)和第四PIN二极管(6)，分别焊接在四个小多边形金属贴片(7)、小多边形金属贴片(8)、小多边形金属贴片(9)、小多边形金属贴片(10)与金属贴片(1)之间，并且都位于介质基板(15)上面。

8.根据权利要求1所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，小多边形贴片(18)在人工磁导体单元(17)对角线延长线上的投影长度、金属贴片(1)在人工磁导体单元(17)对角线上的投影长度及单个PIN二极管长度之和等于人工磁导体单元(17)的对角线长度。

9.根据权利要求2所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，所述第一四分之一圆柱金属化通孔(11)、第二四分之一圆柱金属化通孔(12)、第三四分之一圆柱金属化通孔(13)和第四四分之一圆柱金属化通孔(14)为具有相同截面形状的四分之一圆，摆放方向不同，每一个四分之一圆金属化通孔都能与其相邻的三个周期单元中的四分之一圆金属化通孔构成一个完整的圆柱，位于小多边形金属贴片(18)的中心位置，半径与金属化通孔(2)半径相同。

10.根据权利要求1所述的三频人工磁导体结构，其特征在于，人工磁导体单元(17)以方型晶格形式进行二维周期排列。

11.一种基于如权利要求1-10所述的三频人工磁导体结构的可重构相位调制屏，其特征在于，当PIN二极管断开时，中间的大多边形金属贴片在低频段处产生谐振，四个角的小多边形金属贴片在高频段处产生谐振；当PIN二极管闭合时，大多边形金属贴片和四个小多边形金属贴片构成一个整体，在第三个频率点处发生谐振；通过控制PIN二极管的开关状态，三频人工磁导体结构可以在三个频率处，实现入射波同相反射和反相反射的切换；

在不同的频段处，通过独立控制PIN二极管导通的占空比，独立控制相位调制屏对三个频段入射波的吸收效果，使其在三个频率段自由切换。