本发明属于半导体
技术领域：
，涉及一种基于可调反射材料加载可调半导体器件。
背景技术：
：风电场会产生强烈的多普勒杂波和电磁阴影，干扰雷达系统工作，导致飞机和恶劣天气的误报或漏报。一方面，风电场的风轮机对航管雷达的二次信号而言是一种强散射体，其产生的多普勒杂波与电磁阴影，会对飞机的安全飞行造成威胁；另一方面，风电场的杂波与电磁对气象观测雷达也会产生影响，造成误报。针对上述情况，此前国内外也有大量评估与方法用以解决以上问题，但无法根本区分期望目标与风电场干扰。本文对风电场电磁散射问题提出了一种新型解决方式，旨在从根本解决风电场对雷达干扰问题，有利于降低风电场产生的多普勒杂波，大大改善风电场对航管雷达以及气象雷达方面的影响。当前解决雷达风电场干扰问题，主要有风轮机设计和雷达设置信号处理两类方法。在不影响风电场发电性能的基础上，风轮机有三种改进措施。第一种改进措施是通过修改风轮机物理结构，来降低风轮机雷达散射截面积(rcs)；第二种改进措施是通过改变风电场布局，使其位于雷达视线范围之外，来减小风电场对雷达系统的影响；第三种改进措施是通过增加风电场中风轮机之间的距离，从而使风轮机位于不同的距离单元，有助于检测位于风电场范围内风轮机之间的飞机目标。显然，以上三种方法是在不影响风电场发电性能的基础上进行的，否则将不利于风能的有效利用，造成大量风能的损失。同时，改变风电场的布局或增加风电机组之间的距离，要根据风电场周围的地形情况而定。除此之外还有一种采用吸波涂料来减小风轮机rcs，进而减小风轮机产生的杂波的方式。隐形技术是在风轮机表面增加吸波涂层，来减小雷达电磁波在风轮机表面上的反射。考虑到空气动力学的相关因素，叶片形状设计相对复杂，其材料多为玻璃纤维等复合材料，在叶片表面或内部会有金属该材料是为了防止雷击而设计的。一般来说，长度为40米的叶片，通过吸波材料可以降低15～20db的rcs。不同的叶片结构，吸波材料的效果是不同的。因此，吸波材料的效果并不稳定和通用。这种做法无形中增加了风轮机的重量和成本。总体而言，与风轮机设计相关的杂波抑制技术，需要改变其设计结构、风电场中风轮机布局等，在一定程度上会降低风能利用率，依赖于地理环境，增加成本。与雷达设备相关的干扰抑制技术主要包括采用并行高低波束配置、增设补盲雷达、自适应波束扫描等检测后杂波抑制技术。对于检测前和检测过程中的风电场杂波抑制技术，有采用三坐标雷达、数据处理技术和雷达信号处理等相关技术。对于并行的高低波束配置，该技术以区分不同高度的风轮机和目标。雷达为了检测远距离低空目标以及近距离高空目标会配置“双束波”，并且会在预先确定的距离处进行波束转换。一般认为短时间内的大量低波束为风电场回波，而高波束为飞机回波。然而当风电场距离较远时，低空目标检测能力急剧下降并且风轮机rsc较大时，效果有限。对于增设补盲雷达，该做法采用多雷达数据融合技术，用其他雷达在风电场区域的数据代替原有雷达在风电场的数据，来填补风电场造成的雷达盲区。盲补雷达要求设计相对简单，成本较低，需要采取一些特殊的设计方案或措施来提高盲补雷达局部区域的目标探测概率。对于雷达自适应扫描，通过改变风轮机所在区域的雷达扫描方式可以限制雷达所接收的风轮机杂波能量，从而可以在数据处理过程中减少杂波信号。但是，此方法会一定程度上减小雷达的探测距离。此外，也可以采用相控阵雷达抑制风电场杂波的方法。但数据处理计算量稍大。对于采用三坐标雷达，以洛克希德·马丁公司的trs-77监视雷达系统为例，英国已将其应用于对抗东海岸风电场干扰。tps-77雷达系统具有三维分辨率，据悉其能较好地分辨风电场杂物和飞行目标，但每台2000万美元的高价限制了它的普及。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种一种基于可调反射材料加载可调半导体器件。