频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法技术

本发明专利技术公开了一种频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法，采用人工磁导体结构作为基本结构，采用直流偏置电压源控制加载于人工磁导体结构上的有源开关器件的开关状态，从而控制人工磁导体结构在工作频率点的相位状态，使得入射电磁波在同一工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使得反射电磁波的频谱发生搬移，从而使得探测目标在工作频率处实现隐身。本发明专利技术中采用的频率可调人工磁导体结构，由人工磁导体单元和偏置网络构成，结构简单，加工容易，并且克服了传统相位调制屏存在的实现方式单一、双极化方案困难等问题，具有良好的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
频率可调的人工磁导体结构及其实现相位调制屏的方法
本专利技术涉及一种实现电磁波隐身的相位调制屏的方法，属于微波电路

技术介绍
雷达作为探测目标的有效手段之一，无论对飞行器还是地面装备的探测都非常可靠。但是，通过采用雷达隐身技术，譬如通过改进目标的外形或加载超材料结构等来实现对入射电磁波的漫散射，或者通过涂覆隐身材料、加载损耗型电路模拟吸收结构将入射电磁波转化为热量等手段，使雷达发射的电磁波可以被覆盖层散射或吸收，并使RCS(RadarCrossSection，雷达散射面积)进一步减小，从而大大降低目标可被探测的距离。在战场中，使用雷达隐身材料可以增强其在战场的突防和生存能力。20世纪90年代后期，英国谢菲尔德大学的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。与前述的两种隐身机理不同，基于相位调制技术的微波吸收体是将入射电磁波的能量在频域上搬移得足够远，使得只有非常小的一部分能量落在接收机的通带之内，从而表现出非常低的反射率。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构成，形式单一，并且厚度较厚。当入射电磁波的频率较低时，相位调制屏的厚度将非常厚，这显然无法满足现代雷达隐身材料对材料“薄”的这一要求。此外，已有的相位调制屏还存在结构单一和只能实现单极化“吸收”电磁波的问题。由上可知，现有技术的性能无法满足实际需要，且比较难于实现低剖面及多极化的相位调制屏。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对
技术介绍
中的缺陷，提出一种基于人工磁导体结构的用于实现雷达隐身的相位调制屏，实现反射波的相位在0°和180°之间进行切换，对双极化形式的入射电磁波实现“隐身”。本专利技术能够替代传统的相位调制屏中通过改变电磁波的实际传输路径长度的方式，并有效降低相位调制屏的厚度。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术首先提出一种用于实现相位调制屏的人工磁导体结构，包括上层介质基板、下层介质基板，所述上层介质基板的上表面以二维周期排布的形式印制有若干个中心对称的金属贴片，且每个金属贴片与其对角线相邻的金属贴片之间存在距离相等的空隙，在该空隙处均设置有中心对称的偏置贴片，每个金属贴片通过四个PIN二极管分别与其四周的四个偏置贴片相连接；以每个金属贴片为单位，以该金属贴片四周的四个偏置贴片的中心点连线形成的矩形区域作为一个人工磁导体单元，在每个人工磁导体单元在上层介质基板所处位置的下表面，设置有与该人工磁导体单元外围周长相等的偏置方环，所述偏置贴片通过位于其中心位置的金属化通孔和与其在上层介质基板下表面的投影位置所接触到的四个偏置方环相连接；所述下层介质基板的下表面印制有金属地面，所述金属贴片通过位于其中心位置的金属化通孔与金属地面相连接。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，所述的上层介质基板和下层介质基板的介电常数相同，介电常数εr为2.2～10.2。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，上层介质基板的厚度为0.5mm，下层介质基板的厚度为0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0为自由空间的波长。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，所述金属贴片为圆形或偶数边的多边形实心贴片，其周长为λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0为自由空间的波长。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，位于金属贴片中心位置的金属化通孔贯穿上层介质基板和下层介质基板，其直径为上层介质基板和下层介质基板总厚度的三分之一。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，所述偏置贴片在人工磁导体单元对角线上的投影长度，与金属贴片在人工磁导体单元对角线上的投影长度、以及两个PIN二极管的长度之和等于人工磁导体单元的对角线长度。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，位于偏置贴片中心位置的金属化通孔的半径是位于金属贴片中心位置的金属化通孔的半径的一半。作为本专利技术提出的人工磁导体结构进一步的优化方案，偏置方环的宽度为偏置贴片在人工磁导体单元对角线的投影长度的四分之一。本专利技术还提出一种基于人工磁导体结构实现相位调制屏的方法，将前述人工磁导体单元中的PIN二极管分别与直流偏置电压源相连接，通过改变直流偏置电压源的值来控制PIN二极管的开关状态，从而使得入射到人工磁导体结构的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；即：当PIN二极管呈开的状态时，反射电磁波的相位改变180°，当PIN二极管呈关的状态时，反射电磁波的相位改变0°；通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使反射电磁波的相位在0°到180°之间周期性的切换，造成反射电磁波的频谱发生搬移，从而实现探测目标在工作频率处的隐身。