基于有源微波器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控型智能超表面設(shè)計(jì)

賀 云，劉 佩，王克浩

(武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電子信息設(shè)備應(yīng)用到各個(gè)不同領(lǐng)域，雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的反偵測(cè)、多頻段電子信息設(shè)備的電磁兼容、電磁抗干擾等領(lǐng)域?qū)Χ囝l段電磁信號(hào)的吸收與屏蔽提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。超表面作為一種周期性陣列結(jié)構(gòu)[1]，對(duì)電磁波具有選擇透過(guò)性，這種電磁響應(yīng)特性對(duì)設(shè)計(jì)新型有源天線、可調(diào)空間電磁濾波器、智能吸波結(jié)構(gòu)等研究領(lǐng)域提供了新思路[2-4]，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。

近年來(lái)，功能可調(diào)型智能超表面的相關(guān)研究引起了電子信息領(lǐng)域極大關(guān)注[5-7]，東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)在2014年提出了可編程超表面的設(shè)計(jì)思路[8]，通過(guò)控制超表面電磁單元中的可調(diào)元件，用可編程的方式調(diào)控反射電磁波的電磁參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)通信中特定頻段電磁信號(hào)的實(shí)時(shí)精確調(diào)控[9-12]。本文基于PIN二極管這種有源微波可調(diào)器件[13]，采用激勵(lì)電壓信號(hào)加載的方式調(diào)控入射電磁信號(hào)的反射率[14]，實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)電磁波吸收性能的調(diào)控。

1 智能超表面結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的智能超表面主要用于微波頻段的電磁波信號(hào)吸收、屏蔽等，其結(jié)構(gòu)模型如圖1(a)所示分為四個(gè)部分，包括超表面周期單元、介質(zhì)襯底、介質(zhì)隔離層和金屬背板。其中，超表面周期單元是設(shè)計(jì)的核心，它由周期性排布的金屬圖案和微波元器件組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖1(b)所示金屬單元結(jié)構(gòu)間加載電阻R或PIN二極管有源微波器件，結(jié)構(gòu)單元間沿4個(gè)對(duì)稱方向加載4個(gè)器件，單元內(nèi)斜向加載2個(gè)器件，采用PCB制作工藝制備在介質(zhì)襯底表面。其中各尺寸參數(shù)為p=30 mm，a=1.8 mm，r=6 mm。介質(zhì)襯底層一般采用0.15 mm厚的FR4材料，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，介質(zhì)損耗角為0.02。介質(zhì)隔離層主要采用輕質(zhì)、高抗壓強(qiáng)度的Nomex蜂窩材料，相對(duì)介電常數(shù)為1.07，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，介質(zhì)損耗角為0.001 7，厚度d=7 mm。金屬背板是全反射金屬材料，在仿真中設(shè)置為PEC邊界條件，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以直接采用作用目標(biāo)的金屬表面作為金屬背板。

(a) 結(jié)構(gòu)模型

(b) 尺寸參數(shù)

智能超表面吸波結(jié)構(gòu)中加入PIN二極管這種有源微波器件，可以動(dòng)態(tài)調(diào)控超表面的吸波性能，克服了傳統(tǒng)吸波材料吸波性能不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，使吸波結(jié)構(gòu)面對(duì)不同頻段的電磁波信號(hào)具有更好的自主響應(yīng)能力。在仿真過(guò)程中，將R設(shè)置為可變電阻研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)理及其吸波特性。在樣品制備過(guò)程中，采用有源微波器件PIN二極管實(shí)現(xiàn)智能超表面的動(dòng)態(tài)調(diào)控特性。本研究采用反射率參數(shù)表征超表面的吸波性能，反射率越低，代表吸波性能越好，通常以反射率-10 dB以下作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 智能超表面動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)理

基于Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS(High Frequency Structure Simulator)開展超表面結(jié)構(gòu)吸波機(jī)理及其特性的探索，從影響吸波性能的主要參數(shù)和吸波結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電流及損耗分布兩個(gè)方面進(jìn)行分析闡述。

2.1 變電阻調(diào)控吸波頻段

超表面由于其獨(dú)特的形狀結(jié)構(gòu)，對(duì)電磁波信號(hào)具有選擇性，在入射電磁波激勵(lì)下，會(huì)根據(jù)電磁波頻率、極化方向的不同而等效為單個(gè)或多個(gè)電阻、電感、電容的串并聯(lián)組合形式。影響超表面結(jié)構(gòu)諧振頻率個(gè)數(shù)與位置的因素包括超表面單元形狀及周期大小、單元排列方式、介質(zhì)襯底及介質(zhì)隔離層材料特性等，但這些參數(shù)一旦設(shè)計(jì)完成將難以改變，從而導(dǎo)致超表面結(jié)構(gòu)的性能固定不變。因此，通過(guò)在超表面結(jié)構(gòu)中加載可變電阻或可變電容等微波有源器件，成為設(shè)計(jì)性能動(dòng)態(tài)可調(diào)的智能超表面的一種有效途徑。