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：平面可调反射材料由单层频率选择表面(frequencyselectivesurface，fss)和背板(perfectelectricalconductor，pec)组成；其中fss阻抗可调，实现整个反射材料的特征阻抗变换，实现对来波信号的吸收；与可调反射材料不同，fss被一组反射阵子所代替，阵列单元可以单独控制。若加载调制信号，可实现波束赋形，控制反射波方向。首先分析单个反射单元的简单模型。阵列的单个单元可以看作是有上层反射阵子与下层反射阵子所组合。反射单元受开关信号控制：在任一时刻，可以实现要么上层反射阵子反射或者下层反射阵子反射。阵列因子可以写作，e(e，t)＝eu(θ，t) el(θ，t)其中e(θ，t)表示整个反射单元在t时刻的方向图，包括下层单元反射和上层单元反射。eu(θ，t)表示所有上层单元反射集合，el(θ，t)表示所有下层单元反射的集合。eui(θ)表示第i个上层单元的方向图，eli(θ)表示第i个下层单元的方向图。exp(jai)与exp(jbi)分别表示上下层单元由于单元位置带来的相位因子，ai＝β*pi*sin(θ)bi＝β*(pi*sin(θ) d d*cos(θ))其中是传播常数，d是两层间距，pi是阵列单元的间距(一般为半个波长)。在任一时刻，上层和下层单元中，只有某一个单元在反射；换句话说，不可能出现两者都不反射或者两者全反射的状态。那么，其开关时序可以用一个周期函数来表示，其中t0是一个完整周期时间。由于开关序列是周期性的变化，那么根据傅里叶级数，任何周期性函数都可以写成其正弦函数集合的形式。那么针对iui(t)与ili(t)的第m阶傅里叶级数的系数可以如下表示。进一步可以推导为如下公式。此时，其傅里叶系数呈现为指数函数的形式，可以看作是由一个绝对值和相位值组成的加权权重。利用上述公式，整个反射阵列的反射方向图可以用傅里叶级数来表示。第m阶谐波的阵列方向图可表示为：假设eui(θ)＝eli(θ)＝1，而基础频率上的方向图只与开关时间长度有关系，本发明的有益效果在于：从可控反射阵的原理出发，借鉴vanatta反射阵的机理，提出一种新的目标分形单元回波调控方案，即对分形散射体之间加载变容管阻抗可控网络，对其回波相位和幅度实现快捷的调制，从而使散射体rcs出现剧烈变化，实现非线性调制的功能，即回波功率的扩谱效应，达到隐身的目的。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：图1为传统可调反射材料与反射阵对比；图2为单个反射单元的简单模型；图3为开关控制信号示意图；图4为8单元反射阵在周期性时序下的方向图，图4(a)为时间序列；图4(b)为方向图；图5为改进后的时序与反射方向图，图5(a)为改进时间序列；图5(b)为改进方向图；图6为单元周期性半开半关的方向图，图6(a)为半开半关下的时间序列；图6(b)为半开半关下的方向图；图7为可调半波振子的反射阵示意图；图8为8x2反射阵在理想及改进型递增时序下的方向图，图8(a)为理想及改进型递增时序；图8(b)为和8x2反射阵方向图；图9为8x2反射阵在半开半关型递增时序下的方向图，图9(a)为半开半关型递增时序；图(b)为8x2反射阵在半开半关型递增时序下的方向图；图10为四单元阵列加载与不加载阻抗可控网络的模型图；图11为理想方波调制后的反射频谱分布；图12为本发明示意图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。假设有一8单元的双层反射阵列，来波方向为法线方向。阵列单元可以在“上层反射”与“下层反射”之间进行灵活切换。两层板之间的间隔长是厚度为距离四分之一波长的自由空间。图1为传统可调反射材料与反射阵对比；图2为单个反射单元的简单模型；图3为开关控制信号示意图。图3中，1代表反射，0代表不反射。尝试了不同时间序列下的方向图，试图掌握在不同时间序列下，反射信号的变化规律。