一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料

摘要

本发明提供一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料，属于人工电磁材料技术领域。本发明通过在周期结构中阻抗层的等效电路中引入并联的LC结构，通过调整等效滤波器零点来实现对特定频点的高选通特性；并且通过改变变容二极管电容来调节谐振频率，从而实现透波频率的可调谐特性，由于在单元结构中仅采用单个变容二极管，引入的寄生电阻较小，因此可实现较小的插入损耗；同时频率选择表面层采用机械调谐结构，在实现透波频率可调谐目的的同时，避免引入额外的寄生电阻，以减小插入损耗。

权利要求

1.一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料，包括n×n个结构单元，所述结构单元包括阻抗层和频率选择表面层，所述阻抗层包括介质层和位于介质层上表面的金属层，所述频率选择表面层为可调结构，其特征在于，所述金属层中心为并联结构，由两条支路组成，分别为交指电容支路和变容二极管支路；所述交指电容支路由交指结构和位于交指结构两侧的两第一竖直矩形金属贴片组成，所述变容二极管支路由二极管焊盘和位于二极管焊盘两侧的两第二竖直矩形金属贴片组成，所述二极管焊盘用于焊接变容二极管；所述交指结构由6个宽度相同的金属条组成，从左往右依次与第一竖直矩形金属贴片相连；所述第一和第二竖直矩形金属贴片两端均分别连接一个过渡矩形金属，所述过渡矩形金属位于另一矩形金属短边中心位置，所述矩形金属靠近并联结构的一端开缝，用于焊接电阻，另一端位于长金属条中心位置；所述频率选择表面层包括金属方框、位于金属方框内的方形金属块，以及角度调节杆，所述金属方框的对侧面中心设置通孔，所述角度调节杆一端与方形金属块固定连接，另一端设置于通孔内，所述角度调节杆的方向与阻抗层并联结构方向垂直，使极化方向一致，并且通过旋转角度调节杆，以改变方形金属块相对于金属方框底面的角度，使其与阻抗层的透波频率一致。

2.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，所述阻抗层与频率选择层之间的间距为D，为工作波长的1/4。

3.如权利要求2所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，D为16mm。

4.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，n≥8。

5.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，阻抗层的尺寸为30mm×30mm；交指结构中金属条长度为1.1mm，宽度为0.2mm，相连金属条之间的间距为

0.2mm；第一竖直矩形金属贴片的长度为2mm，宽度为0.7mm；第二竖直矩形金属贴片长度为

2.45mm，宽度为0.3mm；二极管焊盘为正方形，边长为0.5mm，焊盘间距为0.4mm；交指电容支路和变容二极管支路的间距为2mm；过渡矩形金属长度为3mm，宽度为0.3mm；矩形金属的长度为9.6mm，宽度为4mm；矩形金属距离并联结构1.6mm处开缝，缝隙宽度为0.5mm；长金属条长度为30mm，宽度为0.3mm。

6.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，所述频率选择表面层中金属方框的边长为20～40mm，厚度为1～5mm，高度为8～20mm，方形金属块的边长为10～30mm，厚度为1～8mm，调节杆的直径与方形金属块的厚度相同。

7.如权利要求6所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，所述频率选择表面层中金属方框的边长为30mm，厚度为2mm，高度为10mm，调节杆底面半径为2mm；方形金属块的边长为20mm，厚度为4mm。

8.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，通过调节变容二极管支路上的变容二极管电容，调节吸透一体材料的谐振频率，具体的调节规律为：当变容二极管电容增大时，其透波频率减小；变容二极管电容减小时，其透波频率增大。

9.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，通过旋转角度调节杆，以改变方形金属块相对于金属方框底面的角度，调节角度为0°～90°，从而实现不同频率的透波，使其与阻抗层的透波频率一致，具体的调节规律为：当角度减小时，其透波频率减小，当角度增大时，其透波频率增大。

10.如权利要求1所述的具有高选通性的可调谐吸透一体材料，其特征在于，变容二极管型号为SMV1405，介质基板型号为Rogers 4350B，金属层为PCB印刷电路。

说明书

一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料

技术领域

[0001] 本发明属于人工电磁材料技术领域，具体涉及一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料。

