一种具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料

working states.”ieee antennas and propagation magazine，pp.2
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14,2022)设计了一种使用长城结构的具有极化选择性的水基可切换吸透一体材料，该设计的新颖之处在于通过向不同水道注水，实现三种不同工作状态的切换，通过或将水注入(或排出)到单元结构(unit cell，uc)中，在需要的极化方向上单独切换器件状态来实现极化选择性。与传统的mms相比，这些器件更灵活，集成度更高，在某些特定应用中是较好的选择。
4.综上所述，具有带内屏蔽能力的可切换吸透一体材料具有广泛的应用前景；因此，设计实现具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料成为本发明的研究重点。


技术实现要素：

5.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极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，用以实现在吸透一体、极化选择和吸波模式之间切换。本发明由两个阻抗层(无源和有源阻抗层)和频率选择表面(frequency selective surface,fss)组成；并且在有源阻抗层和fss上加载的pin二极管可以通过偏置信号在正交极化中独立控制，以实现极化选择性，fss设计中引入了传输零点(transmission zeros,tzs)，以改善其传输频带的滚降特性；同时，fss单元为对称结构，可选通任意线极化入射的电磁波，具有较强的实用性。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，从上至下依次包括：第一金属贴片层1、第一介质层2、第一空气层3、第二金属贴片层4、第二介质层5、第三金属贴片层6、第二空气层7、第四金属贴片层8、第三介质层9、第五金属贴片层10、第四介质层11、第六金属贴片层12、第五介质层13、第七金属贴片层14；其特征在于：
8.第一金属贴片层1设置于第一介质层2的上表面、且二者共同构成第一阻抗层，第二金属贴片层4与第三金属贴片层6分别设置于第二介质层5的上表面与下表面、且三者共同构成第二阻抗层，第七金属贴片层14、第五介质层13、第六金属贴片层12、第四介质层11、第五金属贴片层10、第三介质层9、第四金属贴片层8按照从下至上的顺序依次层叠构成频率选择表面fss。
9.进一步的，第一阻抗层由m
×
n个第一阻抗单元呈阵列排布构成，第一阻抗单元中第一金属贴片单元采用加载螺旋电感的方环贴片，方环贴片关于介质层中心点中心对称，方环贴片设置于介质层四周边缘位置，方环贴片在每条边的中间位置分别加载螺旋电感，线螺旋电感线的尾端通过弯折金属线连接方环、中心端通过介质层下表面的金属连接线连接方环；方环贴片在每条边上加载2个第一集总电阻16、且分别位于螺旋电感两侧。
10.进一步的，第二阻抗层由m
×
n个第二阻抗单元呈阵列排布构成，第二阻抗单元中第二金属贴片单元沿x轴方向设置、第三金属贴片单元沿y轴方向设置，且二者采用相同结构；该金属贴片单元由并联lc谐振结构及其两侧连接矩形贴片构成，并联lc谐振结构与矩形贴片之间加载第二集总电阻17，单元结构之间经由矩形贴片相连；并联lc谐振结构由谐振弯折电感线与谐振矩形贴片并联构成，矩形贴片与并联端之间分别加载pin二极管19，弯折电感线中心加载集总电容18；第三金属贴片单元相对于第二金属贴片单元沿x轴方向和y轴方向分别平移p1/2、p1为第一与第二阻抗单元的单元周期；第二金属贴片单元相对于第一阻抗单元沿y轴平移p1/2。
11.进一步的，第四金属贴片层8由2m
×