图4、图5、图6分别表示在标准递增时序、优化递增时序、半开半关递增时序下的双层反射阵列反射方向图。该方向图采用归一化处理，参考值为所有8单元全开时，整个阵列的放射功率的最大方向处的功率。由图可知，周期性的开关单元产生的谐波会将入射波反射到各个方向上，为了让反射波在来波方向上为零，需要将时间序列设置为如图6(a)所示。图4为8单元反射阵在周期性时序下的方向图，图4(a)为时间序列；图4(b)为方向图；图5为改进后的时序与反射方向图，图5(a)为改进时间序列；图5(b)为改进方向图；图6为单元周期性半开半关的方向图，图6(a)为半开半关下的时间序列；图6(b)为半开半关下的方向图。分析了开关时间与各谐波功率大小之间的关系，如图6所示。结果表明，开关时间为0.5的时候，整个反射阵的在不同谐波处的反射功率方差和最小，此时功率分部最为平均。图7为可调半波振子的反射阵示意图；图8为8x2反射阵在理想及改进型递增时序下的方向图，图8(a)为理想及改进型递增时序；图8(b)为和8x2反射阵方向图；图9为8x2反射阵在半开半关型递增时序下的方向图，图9(a)为半开半关型递增时序；图(b)为8x2反射阵在半开半关型递增时序下的方向图。为了进一步验证，我们采用了半实物级仿真验证，利用cst设计了一款基于可调半波振子的反射阵。阵列设计方面，每个单元工作可以较好的在1.1ghz-1.6ghz。由于仿真模型大小的限制，采用了2x8的单元阵列设置。在cst中，激励信号为-z方向的平面波；在1.2ghz设置了反射功率方向图监视器(monitor)读取每一个单元的反射方向图(某单元“开”，其他单元“关”)，由记录。其中介质为自由空间，层厚度为7.5cm。仿真方面，采用了前文中公式的改进型，由于本身就包含了阵列排布所产生的相位差，所以其中的阵列相位因子被省去，利用公式和cst仿真结果计算了多谐波下的2x8单元阵列的方向图。图8、图9分别表示了8x2反射阵在理想及改进型递增时序下(图8)与半开半关(图9)的方向图。其结果符合数学模型给出的结果。但是在图9的方向图中可以看到，其基础频率(fundamentalfrequency)比数学模型较高；这是因为，真实的双层反射面并不能完全实现理想的“开”(全部上层反射)与“关”(全部下层反射)。发明还对2×2的四单元矩形贴片阵列进行建模仿真，模型如图10所示。介质基板尺寸为：100mm×100mm×0.5mm。板材为fr4(εr＝4.4)。矩形贴片尺寸为：25mm×25mm×0.1mm，间距为15mm，材料为铜。图10包括未连接模型、贴片之间用导线连接模型和给贴片之间加载阻抗可控网络时的模型。在两个散射体之间接入阻抗可控网络后，通过调节控制电压即可改变网络的阻抗特性，等效于连接线长度的虚拟变化。c1和c2为隔直电容，l1和l2为射频扼流圈，r1、r2、r3、r4和r5组成分流分压电路，d1为变容二极管，以toshiba公司的变容管1sv291为例，当反偏电压从0v增大到30v时，其结电容从8.0pf减小到0.6pf。这里采用傅里叶变化分析某入射信号经过菱形结构二相调制板后的反射回波在频谱上的表现，了解频谱搬移效果。对于一个理想的方波信号，若输入信号为正弦波信号(单频)，其反射信号可以表示为：当ω＝2π·1ghz，t＝10ns时，通过快速傅里叶变换可以得到反射信号的频谱如图11所示。从反射波的频谱图可以看到入射波的频谱被调制到一系列的谐波分量上，入射频率点的频谱被大大的压缩，偶次谐波分量为0，这可以从下述该信号的频域表达式看出其中fc是入射波的频率，fs是调制方波信号的频率，fs＝10mhz。调制板在特定频点表现出理想的吸波(转移)性能，则它对时间的平均反射系数为0；对于二相调制来说应满足ρ1τ1 ρ2(t-τ1)＝0进一步演变在频率为1.5ghz时，ρ1与ρ2分别为0.28-0.73j和-0.25 0.82j，其幅值与相位如下表所示。