本發(fā)明涉及一種實(shí)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(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

雷達(dá)作為探測(cè)目標(biāo)的有效手段之一，無(wú)論對(duì)飛行器還是地面裝備的探測(cè)都非?？煽俊５?，通過(guò)采用雷達(dá)隱身技術(shù)，譬如通過(guò)改進(jìn)目標(biāo)的外形或加載超材料結(jié)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的漫散射，或者通過(guò)涂覆隱身材料、加載損耗型電路模擬吸收結(jié)構(gòu)將入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱量等手段，使雷達(dá)發(fā)射的電磁波可以被覆蓋層散射或吸收，并使rcs(radarcrosssection，雷達(dá)散射面積)進(jìn)一步減小，從而大大降低目標(biāo)可被探測(cè)的距離。在戰(zhàn)場(chǎng)中，使用雷達(dá)隱身材料可以增強(qiáng)其在戰(zhàn)場(chǎng)的突防和生存能力。

20世紀(jì)90年代后期，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)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(shè)計(jì)當(dāng)中。與前述的兩種隱身機(jī)理不同，基于相位調(diào)制技術(shù)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(yuǎn)，使得只有非常小的一部分能量落在接收機(jī)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(zhǎng)的介質(zhì)隔層和周期貼片陣列構(gòu)成，形式單一，并且厚度較厚。當(dāng)入射電磁波的頻率較低時(shí)，相位調(diào)制屏的厚度將非常厚，這顯然無(wú)法滿足現(xiàn)代雷達(dá)隱身材料對(duì)材料“薄”的這一要求。此外，已有的相位調(diào)制屏還存在結(jié)構(gòu)單一和只能實(shí)現(xiàn)單極化“吸收”電磁波的問(wèn)題。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)背景技術(shù)中的缺陷，提出一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身的相位調(diào)制屏，實(shí)現(xiàn)反射波的相位在0°和180°之間進(jìn)行切換，對(duì)雙極化形式的入射電磁波實(shí)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(guò)改變電磁波的實(shí)際傳輸路徑長(zhǎng)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(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明首先提出一種用于實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制屏的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，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(gè)中心對(duì)稱的金屬貼片，且每個(gè)金屬貼片與其對(duì)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(shè)置有中心對(duì)稱的偏置貼片，每個(gè)金屬貼片通過(guò)四個(gè)pin二極管分別與其四周的四個(gè)偏置貼片相連接；

以每個(gè)金屬貼片為單位，以該金屬貼片四周的四個(gè)偏置貼片的中心點(diǎn)連線形成的矩形區(qū)域作為一個(gè)人工磁導(dǎo)體單元，在每個(gè)人工磁導(dǎo)體單元在上層介質(zhì)基板所處位置的下表面，設(shè)置有與該人工磁導(dǎo)體單元外圍周長(zhǎng)相等的偏置方環(huán)，所述偏置貼片通過(guò)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(gè)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(guò)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǎng)。

作為本發(fā)明提出的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)心貼片，其周長(zhǎng)為λeff/2，其中λeff＝λ0/(εr+1)^0.5,λ0為自由空間的波長(zhǎng)。

作為本發(fā)明提出的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述偏置貼片在人工磁導(dǎo)體單元對(duì)角線上的投影長(zhǎng)度，與金屬貼片在人工磁導(dǎo)體單元對(duì)角線上的投影長(zhǎng)度、以及兩個(gè)pin二極管的長(zhǎng)度之和等于人工磁導(dǎo)體單元的對(duì)角線長(zhǎng)度。

作為本發(fā)明提出的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)體單元對(duì)角線的投影長(zhǎng)度的四分之一。

本發(fā)明還提出一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制屏的方法，將前述人工磁導(dǎo)體單元中的pin二極管分別與直流偏置電壓源相連接，通過(guò)改變直流偏置電壓源的值來(lái)控制pin二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而使得入射到人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)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(dāng)pin二極管呈開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，反射電磁波的相位改變180°，當(dāng)pin二極管呈關(guān)的狀態(tài)時(shí)，反射電磁波的相位改變0°；

通過(guò)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(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)在工作頻率處的隱身。

