本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)電磁波隱身的相位調(diào)制屏的方法，屬于微波電路技術領域。

背景技術：

雷達作為探測目標的有效手段之一，無論對飛行器還是地面裝備的探測都非常可靠。但是，通過采用雷達隱身技術，譬如通過改進目標的外形或加載超材料結構等來實現(xiàn)對入射電磁波的漫散射，或者通過涂覆隱身材料、加載損耗型電路模擬吸收結構將入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱量等手段，使雷達發(fā)射的電磁波可以被覆蓋層散射或吸收，并使rcs(radarcrosssection，雷達散射面積)進一步減小，從而大大降低目標可被探測的距離。在戰(zhàn)場中，使用雷達隱身材料可以增強其在戰(zhàn)場的突防和生存能力。

20世紀90年代后期，英國謝菲爾德大學的chambers教授和tenant教授將相位調(diào)制的概念引入到微波吸收體的設計當中。與前述的兩種隱身機理不同，基于相位調(diào)制技術的微波吸收體是將入射電磁波的能量在頻域上搬移得足夠遠，使得只有非常小的一部分能量落在接收機的通帶之內(nèi)，從而表現(xiàn)出非常低的反射率。傳統(tǒng)的相位調(diào)制屏是由金屬板，四分之一波長的介質(zhì)隔層和周期貼片陣列構成，形式單一，并且厚度較厚。當入射電磁波的頻率較低時，相位調(diào)制屏的厚度將非常厚，這顯然無法滿足現(xiàn)代雷達隱身材料對材料“薄”的這一要求。此外，已有的相位調(diào)制屏還存在結構單一和只能實現(xiàn)單極化“吸收”電磁波的問題。

由上可知，現(xiàn)有技術的性能無法滿足實際需要，且比較難于實現(xiàn)低剖面及多極化的相位調(diào)制屏。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：針對背景技術中的缺陷，提出一種基于人工磁導體結構的用于實現(xiàn)雷達隱身的相位調(diào)制屏，實現(xiàn)反射波的相位在0°和180°之間進行切換，對雙極化形式的入射電磁波實現(xiàn)“隱身”。本發(fā)明能夠替代傳統(tǒng)的相位調(diào)制屏中通過改變電磁波的實際傳輸路徑長度的方式，并有效降低相位調(diào)制屏的厚度。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

本發(fā)明首先提出一種用于實現(xiàn)相位調(diào)制屏的人工磁導體結構，包括上層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板，所述上層介質(zhì)基板的上表面以二維周期排布的形式印制有若干個中心對稱的金屬貼片，且每個金屬貼片與其對角線相鄰的金屬貼片之間存在距離相等的空隙，在該空隙處均設置有中心對稱的偏置貼片，每個金屬貼片通過四個pin二極管分別與其四周的四個偏置貼片相連接；

以每個金屬貼片為單位，以該金屬貼片四周的四個偏置貼片的中心點連線形成的矩形區(qū)域作為一個人工磁導體單元，在每個人工磁導體單元在上層介質(zhì)基板所處位置的下表面，設置有與該人工磁導體單元外圍周長相等的偏置方環(huán)，所述偏置貼片通過位于其中心位置的金屬化通孔和與其在上層介質(zhì)基板下表面的投影位置所接觸到的四個偏置方環(huán)相連接；

所述下層介質(zhì)基板的下表面印制有金屬地面，所述金屬貼片通過位于其中心位置的金屬化通孔與金屬地面相連接。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，所述的上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板的介電常數(shù)相同，介電常數(shù)εr為2.2～10.2。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，上層介質(zhì)基板的厚度為0.5mm，下層介質(zhì)基板的厚度為0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0為自由空間的波長。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，所述金屬貼片為圓形或偶數(shù)邊的多邊形實心貼片，其周長為λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0為自由空間的波長。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，位于金屬貼片中心位置的金屬化通孔貫穿上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板，其直徑為上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板總厚度的三分之一。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，所述偏置貼片在人工磁導體單元對角線上的投影長度，與金屬貼片在人工磁導體單元對角線上的投影長度、以及兩個pin二極管的長度之和等于人工磁導體單元的對角線長度。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，位于偏置貼片中心位置的金屬化通孔的半徑是位于金屬貼片中心位置的金屬化通孔的半徑的一半。

作為本發(fā)明提出的人工磁導體結構進一步的優(yōu)化方案，偏置方環(huán)的寬度為偏置貼片在人工磁導體單元對角線的投影長度的四分之一。

本發(fā)明還提出一種基于人工磁導體結構實現(xiàn)相位調(diào)制屏的方法，將前述人工磁導體單元中的pin二極管分別與直流偏置電壓源相連接，通過改變直流偏置電壓源的值來控制pin二極管的開關狀態(tài)，從而使得入射到人工磁導體結構的電磁波在工作頻率處分別呈反相反射和同相反射兩種狀態(tài)；即：當pin二極管呈開的狀態(tài)時，反射電磁波的相位改變180°，當pin二極管呈關的狀態(tài)時，反射電磁波的相位改變0°；

