一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，包括电可调单元阵列和表面波强度集中感应控制模块；电可调单元阵列由若干个电可调单元构成，对横磁模表面波的色散特性和吸波效率随直流控制电压变化；表面波强度集中感应控制模块用于感知横磁模表面波强度，并根据强度信息向吸波阵列输出直流电压信号，使吸波率随表面波强度的增大而提高。与现有功率依赖表面波吸波器相比，具有更宽的工作频带和更大的吸波率变化范围。得益于有源控制机制，该超表面具有可重构特性，表现在动态范围和吸波率变化范围的灵活设计以及功率依赖特性的实时开关。因而能够作为可定制化表面波吸波器，实现对强表面波能量的屏蔽，同时保护有用小信号的传输。用小信号的传输。用小信号的传输。

【技术实现步骤摘要】
一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面


[0001]本专利技术属于新型人工超表面阵列
，尤其涉及一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面。

技术介绍

[0002]表面电磁波广泛存在于两个不同介质的分界面上，其特点是沿着分界面传播，并且场强在垂直于分界面方向上呈现指数衰减。表面波和空间波易于相互激励，而且表面波是造成邻近电磁设备之间互耦的主要原因，因此人们希望对表面波进行有效操控。近年来，研究者们提出了各类操控表面波的器件，例如软硬表面、高阻抗表面、张量阻抗表面等，各类表面波漏波天线也见诸报道；为了减小因表面波导致的互耦或干扰现象，人们也研发了各类表面波屏蔽材料。
[0003]传统的表面波屏蔽可以通过使用高阻抗表面、波纹表面等器件实现，它们将电磁波反射或者散射到表面的其他方向上；还可以通过表面波吸波器将电磁能量转化为热能，从而表现出表面波屏蔽特性。在高功率表面波屏蔽场景中，人们希望阻止高功率表面波的传播，从而避免其经孔缝渗透进入电子系统内部而干扰或毁伤精密的电子器件，同时又不希望有用的、低强度的表面波被屏蔽或吸收。然而，现有大部分表面波器件的性能固定不变，无法自主区分有用的小信号和不必要的高功率波，因而无法满足上述需求。
[0004]由于非线性超表面的迅速发展，具有功率依赖特性的频率选择表面(power
‑
dependent frequency
‑
selective surface，PDFSS)、能量选择表面(energy
‑
selective surface,ESS)和表面波非线性吸波器开始出现。PDFSS和ESS通常是用于空间电磁波的屏蔽，它们可以反射高功率波，同时允许所需的小信号通过。当前，国内外已有一些学者开展了针对表面波的非线性吸波器研究，但这些功率依赖吸波器的工作带宽非常窄，有些器件甚至只能在单频点工作，而且它们随表面波功率的吸波率变化范围比较窄；它们多为无源工作机制，不具备可重构特性。性能上的不足极大地限制了这些器件的应用落地。

