[发明专利]开关可控的各向异性零折射率器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微波频段的开关可控零折射率器件，属于新型人工电磁器件领域。 

背景技术

本发明中的新型人工电磁材料（Metamaterials）是电磁学中新兴的研究领域，其基础是等效媒质理论，由一系列人工设计的单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过精心设计单元结构和尺寸大小，可以得到所需要的等效介电常数和磁导率。经过十多年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。基于新型人工电磁材料的各项异性零折射率器件是利用新型人工电磁材料的等效电磁参数（相对磁导率或相对介电常数）随频率的变化由负值连续变化为正值，在负值与正值之间存在某一频段的等效电磁参数为零或近似为零的特点，实现新型人工电磁材料在该频段内折射率为零的特性，可用于提高天线辐射方向性。但是，这种零折射率器件灵活性较差，器件加工完成后其工作状态将不能改变。微波段有源器件，如PIN二极管，可以通过外加偏置电压改变其工作状态，可以与各向异性零折射率器件结合，实现零折射率器件工作状态的改变，在雷达罩及智能器件方面具有广阔的应用前景，所以本发明具有很高的工程应用价值。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于新型人工电磁材料的开关可控的各向异性零折射率器件。这种新型人工电磁器件可以在一定频带内对零折射率器件进行开关控制，具体表现为该器件在各向异性零折射率器件和自由空间两种物质状态间自由切换。开关可控的的微波零折射率器件由有源新型人工电磁器件单元组成，具有易于加工、使用简单、成本低、重量轻，灵活性高等特点，可用于雷达罩，智能器件等方面,具有很高的实用价值。 

技术方案：本发明为解决实现上述目的，本发明在无源单元，即电场耦合电容电感谐振单元基础上加入有源器件（PIN二极管）。通过改变PIN二极管的偏置电 压，可以内改变零折射率器件谐振单元的工作频率,继而实现零折射率器件的开关调控。采取的技术方案为： 

本发明是一种开关可控的各向异性零折射率器件，该开关可控各向异性零折射率器件由亚波长尺度上的多个谐振单元两两镜像对称规则排列构成，所述谐振单元包括在介质基板上表面设有开口谐振环结构，用PIN二极管焊接所述开口谐振环上部开口两端，所述介质基板下表面设有两个金属条带以作为直流馈电线，在所述介质基板内部具有两个金属化通孔，连接直流馈电线与PIN二极管的正负极；所述介质基板下表面的馈电网络分为正、负两部分，分别连接所有PIN二极管的负极和正极，对介质基板上表面的所有PIN二极管施加0V和0.9V偏置电压，以改变PIN二极管的截止和导通，从而改变谐振单元的谐振频率，当PIN二极管处于截止状态时，器件表现为各向异性零折射率器件，当PIN二极管处于导通状态时，器件近似表现为自由空间，达到零折射率器件的开关可控效果。 

所述的开关可控各向异性零折射率器件近似阻抗匹配。 

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势： 

1.本发明制作简单，加工方便。利用现有的PCB加工技术加上目前市场上可以购买的贴片式微波段PIN二极管即可以完成对本产品的加工。 

2.本发明具有开关可控特性，在给定频带内可以调节谐振单元的工作频率，且调节方式十分方便（改变偏置电压即可）。 

3.本发明同时具备便携、重量轻、灵活度高等优点。 

附图说明

图1是开关可控零折射率器件结构单元正视图， 

图2是开关可控零折射率器件结构单元背视图， 

图3是构成开关可控零折射率器件样品的其中一个板层正视图， 

图4是构成开关可控零折射率器件样品的其中一个板层背视图， 

图5是所设计器件加载PIN二极管及未加载PIN二极管的透射系数 

图6是当PIN二极管分别工作于截止及导通状态时所提取出器件的相对电磁参数及相对波阻抗，图（a）,图(c)PIN二极管工作于截止状态所提取的相对磁导率，相对介电常数及相对波阻抗示意图；图（b）、图（d）是PIN二极管工作于导通状态所提取的相对磁导率，相对介电常数及相对波阻抗示意图。 

图7是TE极化柱面波通过开关可控零折射率器件后的电场强度分布仿真效果 图。图（a)PIN二极管处于截止状态的仿真效果图；图（b）PIN二极管处于导通状态的仿真效果图。