通過周期性地改變直流偏置電壓源的值，使反射電磁波的相位在0°到180°之間周期性的切換，造成反射電磁波的頻譜發(fā)生搬移，從而實現(xiàn)探測目標在工作頻率處的隱身。

同時，不依賴于本發(fā)明所提出人工磁導體結構，本發(fā)明還提供一種基于人工磁導體結構實現(xiàn)相位調(diào)制屏的方法，采用直流偏置電壓源控制加載于人工磁導體結構上的有源開關器件的開關狀態(tài)，從而控制人工磁導體結構在工作頻率點的相位狀態(tài)，使得入射電磁波在同一工作頻率處分別呈反相反射和同相反射兩種狀態(tài)；通過周期性地改變直流偏置電壓源的值，使得反射電磁波的頻譜發(fā)生搬移，從而使得探測目標在工作頻率處實現(xiàn)隱身。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

1)采用上述方案中的頻率可調(diào)人工磁導體，并通過pin二極管的偏置網(wǎng)絡，來改變?nèi)斯ご艑w在工作頻率處的相位狀態(tài)在“0°”和“180°”之間切換，從而實現(xiàn)相位調(diào)制技術。

2)采用的兩層介質(zhì)基板的總厚度約為工作波長的十分之一，與傳統(tǒng)的相位調(diào)制屏相比，其厚度降低了60％。

3)采用的人工磁導體結構為中心對稱形式，因此可以實現(xiàn)對雙極化入射電磁波的有效隱身。

附圖說明

圖1是本發(fā)明采用頻率可調(diào)人工磁導體結構實現(xiàn)的相位調(diào)制屏的工作原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的頻率可調(diào)人工磁導體單元的頂層示意圖。

圖3是本發(fā)明的頻率可調(diào)人工磁導體單元的中間層示意圖。

圖4是本發(fā)明的頻率可調(diào)人工磁導體單元的底層示意圖。

圖5是本發(fā)明的頻率可調(diào)人工磁導體單元的側(cè)視圖。

圖6是本發(fā)明的相位調(diào)制屏的三維示意圖。

圖7是本發(fā)明的包含若干個可調(diào)人工磁導體單元構成的相位調(diào)制屏的頂視圖。

圖8是本發(fā)明相位調(diào)制屏在pin二極管為“開”和“關”兩種狀態(tài)時，入射電磁波分別為te模式和tm模式下，反射系數(shù)的相位曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，本發(fā)明所提出的一種基于人工磁導體的相位調(diào)制屏，是由人工磁導體結構20和直流偏置電壓源21構成。如圖7所示，其中人工磁導體結構由若干個中心對稱的人工磁導體單元19進行二維周期排布組成。如圖6所示，每個人工磁導體單元19由人工磁導體、上層介質(zhì)基板16和下層介質(zhì)基板17、金屬地面18、pin二極管組和pin二極管組的電壓偏置網(wǎng)絡構成。通過改變電壓源21的值可以控制人工磁導體單元的pin二極管組的“開”和“關”兩種狀態(tài)，從而使得入射電磁波在工作頻率處分別呈“反相反射”和“同相反射”兩種狀態(tài)。周期性地改變直流偏置電壓源21的值，就可以使得反射波的頻譜發(fā)生搬移，從而使得探測目標在工作頻率處實現(xiàn)隱身。

本發(fā)明提出的一種基于頻率可調(diào)的人工磁導體結構的相位調(diào)制屏，對于其具體結構結合附圖詳細介紹如下：

參考圖6所示，人工磁導體單元19中的人工磁導體是中心對稱的金屬貼片1，并印制在上層介質(zhì)基板16上，下層介質(zhì)基板17的底面設置金屬地面18。如圖5所示，上述中心對稱的金屬貼片1通過第一金屬化通孔2與下層介質(zhì)基板17的金屬地面18相連；如圖2結合圖4所示，上述第一金屬化通孔2位于中心對稱的金屬貼片1的中心。

參考圖2所示，上述pin二極管組由第一pin二極管11、第二pin二極管12、第三pin二極管13和第四pin二極管14組成，分別焊接在第一偏置貼片3、第二偏置貼片4、第三偏置貼片5、第四偏置貼片6與上述中心對稱的金屬貼片1之間，并且都位于上層介質(zhì)基板16的上面。

上述pin二極管的偏置網(wǎng)絡由上層第一偏置貼片3、第二偏置貼片4、第三偏置貼片5、第四偏置貼片6、第二金屬化通孔7、第三金屬化通孔8、第四金屬化通孔9、第五金屬化通孔10和下層第一偏置方環(huán)15構成。其中，第一偏置貼片3、第二偏置貼片4、第三偏置貼片5和第四偏置貼片6印制在上層介質(zhì)基板16上，并分別通過第二金屬化通孔7、第三金屬化通孔8、第四金屬化通孔9和第五金屬化通孔10與第一偏置方環(huán)15相連，如圖3所示；上述第一偏置方環(huán)15印制在上層介質(zhì)基板16的底面。