2n个第四金属贴片单元呈阵列排布构成，第四金属贴片单元沿x轴方向设置、且相邻第四金属贴片单元之间加载pin二极管；第五金属贴片层10由2m
×
2n个第五金属贴片单元呈阵列排布构成，第五金属贴片单元沿y轴方向设置、且相邻第五金属贴片单元之间加载pin二极管(二极管经金属通孔设置于第三介质层9的上表面)；第四金属贴片单元与第五金属贴片单元采用相同结构，由频选矩形贴片与其两侧对称相连的梯形过渡贴片构成；第五金属贴片单元相对于第四金属贴片单元沿x轴和y轴平移p2/2，p2为第四与第五金属贴片单元的单元周期，p2＝p1/2；针对第四金属贴片单元与第五金属贴片单元，每2
×
2的子阵对应一个第一阻抗单元、且相对于第一阻抗单元沿x轴和-y轴平移p1/4。
12.进一步的，第六金属贴片层由2m
×
2n个第六金属贴片单元呈阵列排布构成，第六金属贴片单元包括：频选弯折电感线与交指电容构成，两个频选弯折电感线交叉呈十字结构、且中心对称，频选弯折电感线两端分别连接交指电容、且相邻单元间共用交指电容；第七金属贴片单元由2m
×
2n个第七金属贴片单元呈阵列排布构成，第七金属贴片单元采用由十字形贴片与其四端连接的三角形贴片构成的中心对称耶路撒冷结构；针对第六金属贴片单元与第七金属贴片单元，单元周期均为p2，每2
×
2的子阵对应一个第一阻抗单元。
13.进一步的，m和n的取值不小于5，用以保证吸透一体材料的工作性能。
14.进一步的，所述可切换吸透一体材料中，所有pin二极管作为开关器件，均采用相同结构(同一型号)，通过改变切换开关器件的通断，从而实现工作模式的切换；当pin二极管状态为off时，视为电容，记为状态0；当pin二极管状态为on时，视为阻值很小的电阻，记为状态1；根据第二阻抗层与频选层加载的pin二极管通断状态，将工作模式分成四个状态：
15.模式00：所有pin二极管全关断；
16.模式01：第二金属贴片单元、第四金属贴片单元中所有pin二极管关断；第三金属贴片单元、第五金属贴片单元中所有pin二极管导通；
17.模式10：第二金属贴片单元、第四金属贴片单元中所有pin二极管导通；第三金属贴片单元、第五金属贴片单元中所有pin二极管关断；
18.模式11：所有pin二极管全导通；
19.在模式00下，器件在x和y方向均为吸透一体工作状态；
20.在模式11下，器件在x和y方向均为吸波体工作状态；
21.在模式10下，器件作为极化选择装置运行，此时，带内x极化电磁波可以以较低的插入损耗(il)传输，而带内y极化波被吸收，实现极化选择性；
22.在模式01下，器件作为极化选择装置运行，此时，带内y极化电磁波可以以较低的插入损耗(il)传输，而带内x极化波被吸收，实现极化选择性。
23.从工作原理上讲：
24.第一阻抗层和第二阻抗层到频选层(fss)的距离分别为低频吸波中心频率和高频吸波频率所对应波长的四分之一；调节两阻抗层与频选层间的空气厚度，以及该吸透一体材料具体结构的尺寸参数，使其阻抗特性与空气良好匹配，实现低频和高频良好的吸波特性与通带特性。通带的滚降特性主要由fss决定，fss设计中引入了传输零点(tz)，以改善传输频带的滚降特性；fss的等效电路模型为三对串联起来的电感器和电容器，三对串联结构由两个介电基板隔开。三个传输零点的位置与电路lc参数密切相关，其中fss第一层结构
(第四、五金属贴片层与第三介质层)和第三层结构(第七金属贴片层与第五介质层)对应于传输通带右侧高频处的两个零点，fss第二层结构(第六金属贴片层与第四介质层)对应传输通带的左侧低频处零点；通过调整零点位置调整通带的边缘以改善通带的滚降特性。
25.综上所述，本发明的有益效果在于：
26.本发明提供一种具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，具有如下优点：
27.1.本发明由两个阻抗层(无源和有源阻抗层)和频率选择表面(fss)组成，通过在fss设计中引入三个传输零点(tz)来实现传输频带的高滚降特性；有源阻抗层和fss上的pin二极管作为极化开关可以独立控制，以实现极化选择性；同时，开关器件为二极管，以实现工作模式的切换，该结构的加载方式较为简单。
