開關(guān)可控的各向異性零折射率器件的制作方法
【專利摘要】一種開關(guān)可控的各向異性零折射率器件，由亞波長尺度上的多個加載PIN二極管的開口諧振環(huán)單元規(guī)則排列構(gòu)成，所述單個諧振單元包括在介質(zhì)基板上表面加工的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，焊接在開口諧振環(huán)單元上端開口之間的PIN二極管，所述介質(zhì)基板下表面加工兩個金屬條帶以作為直流饋電線，在所述介質(zhì)基板內(nèi)部打兩個金屬化通孔，連接直流饋電線與PIN二極管的正負極，每個PIN二極管的正負極分別通過一個金屬化通孔連接介質(zhì)基板背面的直流饋電線，所有饋電線組合成饋電網(wǎng)絡(luò)，所述介質(zhì)基板下表面的饋電網(wǎng)絡(luò)分為正、負兩部分，分別連接每排所有PIN二極管的負極和正極，對介質(zhì)基板上表面的所有PIN二極管施加偏置電壓，以改變PIN二極管的工作狀態(tài)。
【專利說明】開關(guān)可控的各向異性零折射率器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于微波頻段的開關(guān)可控零折射率器件，屬于新型人工電磁器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明中的新型人工電磁材料(Metamaterials)是電磁學中新興的研究領(lǐng)域,其基礎(chǔ)是等效媒質(zhì)理論，由一系列人工設(shè)計的單元在亞波長尺度上按照一定規(guī)律排列構(gòu)成。通過精心設(shè)計單元結(jié)構(gòu)和尺寸大小，可以得到所需要的等效介電常數(shù)和磁導率。經(jīng)過十多年的發(fā)展，新型人工電磁材料得到了長足的發(fā)展，在隱身、天線工程等方面都有廣泛的應(yīng)用?；谛滦腿斯る姶挪牧系母黜棶愋粤阏凵渎势骷抢眯滦腿斯る姶挪牧系牡刃щ姶艆?shù)(相對磁導率或相對介電常數(shù))隨頻率的變化由負值連續(xù)變化為正值，在負值與正值之間存在某一頻段的等效電磁參數(shù)為零或近似為零的特點，實現(xiàn)新型人工電磁材料在該頻段內(nèi)折射率為零的特性，可用于提高天線輻射方向性。但是，這種零折射率器件靈活性較差，器件加工完成后其工作狀態(tài)將不能改變。微波段有源器件，如PIN二極管，可以通過外加偏置電壓改變其工作狀態(tài)，可以與各向異性零折射率器件結(jié)合，實現(xiàn)零折射率器件工作狀態(tài)的改變，在雷達罩及智能器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景，所以本發(fā)明具有很高的工程應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種基于新型人工電磁材料的開關(guān)可控的各向異性零折射率器件。這種新型人工電磁器件可以在一定頻帶內(nèi)對零折射率器件進行開關(guān)控制，具體表現(xiàn)為該器件在各向異性零折射率器件和自由空間兩種物質(zhì)狀態(tài)間自由切換。開關(guān)可控的的微波零折射率器件由有源新型人工電磁器件單元組成，具有易于加工、使用簡單、成本低、重量輕，靈活性高等特點，可用于雷達罩，智能器件等方面，具有很高的實用價值。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明為解決實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在無源單元，即電場耦合電容電感諧振單元基礎(chǔ)上加入有源器件(PIN 二極管)。通過改變PIN 二極管的偏置電壓，可以內(nèi)改變零折射率器件諧振單元的工作頻率，繼而實現(xiàn)零折射率器件的開關(guān)調(diào)控。采取的技術(shù)方案為:
[0005]本發(fā)明是一種開關(guān)可控的各向異性零折射率器件，該開關(guān)可控各向異性零折射率器件由亞波長尺度上的多個諧振單元兩兩鏡像對稱規(guī)則排列構(gòu)成，所述諧振單元包括在介質(zhì)基板上表面設(shè)有開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，用PIN 二極管焊接所述開口諧振環(huán)上部開口兩端，所述介質(zhì)基板下表面設(shè)有兩個金屬條帶以作為直流饋電線，在所述介質(zhì)基板內(nèi)部具有兩個金屬化通孔，連接直流饋電線與PIN 二極管的正負極；所述介質(zhì)基板下表面的饋電網(wǎng)絡(luò)分為正、負兩部分，分別連接所有PIN 二極管的負極和正極，對介質(zhì)基板上表面的所有PIN 二極管施加OV和0.9V偏置電壓，以改變PIN 二極管的截止和導通，從而改變諧振單元的諧振頻率，當PIN 二極管處于截止狀態(tài)時，器件表現(xiàn)為各向異性零折射率器件，當PIN 二極管處于導通狀態(tài)時，器件近似表現(xiàn)為自由空間，達到零折射率器件的開關(guān)可控效果。
[0006]所述的開關(guān)可控各向異性零折射率器件近似阻抗匹配。