技术实现思路

[0005]根据现有技术的不足，本专利技术提供了一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，与现有功率依赖表面波吸波器相比，具有更宽的工作频带和更大的吸波率变化范围。
[0006]本专利技术按以下技术方案实现：
[0007]一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，包括：
[0008]电可调单元阵列，由若干个电可调单元构成，对横磁模表面波的色散特性和吸波效率随直流控制电压变化；
[0009]表面波强度集中感应控制模块，用于感知横磁模表面波强度，并根据强度信息向吸波阵列输出直流电压信号，使吸波率随表面波强度的增大而提高。
[0010]在一些实施例中，所述电可调单元阵列由多个电可调单元呈周期排列而成；所述电可调单元为三层金属和两层介质结构，包含从上至下依次叠加放置的顶层金属、第一介
质层、中间层金属、第二介质层、底层金属。
[0011]在一些实施例中，所述顶层金属包含四个金属贴片和位于四个金属贴片之间的PIN二极管；其中，四个金属贴片分别编号为金属贴片T1、金属贴片T2、金属贴片T3、金属贴片T4；中间层金属包含十字形金属导线和两个正方形金属贴片；底层金属为整面覆盖金属。
[0012]在一些实施例中，所述四个金属贴片呈两行、两列均匀间隔排布，相邻两个金属贴片之间均设置一个PIN二极管，四个PIN二极管的阳极连接金属贴片T2和金属贴片T4，四个PIN二极管的阴极连接金属贴片T1和金属贴片T3，所述金属贴片在与PIN二极管连接处设有凸出部分；所述两个正方形金属贴片以十字形金属导线的交叉点为中心对称结构，且两个正方形金属贴片在交叉点有重叠部分。
[0013]在一些实施例中，所述电可调单元还包含两个金属通孔和两个金属盲孔，金属通孔分别将金属贴片T1和金属贴片T3连接到底层金属，金属盲孔分别将金属贴片T2和金属贴片T4连接到中间层金属的正方形金属贴片。
[0014]在一些实施例中，当若干个电可调单元组成阵列时，所有电可调单元的中间层金属上的金属贴片和金属导线连接成了整体，并通过金属盲孔连接到顶层金属上的金属贴片T2和金属贴片T4；所有电可调单元的底层金属连接成了整体，并通过金属通孔连接到顶层金属上的金属贴片T1和金属贴片T3；所有电可调单元的顶层金属表面上的PIN二极管呈并联连接，通过在中间层金属和底层金属之间施加直流偏置电压改变PIN二极管的正偏工作状态，来调控电可调单元阵列的色散特性和吸波效率。
[0015]在一些实施例中，所述表面波强度集中感应控制模块为三层金属和两层介质结构，包含从上至下依次叠加放置的顶层金属、第一介质层、中间层金属、第二介质层、底层金属。
[0016]在一些实施例中，顶层金属为一个方形金属贴片，中间层金属为金属地，底层金属为一段微带线和射频检波电路；一个金属通孔连接顶层金属的方形金属贴片中心和底层微带线的一端，微带线的另一端连接射频检波电路的输入端；金属地上有一个直径大于金属通孔孔径的圆形孔缝，使得金属通孔不与中间层金属接触；顶层金属的方形金属贴片的功能是耦合极少的横磁模表面波能量，并通过金属通孔将能量传导至底层的射频检波电路。
[0017]在一些实施例中，所述射频检波电路包含位于底层金属的一个射频检波集成电路芯片和由若干个电阻和电容构成的外围电路，用于接收到来自顶层金属的方形金属贴片的电磁波能量，根据电磁波强度输出相应的直流电压，且强度越高，直流电压越大；射频检波电路的输出端连接电可调单元阵列的中间层金属，即与顶层金属的PIN二极管正极相连；通过改变射频检波电路中的电阻值，可设置该超表面的功率动态范围；通过改变射频检波电路中的补偿电压Vos，可实时调控吸波率变化范围；通过设置射频检波电路的电源电压V
CC
直接关闭功率依赖吸波功能，使超表面呈现固定不变的低损耗性能。
[0018]与现有技术相比，本专利技术有益效果：
[0019](1)目前已有的功率依赖表面波吸波器的吸波率变化范围窄，且工作频率窄，甚至仅为点频。本专利技术中的针对表面电磁波的可重构功率依赖吸波超表面，其随横磁模表面波功率变化的最大吸波率调节范围是19.4％
‑
92.7％，在相对带宽12％的频带内，能够实现30％
‑
80％的吸波率调节，大大优于现有功率依赖表面波吸波器设计。
[0020](2)目前已有的功率依赖表面波吸波器多为无源工作机制，不具备可重构特性，因
此性能固定，应用场景受限。本专利技术采用有源的集中感应控制方式实现功率依赖控制，因此可以通过改变有源电路参数定制超表面的输入功率动态范围、吸波率调控范围以及整个系统的开关，因而可以满足多种表面波屏蔽场景需求。
[0021](3)本专利技术可利用成熟的印制电路板加工工艺和元器件表贴技术制备，具有加工难度小、成本低廉等优点。
附图说明
[0022]附图作为本专利技术的一部分，用来提供对本专利技术的进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，其特征在于，包括：电可调单元阵列，由若干个电可调单元构成，对横磁模表面波的色散特性和吸波效率随直流控制电压变化；表面波强度集中感应控制模块，用于感知横磁模表面波强度，并根据强度信息向吸波阵列输出直流电压信号，使吸波率随表面波强度的增大而提高。2.根据权利要求1所述的一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，其特征在于：所述电可调单元阵列由多个电可调单元呈周期排列而成；所述电可调单元为三层金属和两层介质结构，包含从上至下依次叠加放置的顶层金属、第一介质层、中间层金属、第二介质层、底层金属。3.根据权利要求2所述的一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，其特征在于：所述顶层金属包含四个金属贴片和位于四个金属贴片之间的PIN二极管；其中，四个金属贴片分别编号为金属贴片T1、金属贴片T2、金属贴片T3、金属贴片T4；中间层金属包含十字形金属导线和两个正方形金属贴片；底层金属为整面覆盖金属。4.根据权利要求3所述的一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，其特征在于：所述四个金属贴片呈两行、两列均匀间隔排布，相邻两个金属贴片之间均设置一个PIN二极管，四个PIN二极管的阳极连接金属贴片T2和金属贴片T4，四个PIN二极管的阴极连接金属贴片T1和金属贴片T3，所述金属贴片在与PIN二极管连接处设有凸出部分；所述两个正方形金属贴片以十字形金属导线的交叉点为中心对称结构，且两个正方形金属贴片在交叉点有重叠部分。5.根据权利要求3所述的一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，其特征在于：所述电可调单元还包含两个金属通孔和两个金属盲孔，金属通孔分别将金属贴片T1和金属贴片T3连接到底层金属，金属盲孔分别将金属贴片T2和金属贴片T4连接到中间层金属的正方形金属贴片。6.根据权利要求3所述的一种针对表面波的可重构功率依赖吸波超表面，其特征在于：当若干个电可调单元组成阵列时，所有电可调单元的中间层金属上的金属贴片和...

【专利技术属性】
技术研发人员：任学尧，单想，刘建忠，罗章杰，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：