28.2.本发明的三层结构均具有对称特征，使得整体材料具有双极化特性；且通过直流馈电控制二极管的导通或关断，进而控制通带窗口的打开或关闭，实现可开关手段简单。
29.3.本发明装置具有三种工作模式，即吸透一体、极化选择和吸波模式；在吸透一体模式下，器件具有27.5％(3.42～4.51ghz)部分带宽的宽通带，两侧分别有88.4％(1.27～3.2ghz)和32.2％(4.69～6.25ghz)吸收带；在吸波模式下实现的吸收带宽达到了142.9％(1～6ghz)。此外，在极化选择模式下运行时，其性能并未受到明显影响。
30.4.本发明的结构可由印刷板工艺实现，成本低，加工简单。
附图说明
31.图1为本发明具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料中结构单元的侧视示意图。
32.图2为图1所示可切换吸透一体材料中第一阻抗单元的结构示意图。
33.图3为图1所示可切换吸透一体材料中第二阻抗单元的结构示意图。
34.图4为图1所示可切换吸透一体材料中频率选择表面fss的第四、五金属贴片单元的结构示意图。
35.图5为图1所示可切换吸透一体材料中频率选择表面fss的第六、七金属贴片单元的结构示意图。
36.图6为本发明中频率选择表面fss的等效电路模型图。
37.图7为本发明实施例中具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料的电磁仿真结果图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
39.本实施例提供一种具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其侧视结构示意图如图1所示，从上至下依次包括：第一金属贴片层1、第一介质层2、第一空气层3、第二金属贴片层4、第二介质层5、第三金属贴片层6、第二空气层7、第四金属贴片层8、第三介质层9、第五金属贴片层10、第四介质层11、第六金属贴片层12、第五介质层13、第七金属贴片层14。
40.进一步的，第一金属贴片层1设置于第一介质层2的上表面、且二者共同构成第一阻抗层，第一阻抗层由m
×
n个第一阻抗单元呈阵列排布构成；第一阻抗单元的结构如图2所示，其第一金属贴片单元采用加载螺旋电感的方环贴片、如图2中(a)所示，方环贴片以介质层中心点中心对称，方环贴片设置于介质层四周边缘位置，方环贴片在每条边的中间位置分别加载螺旋电感，螺旋电感线的尾端通过弯折金属线连接方环、中心端通过介质层下表面的金属连接线连接方环(通过贯穿介质层的金属通孔15实现，如图2中(b)所示)；方环贴片在每条边上加载2个第一集总电阻16、且分别位于螺旋电感两侧。
41.本实施例中，线结构的线宽均为0.2mm、螺旋电感线的线间距为0.2mm；螺旋电感的尺寸为：1.9mm
×
3.9mm，金属通孔15的直径为0.3mm，金属连接线长度为2.75mm，方环贴片结构距离介质层边缘0.2mm。
42.进一步的，第二金属贴片层4与第三金属贴片层6分别设置于第二介质层5的上表面与下表面、且三者共同构成第二阻抗层，第二阻抗层由m
×
n个第二阻抗单元呈阵列排布构成；第二阻抗单元如图3所示，其第二金属贴片单元沿x轴方向设置(如图3中(a)所示)、第三金属贴片单元沿y轴方向设置(如图3中(b)所示)，且二者采用相同结构；该金属贴片结构由并联lc谐振结构及其两侧连接矩形贴片构成，并联lc谐振结构与矩形贴片之间加载第二集总电阻17，单元结构之间经由矩形贴片相连；并联lc谐振结构由谐振弯折电感线与谐振矩形贴片并联构成，矩形贴片与并联端之间分别加载pin二极管19，弯折电感线中心加载集总电容18；第三金属贴片单元相对于第二金属贴片单元沿x轴方向和y轴方向分别平移p1/2、p1为第一与第二阻抗单元的单元周期，如图3中(c)所示；第二金属贴片单元相对于第一阻抗单元沿y轴平移p1/2，如图3中(d)所示，图中虚线框为第一阻抗单元位置。