背景技术

[0002] 在现代战略发展中，隐身与反隐身已成为日益重要的发展方向。为了实现电磁隐身的目的，常见的手段有：1.在飞机或者舰船等装备表面涂覆能够吸收电磁波的特种材料；
2.基于电磁散射理论的特殊外形设计，使装备的雷达散射截面降低。然而，这两种方法都不
适用于天线隐身。天线是重要散射源之一，以上两种方法均会影响天线的工作性能。

[0003] 目前可行的解决方法为采用频率选择表面作为天线罩，实现对天线工作频率电磁波的选通。频率选择表面一般采用周期结构，是一种新型人工电磁材料，其本质为空间滤波
器。通过加装频率选择表面，能够在天线的工作频段实现透波，而不影响天线的正常工作；
在其他频段实现全反射，反射入射的电磁波。进一步地，基于电磁散射理论，设计频率选择
表面的外形，可以将照射到天线上的电磁波反射至其他方向，消减前向雷达散射截面。然
而，随着多站雷达和雷达组网技术的发展，仅消减前向雷达散射截面是不够的，反射至其他
方向的电磁波仍可能被其他雷达侦测到。

[0004] 吸透一体材料是一种近年来被大力研究的周期结构材料，在频率选择表面的基础上，通过加装阻抗层，使其可以在天线的工作频段实现透波，同时在其他频段实现吸波。这
样既不会影响天线的正常工作，又能吸收其他频段的入射电磁波，避免多站雷达的侦测，从
而实现电磁隐身。目前，已有公开报道的吸透一体材料其吸波频带大多为固定的一个频带，
不能实现吸波频带的可调谐，在实际应用中缺乏灵活性，尤其限制了吸透一体材料在要求
传输频率可变的领域的应用，因此研究可调谐的吸透一体材料是极具意义的。Lijie Wu等
人设计了一种可调谐的吸透一体材料(Lijie  Wu,Shuomin  Zhong,Jifu Huang,
etal.Broadband Frequency-Selective  Rasorber With Varactor-Tunable 
Interabsorption Band Transmission Window[J].IEEE Transactions on Antenna and 
Propagation,67(9),Sept.2019.)，其阻抗层采用双方环结构，在方环间加载变容二极管以
调谐频率，并用四条微带加载电阻；其频率选择表面层采用常规的带通频率选择表面；但是
这种吸透一体材料的阻抗层和频率选择表面层为了方便设计变容二极管的偏置电路而采
用简单的结构，导致其对频率的选通性较差；除此之外，由于上下两层均使用变容二极管器
件，引入了较大的寄生电阻，因此其插损较大。因此，设计一种新的吸透一体材料，能够实现
电磁波频率调谐的同时具有高选通性、低插损是极具意义的。

发明内容

[0005] 针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料。本发明通过在周期结构中阻抗层的等效电路中引入并联的LC结构，通过调
整等效滤波器零点来实现对特定频点的高选通特性；并且通过改变变容二极管电容来调节
谐振频率，从而实现透波频率的可调谐特性，由于在单元结构中仅采用单个变容二极管，引
入的寄生电阻较小，因此可实现较小的插入损耗；同时频率选择表面层采用机械调谐结构，
在实现透波频率可调谐目的的同时，避免引入额外的寄生电阻，以减小插入损耗。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料，包括n×n个结构单元，所述结构单元包括阻抗层和频率选择表面层，所述阻抗层包括介质层和位于介质层上表面的金属层，所
述频率选择表面层为可调结构，其特征在于，所述金属层中心为并联结构，由两条支路组
成，分别为交指电容支路和变容二极管支路；所述交指电容支路由交指结构和位于交指结
构两侧的两第一竖直矩形金属贴片组成，所述变容二极管支路由二极管焊盘和位于二极管
焊盘两侧的两第二竖直矩形金属贴片组成，所述二极管焊盘用于焊接变容二极管；所述交
指结构由6个宽度相同的金属条组成，从左往右依次与两第一竖直矩形金属贴片分别相连；
所述第一和第二竖直矩形金属贴片两端均分别连接一个过渡矩形金属，所述过渡矩形金属
位于另一矩形金属短边中心位置，所述矩形金属靠近并联结构的一端开缝，用于焊接电阻，
另一端位于一长金属条中心位置；所述频率选择表面层包括金属方框、位于金属方框内的
方形金属块，以及角度调节杆，所述金属方框的对侧面中心设置通孔，所述角度调节杆一端
与方形金属块固定连接，另一端设置于通孔内，所述角度调节杆的方向与阻抗层并联结构
方向垂直，使极化方向一致。