所述的上層介質(zhì)基板16和下層介質(zhì)基板17的介電常數(shù)相同，介電常數(shù)εr為2.2～10.2，上層介質(zhì)基板16的厚度為0.5mm，下層介質(zhì)基板17的厚度為0.07*λg,其中λg＝λ0/εr^0.5,λ0為自由空間的波長。

所述的中心對稱的金屬貼片1可采用圓形、多邊形(偶數(shù)邊)等實心貼片，周長為λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0為自由空間的波長。

所述的第一金屬化通孔2貫穿上層介質(zhì)基板16和下層介質(zhì)基板17，其直徑為上層介質(zhì)基板16和下層介質(zhì)基板17總厚度的三分之一。

所述的第一偏置貼片3、第二偏置貼片4、第三偏置貼片5和第四偏置貼片6為四個相同的貼片，但是擺放的方向不同，每一個偏置貼片都能與其相鄰的三個周期單元中的偏置貼片構成一個完整的中心對稱的偏置貼片22，該偏置貼片22位于金屬貼片單元與相鄰三個相同單元形成的空隙的中心位置處，如圖7所示；中心對稱的偏置貼片22在頻率可調(diào)人工磁導體單元19對角線的延長線上的投影長度，與中心對稱的金屬貼片1在頻率可調(diào)人工磁導體單元19對角線上的投影長度、以及兩個pin二極管的長度之和，等于頻率可調(diào)人工磁導體單元19的對角線長度。

所述的第二金屬化通孔7、第三金屬化通孔8、第四金屬化通孔9和第五金屬化通孔10只存在于上層介質(zhì)基板16中，它們具有相同的截面形狀—四分之一圓，但是擺放的方向不同，同樣的，每一個金屬化通孔都能與其相鄰的三個周期單元中的金屬化通孔構成一個完整的圓柱，每一個圓柱都相應位于四個相鄰偏置貼片所構成的中心對稱的偏置貼片22的中心位置；它們的半徑均為第一金屬化通孔2的半徑的一半。

所述的第一偏置方環(huán)15位于上層介質(zhì)基板16的底面，其外圍周長與頻率可調(diào)人工磁導體單元19的周長相等，其寬度約為中心對稱的偏置貼片22在頻率可調(diào)人工磁導體單元19對角線的延長線上的投影長度的四分之一。

所述的頻率可調(diào)人工磁導體單元19以方型晶格的形式進行周期排列。

所述的第一pin二極管11、第二pin二極管12、第三pin二極管13和第四pin二極管14的型號并不唯一，但是必須選用能夠工作在射頻頻段以上的pin二極管。

下面以圓形貼片為例，對本發(fā)明的具體裝置的細節(jié)及工作情況進行細化說明。

以10*10單元為例，基于頻率可調(diào)人工磁導體單元19的人工磁導體結構20的界面尺寸為250mm*250mm，總厚度為3.5mm(上層介質(zhì)基板16和下層介質(zhì)基板17均選用fr4，介電常數(shù)為4.4，厚度分別為0.5mm和3mm,金屬地面18采用下層介質(zhì)基板的覆銅)。

中心對稱的金屬貼片1采用圓形貼片形狀，其半徑為11.5mm,第一金屬化通孔2的半徑為1mm；第一偏置貼片3、第二偏置貼片4、第三偏置貼片5和第四偏置貼片6均采用四分之一圓的形狀，半徑為5.3mm；第二金屬化通孔7、第三金屬化通孔8、第四金屬化通孔9和第五金屬化通孔10的半徑均為0.5mm；第一偏置方環(huán)15的寬度為2.3mm；pin二極管的型號為skyworks公司的smt1352-sc-79。

參考圖8所示，經(jīng)數(shù)值計算，當pin二極管的反向偏置電壓大于10v時，其處于“關”的狀態(tài)，此時人工磁導體的同相反射頻率處于f0＝3.2ghz；當pin二極管的正向偏置電壓大于0.5v時，其處于“開”的狀態(tài)，此時人工磁導體的同相反射頻率處于f1＝3.8ghz，但是觀察到，f0＝3.2ghz處的反射相位約等于180°；即在f0＝3.2ghz處，通過控制pin二極管的工作狀態(tài)，人工磁導體結構的反射相位在0°和180°之間切換，滿足實現(xiàn)相位調(diào)制技術的條件；并且由于采用了中心對稱的結構，無論入射電磁波是te模式還是tm模式，均能實現(xiàn)上述功能；此外，由于整體的厚度不到十分之一波長，較傳統(tǒng)的四分之一波長降低了很多，因此采用該技術方案十分有效。

以上所述僅是本發(fā)明的部分實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。