43.本实施例中，连接矩形贴片的尺寸为5.8mm
×
1.5mm，谐振矩形贴片的尺寸为2.4mm
×
0.5mm；二极管长度为1.8mm；弯折电感线结构呈z字形，线宽为0.2mm，线间距为0.2mm，弯折宽度为1.7mm，弯折长度为3.9mm。
44.进一步的，第七金属贴片层14、第五介质层13、第六金属贴片层12、第四介质层11、第五金属贴片层10、第三介质层9、第四金属贴片层8按照从下至上依次层叠构成频率选择表面fss；
45.第四金属贴片层8由2m
×
2n个第四金属贴片单元呈阵列排布构成，第四金属贴片单元沿x轴方向设置、且相邻第四金属贴片单元之间加载pin二极管，如图4中(a)所示；第五金属贴片层10由2m
×
2n个第五金属贴片单元呈阵列排布构成，第五金属贴片单元沿y轴方向设置、且相邻第五金属贴片单元之间加载pin二极管(二极管经金属通孔设置于第三介质层9的上表面)，如图4中(b)所示；第四金属贴片单元与第五金属贴片单元采用相同结构，由频选矩形贴片与其两侧对称相连的梯形过渡贴片构成；第五金属贴片单元相对于第四金属贴片单元沿x轴和y轴平移p2/2，p2为第四与第五金属贴片单元的单元周期，p2＝p1/2，如图4中(c)所示；针对第四金属贴片单元与第五金属贴片单元，每2
×
2的子阵对应一个第一阻抗单元、且相对于第一阻抗单元沿x轴和-y轴平移p1/4，如图4中(d)所示，图中虚线框为第一阻抗单元位置；
46.第六金属贴片层由2m
×
2n个第六金属贴片单元呈阵列排布构成，第六金属贴片单元包括：频选弯折电感线与交指电容构成，两个频选弯折电感线交叉呈十字结构、且中心对称，频选弯折电感线两端分别连接交指电容、且相邻单元间共用交指电容，如图5中(a)所
示；第七金属贴片单元由2m
×
2n个第七金属贴片单元呈阵列排布构成，第七金属贴片单元采用由十字形贴片与其四端连接的三角形贴片构成的中心对称耶路撒冷结构，如图5中(b)所示；针对第六金属贴片单元与第七金属贴片单元，单元周期均为p2，每2
×
2的子阵对应一个第一阻抗单元。
47.本实施例中，第四金属贴片单元中频选矩形贴片的宽为1.5mm，第五金属贴片单元中频选矩形贴片的宽为2mm，二极管长度1.8mm，第四金属贴片单元(第五金属贴片单元)长度加上二极管长度等于单元周期p2。第六金属贴片单元中，交指电容指长4.5mm、指宽0.2mm、指间距0.2mm，频选弯折电感线的线宽0.2mm；第七金属贴片单元中，十字形贴片的线宽0.5mm、线长4.2mm，三角形贴片的底边长6mm，相邻第七金属贴片单元中耶路撒冷结构之间的间距为0.3mm。p1＝20mm，p2＝10mm。介质层为射频介质基板，优选型号为f4b，第一介质层相对介电常数为3.0，第二、三、四、五介质层相对介电常数为2.2，损耗角正切均为tanδ＝0.0015，金属贴片层为pcb印刷电路；第一介质层的厚度为0.5mm，第一空气层厚度为17mm，第二介质层的厚度为0.5mm，第二空气层厚度为20mm，第三介质层的厚度为0.5mm，第四介质层的厚度为1.5mm，第五介质层的厚度为1.5mm；第一金属贴片层中加载的集总电阻为200欧姆，第二、三金属贴片层中加载的集总电阻为150欧姆；第二、三金属贴片层中加载的集总电容为18pf；pin二极管skyworks smp1345，其在关断状态的典型电容值为0.118pf，在导通状态的典型电阻值为1欧姆，结构中的二极管采用同一型号。