[0007]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢:
[0008]1.本發(fā)明制作簡單，加工方便。利用現(xiàn)有的PCB加工技術(shù)加上目前市場上可以購買的貼片式微波段PIN 二極管即可以完成對本產(chǎn)品的加工。
[0009]2.本發(fā)明具有開關(guān)可控特性，在給定頻帶內(nèi)可以調(diào)節(jié)諧振單元的工作頻率，且調(diào)節(jié)方式十分方便(改變偏置電壓即可)。
[0010]3.本發(fā)明同時具備便攜、重量輕、靈活度高等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是開關(guān)可控零折射率器件結(jié)構(gòu)單元正視圖，
[0012]圖2是開關(guān)可控零折射率器件結(jié)構(gòu)單元背視圖，
[0013]圖3是構(gòu)成開關(guān)可控零折射率器件樣品的其中一個板層正視圖，
[0014]圖4是構(gòu)成開關(guān)可控零折射率器件樣品的其中一個板層背視圖，
[0015]圖5是所設(shè)計器件加載PIN 二極管及未加載PIN 二極管的透射系數(shù)
[0016]圖6是當PIN二極管分別工作于截止及導通狀態(tài)時所提取出器件的相對電磁參數(shù)及相對波阻抗，圖(a)，圖(C)PIN二極管工作于截止狀態(tài)所提取的相對磁導率，相對介電常數(shù)及相對波阻抗示意圖；圖6)、圖(d)是PIN二極管工作于導通狀態(tài)所提取的相對磁導率，相對介電常數(shù)及相對波阻抗示意圖。
[0017]圖7是TE極化柱面波通過開關(guān)可控零折射率器件后的電場強度分布仿真效果圖。圖(a)PIN 二極管處于截止狀態(tài)的仿真效果圖；圖(13) PIN 二極管處于導通狀態(tài)的仿真效果圖。
[0018]圖8是TE極化柱面波通過開關(guān)可控零折射率器件后的電場強度分布實驗結(jié)果圖。圖(a) PIN 二極管處于截止狀態(tài)的實驗結(jié)果圖；圖(b) PIN 二極管處于導通狀態(tài)的實驗結(jié)果圖。
[0019]附圖標記:
[0020]1-介質(zhì)基板；2_開口諧振環(huán)；3_金屬化通孔；4-PIN 二極管；5_饋電網(wǎng)絡(luò)；
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明所提出的開關(guān)可控的零折射率器件由亞波長尺度上的諧振單元沿一定規(guī)則排列構(gòu)成。單個諧振單元采取的技術(shù)方案如下:在介質(zhì)基板I上表面加工上端開口的開口諧振環(huán)單元結(jié)構(gòu)2，用一個PIN 二極管4焊開口諧振環(huán)單元2的上端開口。介質(zhì)基板I下表面加工兩個金屬條帶5，作為直流饋電線。在介質(zhì)基板I內(nèi)部打兩個金屬化通孔3，連接直流饋電線5與PIN 二極管4的正負極，用于對PIN 二極管4施加電壓偏置。諧振單元模型如圖1所示，圖1為諧振單元正視圖，開口諧振環(huán)單元2上端開口為一個PIN 二極管4所連接；圖2為背視圖，上部分兩金屬條帶直流饋電線5，兩條饋電線5將在實驗中分別連接直流電壓源的正極和負極。圖中符號1-5分別代表:介質(zhì)基板、開口諧振環(huán)單元、金屬化通孔、PIN 二極管、饋電線。[0022]本發(fā)明所提出的開關(guān)可控各向異性零折射率器件，樣品板層如圖2所示，樣品由上文描述的諧振單元兩兩鏡像對稱規(guī)則排列構(gòu)成。每個PIN 二極管4的正負極分別通過一個金屬化通孔3連接介質(zhì)基板I背面的直流饋電線5，所有饋電線5組合成饋電網(wǎng)絡(luò)。圖3為板層的正視圖，其由7*2個結(jié)構(gòu)單元組成。圖4為介質(zhì)基板I下表面饋電網(wǎng)絡(luò)的示意圖，饋電網(wǎng)絡(luò)分為正、負兩部分，分別連接所有PIN二極管4的負極和正極，在正、負饋電網(wǎng)絡(luò)上分別焊接金屬線，連接直流電壓源的正極和負極，對介質(zhì)基板I上表面的所有PIN 二極管4施加反向偏置。在不超過PIN 二極管4擊穿電壓值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流電壓源電壓，可以改變PIN 二極管4的等效參數(shù)，從而改變諧振單元工作頻率。采用圖2饋電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢可以極大方便的同時對大量變?nèi)荻O管4進行饋電，此外所設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)可以有效減少樣品的損耗。整個開關(guān)可控零折射率器件樣品由6片同樣的板層前后排列構(gòu)成，前后板層間距3.6mmο
