一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面

本发明属于电磁功能材料、电磁兼容、电磁屏蔽及可编程超表面，具体涉及一种具有动态吸波调控功能的宽带可重构超表面单元及由其构成的曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面。

背景技术：

1、随着雷达探测、无线通信、电子对抗和高集成电子设备的发展，宽带电磁吸收、电磁屏蔽和散射调控技术在电磁兼容防护、目标隐身和复杂电磁环境调控中具有重要应用价值。传统吸波材料通常依靠介质损耗、磁损耗或多层阻抗匹配结构实现电磁波吸收，其电磁响应在加工完成后基本固定，难以根据实际应用需求进行动态调节。同时，为获得较宽的吸波带宽，传统吸波结构往往需要较大的厚度或复杂的多层结构，不利于轻量化、低剖面和曲面适形应用。超表面由亚波长人工单元周期或非周期排布构成，能够通过调控单元的等效电磁参数实现对入射电磁波幅度、相位、极化和传播方向的调控。基于金属谐振图案、介质间隔层和金属接地层的反射型吸波超表面具有低剖面和易集成等优点，已被用于宽带吸波和雷达散射截面缩减等场景。然而，现有可重构吸波超表面仍存在宽带动态调制能力不足、偏置结构复杂、对曲面载体适应性较差等问题。部分结构只能在窄带或有限频点实现吸波状态切换，难以在宽频范围内获得较大的反射幅度调制深度；部分结构需要复杂的偏置网络或多层金属图案，不利于加工和阵列扩展；当超表面安装于曲面载体时，弯曲变形还可能改变单元谐振特性和阵列耦合关系，导致吸波性能下降。因此，亟需一种结构简单、易于偏置控制、适于曲面共形安装且能够在宽频范围内实现显著动态吸波调控的宽带可重构超表面单元及超表面阵列。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，以解决现有电磁吸收结构功能状态固定、动态调节能力不足以及曲面部署适应性不足的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有动态吸波调控功能的宽带可重构超表面单元，所述超表面单元包括自上而下的金属谐振层、顶层介质基板、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫间隔层以及金属接地层；所述金属谐振层包括对称设置的金属谐振图案、加载于所述金属谐振图案上的 pin 二极管；通过控制所述 pin 二极管的偏置状态，改变所述金属谐振图案的等效电流路径和等效阻抗，从而调节所述超表面单元的反射幅度、反射相位和吸波特性。

3、进一步地，金属谐振图案包括整体连通的面具型金属主体结构以及与面具型金属主体结构电连接的偏置馈电线；面具型金属主体结构呈对称分布，包括左侧图案部和右侧图案部，中间存在带状间隙；两侧图案部内分别设置有开口区域，用于增加所述面具型金属主体结构中的等效电流路径，并形成多个耦合谐振模式，从而扩展所述超表面单元的工作带宽。

4、进一步地，所述 pin 二极管设置于金属谐振图案带状间隙处，通过偏置馈电线在pin 二极管上施加直流偏置电压，改变所述 pin 二极管的等效阻抗，从而改变所述面具型金属主体结构的局部电流分布、等效电流路径和等效表面阻抗；所述偏置馈电线的线宽远小于所述金属谐振图案中主体结构的线宽，以降低偏置馈电结构对射频电磁响应的影响。

5、进一步地，所述顶层介质基板用于承载所述金属谐振层，并为所述金属谐振层、pin 二极管和偏置馈电线提供机械支撑。顶层介质基板为低损耗微波介质基板，其相对介电常数为 2.65。所述顶层介质基板与所述金属谐振层共同影响所述超表面单元的表面电流分布和等效谐振特性。

6、进一步地，所述泡沫间隔层设置于所述顶层介质基板和所述金属接地层之间，用于调节所述金属谐振层与金属接地层之间的电磁耦合强度，并增大所述超表面单元的等效电磁厚度。泡沫间隔层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫间隔层，其相对介电常数为 1.05。泡沫间隔层具有低介电常数、低密度和易成型特性，有利于降低结构重量、减小介质损耗，并提升所述超表面单元在曲面适形构型下的结构稳定性。

7、进一步地，所述顶层介质基板、泡沫间隔层和金属接地层构成可弯曲层叠结构，使所述超表面单元能够适配平面载体、柱面载体或曲面载体。多个宽带可重构超表面单元可按照二维周期阵列方式排布，并共形设置于曲面载体上，形成中心角为30°的曲面构型，从而形成宽带可重构超表面。宽带可重构超表面单元中的 pin 二极管可分别与偏置控制电路连接，所述偏置控制电路用于独立控制、分组控制或整体控制所述多个宽带可重构超表面单元的偏置状态，从而形成不同的空间编码分布，实现动态吸波调控、波束调控或反射相位编码调控。

8、有益效果：

9、本发明在5.5ghz至13.5ghz的宽频范围内实现不低于10db的反射幅度调制深度，最大调制深度可达40db，并在中心角为30°的曲面构型下保持宽带可重构电磁响应。通过设置开口区域，能够增加面具型金属主体结构中的等效电流路径，形成多个耦合谐振模式，从而扩展超表面单元的工作带宽。偏置馈电线的线宽远小于金属主体结构的线宽，能够降低偏置馈电结构对射频电磁响应的影响。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫间隔层具有低介电常数、低密度和易成型特性，有利于降低结构重量、减小介质损耗，并提升超表面单元在曲面适形构型下的结构稳定性。连续金属接地层能够抑制透射，使电磁吸收单元的吸收率主要由反射系数决定，可通过调节偏置状态改变反射系数，实现吸收强度的动态调控。综上，本发明解决了现有可重构吸波超表面宽带动态调制能力不足、偏置结构复杂、对曲面载体适应性较差的问题。

1.一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，包括多个周期排布的电磁吸收单元；

2.根据权利要求1所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，所述泡沫间隔层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫间隔层，所述泡沫间隔层的相对介电常数低于所述顶层介质基板的相对介电常数。

3.根据权利要求1所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，所述连续金属接地层为连续金属地板，所述连续金属接地层与所述顶层介质基板上的金属谐振图案共同构成反射型电磁吸收结构。

4.根据权利要求1所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，所述面具型对称金属主体结构包括左侧图案部和右侧图案部，所述左侧图案部与所述右侧图案部之间设有带状间隙，所述pin二极管设置于所述带状间隙内；所述左侧图案部内和所述右侧图案部内分别设有开口区域。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，还包括偏置控制电路，所述偏置控制电路通过所述细偏置馈电线与所述pin二极管电连接，用于向所述pin二极管施加直流偏置电压。

6.根据权利要求5所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，所述偏置控制电路被配置为独立控制单个电磁吸收单元中的pin二极管偏置状态，或者分组控制多个电磁吸收单元中的pin二极管偏置状态，或者整体控制所有电磁吸收单元中的pin二极管偏置状态。

7.根据权利要求1所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，所述顶层介质基板、泡沫间隔层和连续金属接地层构成柔性可弯曲层叠结构，所述超表面用于适配平面载体、柱面载体或曲面载体。

8.根据权利要求7所述的一种曲面适形的宽带可编程电磁吸收超表面，其特征在于，多个所述电磁吸收单元按二维周期阵列排布并共形设置于所述曲面载体上，且所述阵列被弯曲形成中心角为30°的曲面构型。