48.如图6所示为本发明fss的等效电路模型(equivalent circuit model，ecm)，为三对串联的电感器和电容器，且由两个介电基板隔开，考虑到实现可重构性，等效电路模型中最左侧的电容器(虚线框内)已被替换为pin二极管；当pin二极管状态为off时，视为电容；当pin二极管状态为on时，视为一阻值很小的电阻。传输通带两侧三个传输零点的位置与电路lc参数密切相关，其中，fss第一层结构(第四、五金属贴片层与第三介质层)和第三层结构(第七金属贴片层与第五介质层)对应于传输通带右侧高频处的两个零点tz2和tz3，fss第二层结构(第六金属贴片层与第四介质层)对应传输通带的左侧低频处零点tz1；调整电路参数lf1和cf1(或lf2，cf2；lf3，cf3)，tz2(或tz1；tz3)可单独变化。因此，可以很容易地通过调整零点位置调整通带的边缘以改善通带的滚降特性。
49.如图7所示为本实施例在仿真软件中，采用周期边界条件，电磁波垂直入射时的电磁仿真结果图；其中，图(a)为所有pin二极管全关断均为关断状态(即模式00)的仿真结果，图(b)为第二金属贴片单元、第四金属贴片单元中所有pin二极管关断；第三金属贴片单元、第五金属贴片单元中所有pin二极管导通(即模式01)的仿真结果图，图(c)为第二金属贴片单元、第四金属贴片单元中所有pin二极管导通；第三金属贴片单元、第五金属贴片单元中所有pin二极管关断(即模式10)的仿真结果图，图(d)为所有pin二极管状态均为导通(即模式11)的仿真结果图；由图可见，该吸透一体材料在吸透一体模式(模式00)下，器件具有27.5％(3.42～4.51ghz)部分带宽的宽通带，两侧分别有88.4％(1.27～3.2ghz)和32.2％(4.69～6.25ghz)吸收带，在吸波模式(模式11)下实现的吸收带宽达到了142.9％(1～6ghz)；所实现的传输通带具有较高的滚降特性。此外，在极化选择模式下(模式10或01)运行时，其性能并未受到明显影响。
50.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。

技术特征：
1.一种具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，从上至下依次包括：第一金属贴片层(1)、第一介质层(2)、第一空气层(3)、第二金属贴片层(4)、第二介质层(5)、第三金属贴片层(6)、第二空气层(7)、第四金属贴片层(8)、第三介质层(9)、第五金属贴片层(10)、第四介质层(11)、第六金属贴片层(12)、第五介质层(13)、第七金属贴片层(14)；其特征在于：第一金属贴片层设置于第一介质层的上表面、且二者共同构成第一阻抗层，第二金属贴片层与第三金属贴片层分别设置于第二介质层的上表面与下表面、且三者共同构成第二阻抗层，第七金属贴片层、第五介质层、第六金属贴片层、第四介质层、第五金属贴片层、第三介质层、第四金属贴片层按照从下至上的顺序依次层叠构成频率选择表面fss。2.按权利要求1所述具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其特征在于，第一阻抗层由m
×
n个第一阻抗单元呈阵列排布构成，第一阻抗单元中第一金属贴片单元采用加载螺旋电感的方环贴片，方环贴片关于介质层中心点中心对称，方环贴片设置于介质层四周边缘位置，方环贴片在每条边的中间位置分别加载螺旋电感，螺旋电感线的尾端通过弯折金属线连接方环、中心端通过介质层下表面的金属连接线连接方环；方环贴片在每条边上加载2个第一集总电阻(16)、且分别位于螺旋电感两侧。3.按权利要求2所述具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其特征在于，第二阻抗层由m
×
n个第二阻抗单元呈阵列排布构成，第二阻抗单元中第二金属贴片单元沿x轴方向设置、第三金属贴片单元沿y轴方向设置，且二者采用相同结构；该金属贴片单元由并联lc谐振结构及其两侧连接矩形贴片构成，并联lc谐振结构与矩形贴片之间加载第二集总电阻(17)，单元结构之间经由矩形贴片相连；并联lc谐振结构由谐振弯折电感线与谐振矩形贴片并联构成，矩形贴片与并联端之间分别加载pin二极管(19)，弯折电感线中心加载集总电容(18)；第三金属贴片单元相对于第二金属贴片单元沿x轴方向和y轴方向分别平移p1/2、p1为第一与第二阻抗单元的单元周期；第二金属贴片单元相对于第一阻抗单元沿y轴平移p1/2。4.按权利要求2所述具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其特征在于，第四金属贴片层8由2m