[0023]在設(shè)計樣品時，需要對樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有源器件進行準確的電磁模擬仿真。圖5為SRR (虛線)與加載處于導通狀態(tài)的PIN 二極管4的SRR (實線)的透射系數(shù)對比，由圖可見加載PIN二極管4的SRR環(huán)與未加載的SRR環(huán)相比，結(jié)構(gòu)的諧振頻率明顯降低，這是由所加載的有源器件的不可忽略的寄生參數(shù)引起的，因此在設(shè)計結(jié)構(gòu)單元時，元件的寄生參數(shù)是必須要考慮的。我們對PIN 二極管4的參數(shù)進行了準確的等效處理，將其在截止狀態(tài)和工作狀態(tài)的特性等效為電阻，電感，電容的并聯(lián)或串聯(lián)的集總電路等效模型。隨著對PIN二極管4施加的偏置電壓不同，其工作狀態(tài)不同，所等效的電路模型不同，因此所設(shè)計的諧振單元結(jié)構(gòu)的諧振頻率也會因此不同，以達到所設(shè)計器件的開關(guān)可控效果。
[0024]通過準確的電磁模擬仿真，可以得到所設(shè)計新型人工電磁器件的等效電磁參數(shù)。圖6為在PIN 二極管4分別處于導通和截止狀態(tài)下所提取出的各個方向的相對電磁參數(shù)。由圖可見當PIN 二極管4處于截止狀態(tài)時，器件在I方向的相對磁導率為零，器件表現(xiàn)為各向異性零折射率器件的性質(zhì)；當PIN 二極管4處于導通狀態(tài)時器件在y方向的相對磁導率接近一，器件近似表現(xiàn)為自由空間的性質(zhì)。當在器件內(nèi)部放置TE極化的柱面波源時，依據(jù)PIN 二極管4的工作狀態(tài)，波源通過開關(guān)可控零折射率器件可在器件內(nèi)部分別輻射柱面波及y方向的平面波。同時，當PIN 二極管4處于截止或?qū)顟B(tài)時，器件相對阻抗近似為
0.7，這就意味著其反射系數(shù)為0.17，近似阻抗匹配。
[0025]圖7a，圖7b為TE極化電磁波源放置在可控零折射率器件中心通過可控零折射率器件調(diào)節(jié)其輻射方向的仿真結(jié)果。如圖所示，將圖6提取所得相對電磁參數(shù)代入，可知當y方向相對磁導率近似為零時，開關(guān)可控零折射率器件外部輻射平面波，當y方向相對磁導率近似為一時，器件外部繼續(xù)輻射柱面波。圖8a，圖8b為其實驗結(jié)果。將一同軸線放入器件內(nèi)部充當TE極化柱面波輻射源。當PIN 二極管偏置電壓為零時，其工作于截止狀態(tài)。當加載0.9V電壓時，其工作于導通狀態(tài)。由測量結(jié)果可知，樣品工作頻率處于9.74GHz，與設(shè)計工作頻率IOGHz存在0.26GHz的頻率偏移，這是由于二極管的仿真誤差，PCB板樣品測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。驗證了本發(fā)明的開關(guān)可控特性。
[0026]本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合著僅限定數(shù)量的實施例被詳細地描述出，可以容易理解的是，本發(fā)明并不限制于所公開的實施例中。更加地，本發(fā)明可以修改合并任何數(shù)量的前述未提及到的變形、改變、替換或等同組件，但這些與本發(fā)明的精神和范圍是相稱的。另外，本發(fā)明的各種實施例已經(jīng)被描述出，可以理解的是，本發(fā)明的各個方面可僅包括所描述實施例的一部分。由此，本發(fā)明并不由前述描述所限制，但僅由所附加的權(quán)利要求的范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種開關(guān)可控的各向異性零折射率器件，其特征在于該開關(guān)可控各向異性零折射率器件由亞波長尺度上的多個諧振單元兩兩鏡像對稱規(guī)則排列構(gòu)成，所述諧振單元包括在介質(zhì)基板(I)上表面設(shè)有開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)(2)，用PIN 二極管(4)焊接所述開口諧振環(huán)上部開口兩端，所述介質(zhì)基板(I)下表面設(shè)有兩個金屬條帶以作為直流饋電線(5)，在所述介質(zhì)基板(I)內(nèi)部具有兩個金屬化通孔(3)，連接直流饋電線(5)與PIN 二極管(4)的正負極；所述介質(zhì)基板(I)下表面的饋電網(wǎng)絡(luò)分為正、負兩部分，分別連接所有PIN 二極管(4)的負極和正極，對介質(zhì)基板(I)上表面的所有PIN 二極管(4)施加OV和0.9V偏置電壓，以改變PIN二極管(4)的截止和導通，從而改變諧振單元的諧振頻率，當PIN 二極管(4)處于截止狀態(tài)時，器件表現(xiàn)為各向異性零折射率器件，當PIN 二極管(4)處于導通狀態(tài)時，器件近似表現(xiàn)為自由空間，達到零折射率器件的開關(guān)可控效果。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)可控的各向異性零折射率器件，其特征在于所述的開關(guān)可控各向異性零折射率器件近似阻抗匹配。
【文檔編號】H01Q3/44GK103840263SQ201410018050
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】程強, 項楠, 趙捷, 陳潔, 崔鐵軍 申請人:東南大學