本文提出的這種超表面吸波結(jié)構(gòu)中影響吸波性能的主要參數(shù)是單元間加載的電阻元件R。如圖2中所示，當(dāng)加載的電阻值從30 Ω增加到140 Ω時(shí)，吸收峰的頻段位置及幅值都會(huì)發(fā)生改變，超表面的吸波諧振峰從4.7 GHz附近移動(dòng)到6.5 GHz附近，對(duì)應(yīng)-10 dB以下的吸波頻段從4.4～5 GHz調(diào)節(jié)到5.3～8 GHz。仿真結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)超表面單元中加載的電阻參數(shù)R可以調(diào)控結(jié)構(gòu)的吸波工作頻段，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)吸波的效果。

圖2 電阻參數(shù)R的變化對(duì)超表面吸波性能的影響Fig.2 Change of absorption performance with different resistance

2.2 吸波結(jié)構(gòu)感應(yīng)電流及損耗分布

基于上述數(shù)據(jù)圖像結(jié)果已經(jīng)初步驗(yàn)證了電阻參數(shù)對(duì)智能超表面吸波性能調(diào)控的重要作用，下面從物理圖像的角度進(jìn)一步分析電阻參數(shù)對(duì)吸波性能的影響。圖3顯示了超表面在4.7 GHz和6.5 GHz兩個(gè)峰值頻率的感應(yīng)電流分布和能量損耗分布，采用陰影顏色及箭頭所示的矢量場(chǎng)來(lái)反映感應(yīng)電流的分布情況，采用不同陰影顏色所示的標(biāo)量場(chǎng)來(lái)表示能量損耗的大小。感應(yīng)電流分布反映了超表面吸波結(jié)構(gòu)在外加激勵(lì)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流在不同位置的強(qiáng)弱，一般產(chǎn)生于單元金屬圖案的間隙處，平行于電磁波信號(hào)的電場(chǎng)分量方向。從圖3(a)和(c)可以看出，感應(yīng)電流主要分布于水平方向上的單元間隙處，在4.7 GHz處，垂直方向間隙處有一部分電流分布，在6.5 GHz處，斜45°方向間隙處有一部分電流分布。

能量損耗與感應(yīng)電流緊密相關(guān)，當(dāng)電阻器件上有強(qiáng)感應(yīng)電流通過(guò)時(shí)，在電阻器件上就會(huì)產(chǎn)生熱能，而這些熱能的產(chǎn)生實(shí)際上是由電磁波能量轉(zhuǎn)換而來(lái)。因此，電阻器件上熱能的產(chǎn)生就達(dá)到了損耗電磁波能量的目的，實(shí)現(xiàn)了吸波的效果，所以從圖3(b)和(d)可以看到，能量損耗主要集中在有感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)的電阻附近。

圖3 超表面在兩個(gè)不同峰值頻率的感應(yīng)電流分布和能量損耗分布

通過(guò)分析超表面的物理圖像，可以更直觀地了解吸波機(jī)理，判斷電磁波損耗的主要部位或器件，也為吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及器件的加載提供了指導(dǎo)方向。在可調(diào)工作頻帶，調(diào)節(jié)吸波結(jié)構(gòu)加載電阻值的大小，會(huì)影響吸波結(jié)構(gòu)的工作特性，加載電阻作為能量損耗元件，并調(diào)控合適的阻值大小，有利于吸波結(jié)構(gòu)感應(yīng)電流能量的轉(zhuǎn)化吸收。

3 智能超表面吸波特性

基于上述吸波調(diào)控機(jī)理的分析，進(jìn)一步研究智能超表面吸波結(jié)構(gòu)的吸波特性，主要從吸波性能的極化穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)可調(diào)性兩方面研究探索。

3.1 吸波性能的極化穩(wěn)定性

超表面上的感應(yīng)電流通常與入射電磁波的電場(chǎng)分量方向平行，沿該方向上加載的電阻器件才能具有能量轉(zhuǎn)化吸收的效果。對(duì)于未知的入射電磁波，極化方向未知，其電場(chǎng)方向無(wú)法知曉，可能平行于XY平面的任意方向，這給電阻器件的加載帶來(lái)了不確定性。但是任意方向的電場(chǎng)總可以分解為沿X軸和Y軸兩個(gè)分量，因此，只要在X軸和Y軸兩個(gè)方向上對(duì)稱加載電阻，就可以實(shí)現(xiàn)超表面吸波性能的極化穩(wěn)定性。圖4(a)顯示了超表面吸波結(jié)構(gòu)在阻值140 Ω狀態(tài)下的極化穩(wěn)定性，TE和TM兩種極化方式下，電場(chǎng)方向分布沿X軸和Y軸方向，但是結(jié)構(gòu)的吸波性能基本保持一致。