同时，不依赖于本专利技术所提出人工磁导体结构，本专利技术还提供一种基于人工磁导体结构实现相位调制屏的方法，采用直流偏置电压源控制加载于人工磁导体结构上的有源开关器件的开关状态，从而控制人工磁导体结构在工作频率点的相位状态，使得入射电磁波在同一工作频率处分别呈反相反射和同相反射两种状态；通过周期性地改变直流偏置电压源的值，使得反射电磁波的频谱发生搬移，从而使得探测目标在工作频率处实现隐身。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1)采用上述方案中的频率可调人工磁导体，并通过PIN二极管的偏置网络，来改变人工磁导体在工作频率处的相位状态在“0°”和“180°”之间切换，从而实现相位调制技术。2)采用的两层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％。3)采用的人工磁导体结构为中心对称形式，因此可以实现对双极化入射电磁波的有效隐身。附图说明图1是本专利技术采用频率可调人工磁导体结构实现的相位调制屏的工作原理示意图。图2是本专利技术的频率可调人工磁导体单元的顶层示意图。图3是本专利技术的频率可调人工磁导体单元的中间层示意图。图4是本专利技术的频率可调人工磁导体单元的底层示意图。图5是本专利技术的频率可调人工磁导体单元的侧视图。图6是本专利技术的相位调制屏的三维示意图。图7是本专利技术的包含若干个可调人工磁导体单元构成的相位调制屏的顶视图。图8是本专利技术相位调制屏在PIN二极管为“开”和“关”两种状态时，入射电磁波分别为TE模式和TM模式下，反射系数的相位曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，本专利技术所提出的一种基于人工磁导体的相位调制屏，是由人工磁导体结构20和直流偏置电压源21构成。如图7所示，其中人工磁导体结构由若干个中心对称的人工磁导体单元19进行二维周期排布组成。如图6所示，每个人工磁导体单元19由人工磁导体、上层介质基板16和下层介质基板17、金属地面18、PIN二极管组和PIN二极管组的电压偏置网络构成。通过改变电压源21的值可以控制人工磁导体单元的PIN二极管组的“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。周期性地改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于实现相位调制屏的人工磁导体结构，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板，所述上层介质基板的上表面以二维周期排布的形式印制有若干个中心对称的金属贴片，且每个金属贴片与其对角线相邻的金属贴片之间存在距离相等的空隙，在该空隙处均设置有中心对称的偏置贴片，每个金属贴片通过四个PIN二极管分别与其四周的四个偏置贴片相连接；以每个金属贴片为单位，以该金属贴片四周的四个偏置贴片的中心点连线形成的矩形区域作为一个人工磁导体单元，在每个人工磁导体单元在上层介质基板所处位置的下表面，设置有与该人工磁导体单元外围周长相等的偏置方环，所述偏置贴片通过位于其中心位置的金属化通孔和与其在上层介质基板下表面的投影位置所接触到的四个偏置方环相连接；所述下层介质基板的下表面印制有金属地面，所述金属贴片通过位于其中心位置的金属化通孔与金属地面相连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于实现相位调制屏的人工磁导体结构，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板，所述上层介质基板的上表面以二维周期排布的形式印制有若干个中心对称的金属贴片，且每个金属贴片与其对角线相邻的金属贴片之间存在距离相等的空隙，在该空隙处均设置有中心对称的偏置贴片，每个金属贴片通过四个PIN二极管分别与其四周的四个偏置贴片相连接；以每个金属贴片为单位，以该金属贴片四周的四个偏置贴片的中心点连线形成的矩形区域作为一个人工磁导体单元，在每个人工磁导体单元在上层介质基板所处位置的下表面，设置有与该人工磁导体单元外围周长相等的偏置方环，所述偏置贴片通过位于其中心位置的金属化通孔和与其在上层介质基板下表面的投影位置所接触到的四个偏置方环相连接；所述下层介质基板的下表面印制有金属地面，所述金属贴片通过位于其中心位置的金属化通孔与金属地面相连接。2.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：所述的上层介质基板和下层介质基板的介电常数相同，介电常数εr为2.2～10.2。3.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：上层介质基板的厚度为0.5mm，下层介质基板的厚度为0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0为自由空间的波长。4.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：所述金属贴片为圆形或偶数边的多边形实心贴片，其周长为λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0为自由空间的波长。5.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于：位于金属贴片中心位置的金属化通孔贯穿上层介质基板和下层介质基板，其直径为上层介质基板和下层介质基板总厚度的三分之一。...

【专利技术属性】
技术研发人员：常玉梅，许丽洁，汤一铭，李波，张明，薄亚明，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32