[0008] 进一步地，所述阻抗层与频率选择层之间的间距为D，可根据不同的工作频率调节，一般为工作波长的1/4。

[0009] 进一步地，D为16mm。

[0010] 进一步地，n≥8。

[0011] 进一步地，阻抗层的尺寸为30mm×30mm；交指结构中金属条长度为1.1mm，宽度为0.2mm，相连金属条之间的间距为0.2mm；第一竖直矩形金属贴片的长度为2mm，宽度为
0.7mm；第二竖直矩形金属贴片长度为2.45mm，宽度为0.3mm；二极管焊盘为正方形，其尺寸
与所采用变容二极管的封装尺寸对应，边长为0.5mm，焊盘间距为0.4mm；两支路间距为2mm；
过渡矩形金属的长度为3mm，宽度为0.3mm；矩形金属的长度为9.6mm，宽度为4mm，矩形金属
上的缝隙距离并联结构1.6mm，缝隙宽度为0.5mm；长金属条长度为30mm，宽度为0.3mm，具体
尺寸可根据工作频率改变。

[0012] 进一步地，所述频率选择表面层中金属方框的边长范围为20～40mm，厚度W为1～5mm，高度H为8～20mm，方形金属块的边长范围为10～30mm，厚度范围为1～8mm，调节杆的直
径与方形金属块的厚度相同。

[0013] 进一步地，所述频率选择表面层中金属方框的边长为30mm，厚度W为2mm，高度H为10mm，调节杆底面半径为2mm；方形金属块的边长为20mm，厚度为4mm。

[0014] 进一步地，通过调节变容二极管支路上的变容二极管电容，可调节其谐振频率，从而在一定范围内实现可调谐的吸波/透波特性；当变容二极管电容增大时，其透波频率减
小，变容二极管电容减小时，其透波频率增大。

[0015] 进一步地，通过旋转角度调节杆，以改变方形金属块相对于金属方框底面的角度，调节角度为0°～90°，从而实现不同频率的透波，使其与阻抗层的透波频率一致，具体的调
节规律为：当角度减小时，其透波频率减小，当角度增大时，其透波频率增大。

[0016] 进一步地，本发明采用的变容二极管型号为SMV1405。

[0017] 进一步地，本发明采用的介质基板为Rogers 4350B，金属层为PCB印刷电路。

[0018] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0019] 1.本发明通过在阻抗层设计交指结构和变容二极管的并联，实现吸透一体材料中阻抗层的高选通性；并且通过调节变容二极管的电容值来调谐频率，以实现阻抗层在一定
频带内透波频率可调谐，调谐手段简单易操作，且该结构可由印刷板工艺实现，成本低，加
工简单。

[0020] 2.本发明通过在频率选择表面层采用机械可调结构，实现其透波频率可调谐特性；同时，由于在该层避免使用变容二极管，实现较低的插入损耗。

[0021] 3.本发明设计的吸透一体材料，其调谐相对带宽可达11.3％，同时最大插入损耗低至0.29dB，选通带宽为35％左右，整体处于较优行业水平。

附图说明

[0022] 图1为本发明吸透一体材料结构单元示意图。

[0023] 图2为本发明阻抗层中金属层的具体结构图。

[0024] 图3为本发明频率选择表面层的具体结构图。

[0025] 图4为本发明吸透一体材料的电磁仿真结果图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

[0027] 一种具有高选通性的可调谐吸透一体材料，包括n×n个结构单元，所述结构单元如图1所示，包括阻抗层1和频率选择表面层5，所述阻抗层与频率选择层之间的间距D为
16mm，中间介质为空气；所述阻抗层包括介质层和位于介质层上表面的金属层2，所述金属
层上焊接变容二极管4以及电阻3；所述介质层的厚度为0.254mm，尺寸为30mm×30mm，材料
为Rogers 4350B；所述频率选择层为机械可调结构，外尺寸为30mm×30mm。