另一個(gè)可能影響極化穩(wěn)定性的因素就是斜45°方向上加載的電阻器件，在實(shí)際的超表面周期單元陣列連接過(guò)程中,該電阻既可能沿左斜向也可能沿右斜向，但是通過(guò)圖4(b)的能量損耗分布可以看出，兩種加載方式的能量損耗基本對(duì)稱一致，因此其吸波性能也基本保持一致。

(a) TE和TM兩種極化方式下的吸波性能對(duì)比

(b) 左、右斜向45°器件加載時(shí)的能量損耗分布

3.2 吸波性能的動(dòng)態(tài)可調(diào)性

仿真調(diào)控加載電阻R參數(shù)值，得到圖5所示的智能超表面動(dòng)態(tài)可調(diào)吸波性能。隨著電阻值從30 Ω逐漸增加到140 Ω，智能超表面的吸收峰位置、工作頻段和吸波幅值都可以動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)超表面的寬帶強(qiáng)吸收吸波效果，整體吸波性能可以實(shí)現(xiàn)在4.4～8.2 GHz時(shí)，反射率-10 dB以下；5.8～7.5 GHz時(shí)反射率-20 dB以下。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用PIN二極管實(shí)現(xiàn)變電阻的調(diào)控作用，從而實(shí)現(xiàn)智能超表面的動(dòng)態(tài)吸波性能。

圖5 智能超表面的動(dòng)態(tài)可調(diào)吸波性能Fig.5 Adjustable simulated reflectivity of the smart metasurface

4 智能超表面制備及智能調(diào)控特性實(shí)現(xiàn)

基于上述理論分析及設(shè)計(jì)，開展了智能超表面實(shí)驗(yàn)樣品的制備及其吸波性能的測(cè)試工作，論證研究思路和方案的可行性。圖6(a)所示的實(shí)物樣品尺寸為192 mm×192 mm，基本金屬單元采用PCB工藝制備而成，設(shè)計(jì)方案中電阻的位置焊接PIN二極管。PIN二極管是一種等效電阻可調(diào)型有源微波器件，其等效電阻值與流經(jīng)PIN二極管的電流值成反比例關(guān)系，電流值越大，等效電阻越小。因此，通過(guò)給超表面周期陣列加載電壓信號(hào)可以調(diào)控流經(jīng)PIN二極管的電流值大小，從而到達(dá)調(diào)控其等效電阻值的目的，實(shí)現(xiàn)智能超表面吸波性能動(dòng)態(tài)調(diào)控的效果。

本研究采用弓形法對(duì)智能超表面樣品進(jìn)行了吸波性能測(cè)試[15]，其測(cè)試結(jié)果如圖6(b)所示，通過(guò)4個(gè)不同電壓狀態(tài)的調(diào)節(jié)，超表面的吸波性能可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，-10 dB以下的吸波性能覆蓋4～10 GHz頻段。雖然測(cè)試與仿真結(jié)果有一些差異性，但是總體性能規(guī)律基本吻合。15.5 V激勵(lì)電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的PIN二極管等效電阻值小，主要在低頻段起到吸波效果。10 V激勵(lì)電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的PIN二極管等效電阻大，主要在高頻段起到吸波效果。這種仿測(cè)差異性主要是由于PIN二極管的寄生參數(shù)和樣品的制備工藝誤差以及有限尺寸樣品的邊界效應(yīng)帶來(lái)的。實(shí)物樣品的制備及其測(cè)試結(jié)果依然很好地驗(yàn)證了基于有源微波器件加載的智能超表面具有動(dòng)態(tài)可調(diào)的吸波效果。

(a) 實(shí)物樣品

(b) 吸波性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

智能超表面由于其獨(dú)特的可重構(gòu)性，是一種很有潛力的技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景與研究?jī)r(jià)值。基于有源微波器件PIN二極管加載的可調(diào)控型超表面可以實(shí)現(xiàn)入射電磁信號(hào)的反射率調(diào)控，對(duì)于電磁信號(hào)的寬頻帶吸波性能具有很好的提升，變?nèi)荻O管等其他有源微波器件也可以在智能超表面的低頻性能調(diào)控方面發(fā)揮重要作用。未來(lái)隨著移動(dòng)通信及其他領(lǐng)域的需求越來(lái)越高，伴隨著調(diào)控技術(shù)和手段的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，多種類型調(diào)控元件的綜合運(yùn)用也必將成為智能超表面研究領(lǐng)域的趨勢(shì)。