CN113644453B - 在x波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器 - Google Patents
在x波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，自上而下分为三个部分：宽带功能切换有源FSS、空气层、电路模拟吸收体；宽带功能切换有源FSS包括介质板以及正交排布在介质板两侧的呈周期性排布的金属单元；金属单元由以PIN二极管连接的偶极子构成，偶极子尺寸相同，沿水平或竖直方向排列；金属单元以45°倾斜排布，电路模拟吸收体包括介质板，周期单元以及底板；周期单元由正交排布的方形环组成，周期单元和底板的材料均为电阻膜。本发明具有吸波率和反射率均较高、切换带宽宽、低剖面、对入射波的角度和极化方式不敏感等特点。
Description
技术领域
本发明属于宽带电磁吸波器技术领域，具体涉及一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器。
背景技术
相比于传统的吸波结构仅通过增加结构厚度完成吸波，将频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)引入吸波器的设计能够有效地实现阻抗匹配，从而减小吸波器的厚度并改善吸波性能。在加载有源元件如电控、光控元件后，有源FSS实现了对频率响应的调控，使其能够适应外界复杂电磁环境的变化。可重构吸波器将有源FSS引入吸波器设计，可以有效改善传统吸波器频率响应不可调节的不足。
目前可重构吸波器正蓬勃发展，如中国专利申请号201811062061.5，名称为“一种频率选择表面的可调X波段吸波材料”，提出了一种实现单频宽带吸波与双频吸波状态切换的吸波材料。该发明在耶路撒冷十字环上加载PIN二极管，通过调节二极管两端的偏置电压实现7.6-12.6GHz的宽频吸收与8.0-9.1GHz，10.2-12GHz的双频吸收两种状态之间的切换。但该发明未能完全实现X波段吸波与反射性能的切换。由于二极管等有源元件本身的工作频段和性能的限制，大多数可重构吸波器的切换带宽较窄，并且工作频段较低，无法满足高工作频段的要求。可重构吸波器往往需要大量的馈线，导致馈线结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，具有吸波率和反射率均较高、切换带宽宽、低剖面、对入射波的角度和极化方式不敏感等特点。
实现本发明目的的技术方案是：一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，自上而下分为三个部分，第一部分为宽带功能切换有源FSS，第二部分为空气层，第三部分为电路模拟吸收体；宽带功能切换有源FSS包括第一介质板以及正交排布在第一介质板上下表面的呈周期性排布的金属单元；金属单元由以PIN二极管连接的偶极子构成，偶极子尺寸相同，沿水平或竖直方向排列；电路模拟吸收体包括第二介质板，以及周期性排布在第二介质板表层的周期单元以及置于第二介质板底层的底板；周期单元由正交排布的方形环组成。
进一步的，所述周期单元和底板的材料均为电阻膜。
进一步的，第一介质板上下表面的金属单元形状相同，方向正交。
进一步的，第一介质板为矩形板，金属单元在第一介质板以45°倾斜排布。
进一步的，第二介质板为矩形板，周期单元以45°倾斜排布。
进一步的，偶极子的材料为金属。
进一步的，第一介质板的介电常数为2.2。
进一步的，第二介质板的介电常数为4.4。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明可以在X波段内实现频率响应在吸波与反射状态间的切换，相对带宽约为50％；
(2)本发明在吸波状态下，可实现对入射波90％的吸收；反射状态下，可实现对入射波-1dB以上的反射；
(3)本发明结构的剖面较低，仅有3.177mm，约0.1λ，λ为工作频段中心频率对应自由空间波长。
附图说明
图1是宽带功能切换有源FSS单元的正视尺寸规格图。
图2是宽带功能切换有源FSS单元的后视尺寸规格图。
图3是宽带功能切换有源FSS单元的2×2周期排布图。
图4是电路模拟吸收体的正视尺寸规格图。
图5是电路模拟吸收体的后视尺寸规格图。
图6是电路模拟吸收体的2×2周期排布图。
图7是可重构吸波器的侧视尺寸规格图。
图8是可重构吸波器在反射状态下在不同入射角度下的TE极化波入射时的反射系数随频率变化的曲线图。
图9是可重构吸波器在反射状态下在不同入射角度下的TM极化波入射时的反射系数随频率变化的曲线图。
图10是可重构吸波器在吸波状态下在不同入射角度下的TE极化波入射时的吸收率随频率变化的曲线图。
图11是可重构吸波器在吸波状态下在不同入射角度下的TM极化波入射时的吸收率随频率变化的曲线图。
其中，a-周期单元边长，l-偶极子长度，w-偶极子宽度，s-两偶极子间的间距宽度，b-方形环电阻膜贴片外边长，g-方形环电阻膜贴片宽度，h1、h2、h3分别为第二部分、第三部分、第一部分厚度；图1-3中阴影部分为金属结构，图4-6中的阴影部分为电阻膜结构，其他空白部分为介质基板。
具体实施方式
