[发明专利]一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面

说明书

本发明公开了一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，包括亚波长吸波单元阵列和位于亚波长吸波单元阵列中心的非线性感应控制模块，所述亚波长吸波单元阵列由多个加载PIN二极管的亚波长吸波单元呈周期排列而成；所述非线性吸波超表面的吸波效率随入射波在表面上功率密度的变化而变化，功率密度越大，吸波效率越高；所述非线性吸波超表面具有极薄的厚度和较宽的工作频带，在入射波的任意极化状态和大角度入射条件下均表现出非线性吸波超表面随入射波强度变化的吸波特性。因而能够用于减小强电磁波对敏感电子设备的电磁干扰，而不影响对这些设备有用的小信号的传播。

技术领域

本发明涉及一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面设计技术，可用于减小强电磁波对敏感电子设备的无线信号干扰，而不影响对这些设备有用的小信号的传播，属于新型人工电磁表面技术领域。

背景技术

如今，无线电技术的广泛应用对社会、经济、军事的发展注入了强劲动力。然而，无线电发射机数量日益增多，不同设备在有限空间中的分布愈加紧凑，导致设备间的电磁干扰越来越严重。特别是来自雷达发射机、广播发射站等设备的高功率微波信号对邻近小功率无线电接收机的正常工作产生了极大的影响。常用的微波吸波材料是可选方案之一，但它们在吸收高强度微波信号的同时也对有用的小信号呈现强衰减作用，会不可避免地影响低功率设备的正常工作。如何在不影响有用小信号传输的同时减小高强度微波的干扰是当前无线电技术发展中所面临的难题。因此，具有强度依赖特性的非线性吸波材料开始受到关注。与吸波效率固定的普通吸波材料不同，这种非线性材料的吸波效率随入射波强度的增大而增强，因此可以对强电磁波呈现高吸收性能，而几乎不影响小信号。

为了获得对空间电磁波的高吸波效率，吸波材料的输入阻抗需要与自由空间的特征阻抗匹配，才能使能量进入材料内部被吸收，而不会被反射。尽管目前已有基于各类材料和原理的吸波材料，例如尖劈泡沫、索尔兹伯里屏、铁氧体、碳纤维、超材料、石墨烯等，也有基于电磁超表面技术的超薄可调谐吸波材料，但这些材料的输入阻抗都不随入射波强度变化，因而不具备非线性吸波能力。在此之前，已有针对电磁表面波的非线性吸波材料的研究。表面波是一种特殊的电磁波传输模式，存在于两种不同材料的分界面上，例如金属-空气分界面。但对于更加普遍存在的空间电磁波，还未见非线性吸波材料的报道。

发明内容

本发明正是在现有背景下，提供了一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，能够用于减小强电磁波对敏感电子设备的电磁干扰，而不影响对这些设备有用的小信号的传播。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种针对空间电磁波的非线性吸波超表面，包括亚波长吸波单元阵列和位于亚波长吸波单元阵列中心的非线性感应控制模块，所述亚波长吸波单元阵列由多个加载PIN二极管的亚波长吸波单元呈周期排列而成；所述非线性吸波超表面的吸波效率随入射波在表面上功率密度的变化而变化，功率密度越大，吸波效率越高；所述非线性吸波超表面具有极薄的厚度（厚度小于0.08λ₀，λ₀为超表面工作中心频率所对应的自由空间波长）和较宽的工作频带（非线性吸波效率范围在30%~70%所对应的相对频带宽度大于10%），在入射波的任意极化状态和大角度入射条件下均表现出非线性吸波超表面随入射波强度变化的吸波特性。

作为本发明的一种改进，所述亚波长吸波单元为印刷电路板结构，包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、介质层、第二金属层、空气层和第三金属层。

所述亚波长吸波单元的第一金属层包括位于亚波长吸波单元中间的正方形贴片、位于亚波长吸波单元边沿的方形环贴片导线以及所述正方形贴片与方形环贴片导线之间的矩形贴片和PIN二极管；所述第二金属层包含一个十字贴片导线；所述第三金属层为全金属覆盖；所述介质层的中心处有一个竖直金属通孔，用于将所述第一层金属的正方形贴片与第二金属层的十字贴片导线连接在一起。所述PIN二极管与矩形贴片在x方向和y方向各有两对；每一个PIN二极管的阳极位于所述第一层金属的正方形贴片上；所述亚波长吸波单元以x轴和y轴对称，对x极化电磁波和y极化电磁波的吸波效率均受到PIN二极管的等效电阻调控。