[0028] 阻抗层中金属层的结构如图2所示，所述金属层中心为并联结构，由两条支路组成，分别为交指电容支路和变容二极管支路，两支路间距为2mm；所述交指电容支路由交指
结构9和位于交指结构两侧的两第一竖直矩形金属贴片8组成，第一竖直矩形金属贴片长度
为2mm，宽度为0.7mm，所述变容二极管支路由二极管焊盘11和位于二极管焊盘两侧的两第
二竖直矩形金属贴片10组成，所述第二竖直矩形金属贴片长度为2.45mm，宽度为0.3mm，所
述二极管焊盘用于焊接变容二极管4，二极管焊盘为正方形，边长为0.5mm，焊盘间距为
0.4mm；所述交指结构由6个宽度相同的金属条组成，所述金属条的长度为1.1mm，宽度为
0.2mm，相连金属条之间的间距为0.2mm，从左往右依次与交指电容支路的第一竖直矩形金
属贴片相连；所述并联结构的第一和第二竖直矩形金属贴片两端均分别连接一个过渡矩形
金属，过渡矩形金属的长度为3mm，宽度为0.3mm；所述过渡矩形金属位于矩形金属6短边中
心位置，所述矩形金属的长度为9.6mm，宽度为4mm，所述矩形金属距离并联结构1.6mm处开
缝7，缝隙宽度为0.5mm，用于焊接电阻3，阻值为150Ω，另一端位于一长金属条12中心位置，
长金属条长度为30mm，宽度为0.3mm，所述长金属条作为变容二极管的偏压线。

[0029] 所述频率选择表面层的结构如图3所示，包括金属方框13、位于金属方框内的方形金属块15，以及固定方形金属块和金属方框的角度调节杆14，所述角度调节杆分设于金属
方框的对侧面中心；所述金属方框的外尺寸为30mm×30mm，厚度W为2mm，高度H为10mm；在金
属方框13的两对侧面侧中心位置设置圆形通孔，并插入角度调节杆14，调节杆14底面半径
为2mm；角度调节杆的另一端与方形金属块固定连接，通过拨动金属块实现角度的调节；方
形金属块的边长为20mm，厚度为4mm。

[0030] 阻抗层中的两个支路分别可在等效电路中对应两组串联LC电路，其中交指结构支路为一固定电感串联连一固定电容，可变电容支路为一固定电感串联一可变电容。由传输
线电路理论可知，一串联LC电路相当于带阻滤波器；而上述两个支路的等效电路为并联形
式，因此可视为电磁波在传输线中通过两个并联的带阻滤波器。串联LC电路的谐振频率
则对应了带阻滤波器的零点。调节可变电容的电容值，从而可以实现两组带阻
滤波器的零点的调节，使其接近，因此能够在很窄的频带内实现透波，使得阻抗层具有高选
通性。当电磁波通过阻抗层后，调节下方的频率选择表面层的金属块与水平面的夹角，以调
谐透波频率，使之与上方阻抗层透波频率对准，实现透波，而其他频率的电磁波反射到上方
的阻抗层，其能量被阻抗层上的电阻吸收，从而实现吸波。

[0031] 图4为本发明吸透一体材料在高频电磁仿真软件中，采用周期边界条件，单极化波垂直入射时的电磁仿真结果图，所使用的电阻值为150Ω。如图所示，当变容二极管的电容
值C从2.67pF减小到0.63pF时，此时下方的频率选择表面层中方形金属块与水平面的夹角
由10°增加到28°，|S21|的最大值对应频率由4.00GHz增加到4.48GHz，即说明了透波频率由
4.00GH调谐到4.48GHz，其调谐相对带宽为11.3％，最大插入损耗为0.29dB。同时，|S11在2
～6GHz范围内小于-10dB，而|S21|小于-10dB的频率范围随着透波频率的改变而改变：当透
波频率为4.00GHz时，|S21|小于-10dB的频率范围为2～3.46GHz及4.98～6.00GHz；透波频
率为4.48GHz时，|S21|小于-10dB的频率范围变为2～3.60GHz及5.05～6.00GHz。当|S11|和
|S21|同时小于-10dB时，吸透一体材料展现吸波特性。因为|S21|小于-10dB的范围随透波
频率而改变，所以该吸透一体材料吸波也是可调谐的。当定义选通带宽为|S21|为-10dB时
其对应频率的差值相对带宽，本发明所提出的吸透一体材料的选通带宽为35％左右，优于
已有报道的文献资料。

[0032] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方
法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。