本发明提供一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，可重构吸波器是由宽带功能切换有源FSS与传统电路模拟吸收体组成的多层结构。自上而下分别为宽带功能切换有源FSS、空气层和电路模拟吸收体。宽带功能切换有源FSS由以PIN二极管连接的单层双面偶极子阵列组成，两面的偶极子尺寸相同、方向正交。偶极子的材料为金属。电路模拟吸收体由方形环电阻膜贴片，介质基板和电阻膜底板组成。介质板的层数与厚度可优化确定。外加正向电压时，二极管导通，宽带功能切换有源FSS可视为一个长金属条阵列，在X波段呈现反射状态，故可重构吸波器呈现反射状态；外加反向电压时，二极管截止，宽带功能切换有源FSS可视为短偶极子阵列，在高频谐振，在X波段呈透射特性。透射过的电磁波被电路模拟吸收体吸收，故可重构吸波器在X波段呈现吸波状态。
本发明的宽带低剖面可重构吸波器，相对带宽约为50％，在吸波状态下实现对入射波90％的吸收，在反射状态下实现对入射波-1dB以上的反射，吸收率与反射率均较高。本发明由宽带功能切换有源FSS和传统电路模拟吸收体组成，采用串联-并联馈电方式，馈线结构简单，纵向尺寸较小，仅有3.177mm，约为0.1λ，λ为工作频段中心频率对应自由空间波长，较好地实现了低剖面的要求。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例
本发明提供了一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，其具体结构如图1-图6所示。本发明结构单元由上而下分为三个部分，第一部分为宽带功能切换有源FSS单元，第二部分为空气层，第三部分为电路模拟吸收体单元。
宽带功能切换有源FSS结构单元自上而下分别为表层周期结构单元，第一介质板1和底层周期结构单元。表层周期结构单元为由PIN二极管连接的偶极子2，PIN二极管方向相同，偶极子尺寸相同，数量无限制，沿水平或竖直方向排列。底层周期结构单元与表层周期结构单元尺寸相同、方向正交，结构如图1、图2所示。图中2-1为对应的偶极子。第一介质基板为矩形板，材料为有耗介质。
电路模拟吸收体结构单元自上而下分别为方形环电阻膜贴片4，第二介质基板3和电阻膜底板5，结构如图4、图5所示。
宽带低剖面可重构吸波器侧视图如图7所示。
本实施例中，宽带功能切换有源FSS的工作频段为X波段，周期单元尺寸为6mm，在无限大平面上以45°倾斜排布。宽带功能切换有源FSS单元排列方式如图3所示。
本实施例中，宽带功能切换有源FSS中的介质基板选用相对介电系数为2.2的Rogers5880。
本实施例中，宽带功能切换有源FSS表层与底层周期结构选用的材料为金属。
本实施例中，PIN二极管选用的型号为DSM 8100-000。
本实施例中，电路模拟吸收体的工作频段为X波段，周期单元尺寸为6mm，在无限大平面上以45°倾斜排布。电路模拟吸收体单元排列方式如图6所示。
本实施例中，电路模拟吸收体中的介质基板选用相对介电系数为4.4的FR-4。
本实施例中，方形环电阻膜贴片的方阻为10Ω/sq，电阻膜底板的方阻为6Ω/sq。
本实施例中，对二极管外加正向电压，二极管导通，本发明结构工作于反射状态，实现对入射波的全反射；对二极管外加反向电压，二极管截止，本发明结构工作于吸波状态，实现对入射波的吸收。
本实施例中，确定了如表1所示的单元尺寸参数。
表1一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器单元尺寸参数(以mm计)
| a | s | l | h1 | w | g | h2 | h3 |
| 6 | 0.4 | 1.72 | 0.127 | 0.3 | 0.3 | 2.55 | 0.3 |
宽带低剖面可重构吸波器在不同入射角度下的TE、TM极化波入射时的反射、吸收性能如图8-图11所示，以上曲线都是由CST电磁仿真软件得到的仿真结果。从图中可以看出，宽带低剖面可重构吸波器在X波段实现对入射电磁波反射与吸波状态间的切换，二极管导通时，实现反射功能；二极管截止时，实现吸波功能。反射与吸波状态下，在TE/TM极化波入射时，0°-45°的入射角度下，反射性能与吸收性能在工作频带内均稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，其特征在于，自上而下分为三个部分，第一部分为宽带功能切换有源FSS，第二部分为空气层，第三部分为电路模拟吸收体；宽带功能切换有源FSS包括第一介质板以及正交排布在第一介质板上下表面的呈周期性排布的金属单元；金属单元由以PIN二极管连接的偶极子构成，偶极子尺寸相同，沿水平或竖直方向排列；电路模拟吸收体包括第二介质板，以及周期性排布在第二介质板表层的周期单元以及置于第二介质板底层的底板；周期单元由正交排布的方形环组成；所述周期单元和底板的材料均为电阻膜；第一介质板上下表面的金属单元形状相同，方向正交；第一介质板为矩形板，金属单元在第一介质板以45°倾斜排布；第二介质板为矩形板，周期单元以45°倾斜排布。
2.根据权利要求1所述的在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，其特征在于，偶极子的材料为金属。
3.根据权利要求1所述的在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，其特征在于，第一介质板的介电常数为2.2。
4.根据权利要求1所述的在X波段实现反射/吸波切换的宽带低剖面可重构吸波器，其特征在于，第二介质板的介电常数为4.4。
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