×
2n个第四金属贴片单元呈阵列排布构成，第四金属贴片单元沿x轴方向设置、且相邻第四金属贴片单元之间加载pin二极管；第五金属贴片层10由2m
×
2n个第五金属贴片单元呈阵列排布构成，第五金属贴片单元沿y轴方向设置、且相邻第五金属贴片单元之间加载pin二极管；第四金属贴片单元与第五金属贴片单元采用相同结构，由频选矩形贴片与其两侧对称相连的梯形过渡贴片构成；第五金属贴片单元相对于第四金属贴片单元沿x轴和y轴平移p2/2，p2为第四与第五金属贴片单元的单元周期，p2＝p1/2；针对第四金属贴片单元与第五金属贴片单元，每2
×
2的子阵对应一个第一阻抗单元、且相对于第一阻抗单元沿x轴和-y轴平移p1/4。5.按权利要求2所述具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其特征在于，第六金属贴片层由2m
×
2n个第六金属贴片单元呈阵列排布构成，第六金属贴片单元包括：频选弯折电感线与交指电容构成，两个频选弯折电感线交叉呈十字结构、且中心对称，频选弯折电感线两端分别连接交指电容、且相邻单元间共用交指电容；第七金属贴片单元由2m
×
2n个第七金属贴片单元呈阵列排布构成，第七金属贴片单元采用由十字形贴片与其四端连接的三角形贴片构成的中心对称耶路撒冷结构；针对第六金属贴片单元与第七金属
贴片单元，单元周期均为p2，每2
×
2的子阵对应一个第一阻抗单元。6.按权利要求2所述具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其特征在于，m和n的取值不小于5。7.按权利要求1所述具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，其特征在于，所述可切换吸透一体材料中，所有pin二极管作为开关器件，工作模式切换分成四个状态：模式00：所有pin二极管全关断；模式01：第二金属贴片层、第四金属贴片层中所有pin二极管关断；第三金属贴片层、第五金属贴片层中所有pin二极管导通；模式10：第二金属贴片层、第四金属贴片层中所有pin二极管导通；第三金属贴片层、第五金属贴片层中所有pin二极管关断；模式11：所有pin二极管全导通；在模式00下，器件在x和y方向均为吸透一体工作状态；在模式11下，器件在x和y方向均为吸波体工作状态；在模式10下，器件作为极化选择装置运行，此时，带内x极化波传输，而带内y极化波被吸收，实现极化选择性；在模式01下，器件作为极化选择装置运行，此时，带内y极化波传输，而带内x极化波被吸收，实现极化选择性。

技术总结
本发明属于吸透一体材料技术领域，具体提供一种具有极化选择性和高滚降特性的可切换吸透一体材料，用以实现在吸透一体、极化选择和吸波模式之间切换。本发明由两个阻抗层和频率选择表面组成；并且在有源阻抗层和FSS上加载的PIN二极管可以通过偏置信号在正交极化中独立控制，以实现极化选择性，FSS设计中引入了传输零点，以改善其传输频带的滚降特性；同时，FSS单元为对称结构，可选通任意线极化入射的电磁波，具有较强的实用性。综上，本发明具有吸透一体、极化选择和吸波模式三种工作模式，通过二极管实现工作模式的切换，具有性能优异、结构简单、制备成本低等优点。结构简单、制备成本低等优点。结构简单、制备成本低等优点。


技术研发人员：田径 石小洲 叶莉 梁恒 周洲 陈波 雷世文 杨伟 孙凯 何子远 包永芳 胡皓全
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/14