同時(shí)，不依賴于本發(fā)明所提出人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)實(shí)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的有源開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而控制人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在工作頻率點(diǎn)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(guò)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(cè)目標(biāo)在工作頻率處實(shí)現(xiàn)隱身。

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

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

2)采用的兩層介質(zhì)基板的總厚度約為工作波長(zhǎng)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱形式，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙極化入射電磁波的有效隱身。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明采用頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)實(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(gè)可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元構(gòu)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(kāi)”和“關(guān)”兩種狀態(tài)時(shí)，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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

所述實(shí)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(biāo)號(hào)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(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)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(dǎo)體的相位調(diào)制屏，是由人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20和直流偏置電壓源21構(gòu)成。如圖7所示，其中人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由若干個(gè)中心對(duì)稱的人工磁導(dǎo)體單元19進(jìn)行二維周期排布組成。如圖6所示，每個(gè)人工磁導(dǎo)體單元19由人工磁導(dǎo)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(luò)構(gòu)成。通過(guò)改變電壓源21的值可以控制人工磁導(dǎo)體單元的pin二極管組的“開(kāi)”和“關(guān)”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(cè)目標(biāo)在工作頻率處實(shí)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制屏，對(duì)于其具體結(jié)構(gòu)結(jié)合附圖詳細(xì)介紹如下：

參考圖6所示，人工磁導(dǎo)體單元19中的人工磁導(dǎo)體是中心對(duì)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(shè)置金屬地面18。如圖5所示，上述中心對(duì)稱的金屬貼片1通過(guò)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(jié)合圖4所示，上述第一金屬化通孔2位于中心對(duì)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(duì)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(luò)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(gòu)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(guò)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(zhǎng)。

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

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(gè)相同的貼片，但是擺放的方向不同，每一個(gè)偏置貼片都能與其相鄰的三個(gè)周期單元中的偏置貼片構(gòu)成一個(gè)完整的中心對(duì)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(gè)相同單元形成的空隙的中心位置處，如圖7所示；中心對(duì)稱的偏置貼片22在頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19對(duì)角線的延長(zhǎng)線上的投影長(zhǎng)度，與中心對(duì)稱的金屬貼片1在頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19對(duì)角線上的投影長(zhǎng)度、以及兩個(gè)pin二極管的長(zhǎng)度之和，等于頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19的對(duì)角線長(zhǎng)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(gè)金屬化通孔都能與其相鄰的三個(gè)周期單元中的金屬化通孔構(gòu)成一個(gè)完整的圓柱，每一個(gè)圓柱都相應(yīng)位于四個(gè)相鄰偏置貼片所構(gòu)成的中心對(duì)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(zhǎng)與頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19的周長(zhǎng)相等，其寬度約為中心對(duì)稱的偏置貼片22在頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19對(duì)角線的延長(zhǎng)線上的投影長(zhǎng)度的四分之一。

所述的頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19以方型晶格的形式進(jìn)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(hào)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(duì)本發(fā)明的具體裝置的細(xì)節(jié)及工作情況進(jìn)行細(xì)化說(shuō)明。

以10*10單元為例，基于頻率可調(diào)人工磁導(dǎo)體單元19的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)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(duì)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(hào)為skyworks公司的smt1352-sc-79。

參考圖8所示，經(jīng)數(shù)值計(jì)算，當(dāng)pin二極管的反向偏置電壓大于10v時(shí)，其處于“關(guān)”的狀態(tài)，此時(shí)人工磁導(dǎo)體的同相反射頻率處于f0＝3.2ghz；當(dāng)pin二極管的正向偏置電壓大于0.5v時(shí)，其處于“開(kāi)”的狀態(tài)，此時(shí)人工磁導(dǎo)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(guò)控制pin二極管的工作狀態(tài)，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射相位在0°和180°之間切換，滿足實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制技術(shù)的條件；并且由于采用了中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，無(wú)論入射電磁波是te模式還是tm模式，均能實(shí)現(xiàn)上述功能；此外，由于整體的厚度不到十分之一波長(zhǎng)，較傳統(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)降低了很多，因此采用該技術(shù)方案十分有效。

以上所述僅是本發(fā)明的部分實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。