f＝1.5ghzρ的绝对值ρ的相位2ohm(开)0.782-695000ohm(关)0.857107调整占空比，使得则可以让该频点的反射系数为0。假设入射波的频率为1.5ghz，调制波的周期为10ns，对应的调制频率为0.1ghz，此时的反射波频谱如图11所示。由图中可以得知，入射波功率由1.5ghz转移到多个谐频上，第一阶谐频与入射波频率差为调制信号频率的2倍。图12为本发明示意图。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，其特征在于：所述半导体器件由三层结构组成；
所述半导体器件第一层为加载pin二极管的谐振子阵列，各个谐振单元之间通过二极管连接；
所述半导体器件第二层为厚度为d＝50mm的隔空层，相对介电常数为1.08；
所述半导体器件第三层为与谐振阵列同样大小的铜板；
所述半导体器件上加载有pin二极管；
二极管被串联和并联在一起，由调制信号统一控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，其特征在于：所述半导体器件采用可调反射材料加载；
所述半导体器件第一层的谐振单元，采用菱形开十字槽的结构，菱形对角线长度分别为a＝71.2mm，b＝76mm，槽宽g＝1.2mm，相邻谐振单元间隔m＝1.2mm；
所述菱形的四个角上，放置有pin二极管，用于调整所述半导体器件的特征阻抗；
反射阵被放置在相对介电常数为4.4，厚度为1mm的fr-4印刷电路板上。
3.根据权利要求1所述的一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，其特征在于：所述半导体器件实现工作频点与频带可调，加载调制信号，使反射波被调制为期望信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，其特征在于：：在所述半导体器件上加载调制信号，实现波束赋形，控制反射波方向。
5.根据权利要求4所述的一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，其特征在于：所述加载调制信号的可调频率选择表面的反射方向图表示为：
基础频率上的方向图表示为：
其中e(θ，t)表示整个反射单元在t时刻的方向图，包括下层单元反射和上层单元反射；eu(θ，t)表示所有上层单元反射集合，el(θ，t)表示所有下层单元反射的集合；eui(θ)表示第i个上层单元的方向图，eli(θ)表示第i个下层单元的方向图，τioff-τion表示开关时间长度；exp(jai)与exp(jbi)分别表示上下层单元由于单元位置带来的相位因子，
ai＝β*pi*sin(θ)
bi＝β*(pi*sin(θ) d d*cos(θ))
其中是传播常数，d是两层间距，pi是阵列单元的间距，为半个波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，其特征在于：若输入到所述半导体器件的信号为正弦波信号，对于一个理想的方波信号，其反射信号表示为：
反射信号的频域表达式为：
其中fc是入射波的频率，fs是调制方波信号的频率。
技术总结本发明涉及一种一种基于可调反射材料加载可调半导体器件，属于半导体技术领域。加载调制信号，可使反射波被调制为期望信号。其中多单元可调反射阵列，其硬件结构与可调反射材料相似，都采用周期性的阵列单元；与反射材料全部单元采用统一信号调制不同，多单元反射阵列中的每一个反射单元都可以使用相控器件或开关控制，使得其拥有了与传统相控天线阵类似的波束赋形的能力。
技术研发人员：郝润哲;梁栩珩;帅辰昊;冯轶群;王昕基
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2021.05.14
技术公布日：2021.08.03
