CN103943968B - 利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层。由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元周期排列而成，每个次波长谐振单元包括依次叠加组成的第一金属铜片、第一介质板、第二金属铜片、第二介质板和第三金属铜片，第一、第二金属铜片均呈十字形，第一金属铜片中间开槽处的两片分片之间连接有集总电阻，第一、第二介质板相同，第三金属铜片为具有双环开口结构的磁谐振金属铜片，第三金属铜片的内环开口处连接有源负阻器件或具有负阻特性的有源电路。本发明厚度薄、质量轻、能在任意入射角度实现电磁波的完美匹配吸收，可广泛应用于物体隐身、天线隔离以及电磁屏蔽等各种军事、民用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁波的吸收层，特别是涉及一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层。
背景技术
电磁波吸收材料，简称吸波材料，是一种能有效吸收入射雷达波，并使其散射大幅度衰减的功能符合材料。新一代吸波材料要求衰减能力强、吸收频带宽、质轻、红外和微波吸收兼容以及综合力学性能优良，其中吸波材料的主要应用领域为军事领域。
军事隐身领域是吸波材料一个重要的应用领域。随着军事高新技术的飞速发展，世界各国的防御体系的探测跟踪、攻击能力越来越强。陆、海、空各兵种地面军事目标的生存能力以及武器***的突防能力日益受到严重威胁，为此，必将大力发展隐身技术。隐身技术分为外隐形和材料隐身两个方面，其中材料隐形就是指在军事目标上大量使用吸波材料来衰减入射雷达波，减小雷达散射截面，也就是雷达隐身技术。雷达隐身技术是现代电子战的一项重要内容，其中雷达隐身材料是应用最广泛的一种方法。雷达吸波材料能有效吸收入射电磁波，并将其能量转化成热量而损耗掉，可以减小电磁波反射能量，已经广泛应用于飞行器隐身及电子设备抗干扰。这必将促进吸波材料的应用和发展。目前，吸波材料已广泛应用在飞机隐身舰船隐身、飞行导弹隐身以及坦克隐身等领域。
从工程应用角度来看，吸波材料应具有厚度薄、重量轻、吸收频带宽、易于施工和价格便宜等特点，所以实现超薄吸波材料一直是国内外学者的研究目标。为了获得性能优异的吸波材料，世界各国都在致力于开发新型吸波机制的吸波材料。国外学者提出采用光子晶体实现超薄吸波结构，N.Engheta首次提出用metamaterial来获得超薄吸收材料的思想。J，D.J.Kern等人用含损耗的频率选择表面实现了超薄宽带吸收材料，但上述设计只适用于垂直入射条件，对于大角度斜入射的电磁波吸收能力会急剧降低。
在计算电磁学领域，科学家们从数值上定义了一种单轴完美匹配层媒质，它可以实现任意入射角度电磁波的完美匹配吸收。但这种媒质对应的两个电磁参数需严格符合下列参数形式ε＝μ＝diag(a,a,1/a)，ε为材料的相对介电常数，μ为材料的相对磁导率，a为具有正虚部的复数。由于其参数形式中需要具有负虚部的电磁参数，因此自然界中不可能存在，国际上也还未成功制造出满足上述形式的等效媒质。但这种理想媒质为电磁波完美吸收材料的设计提供了的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层，可完美吸收任意入射角度电磁波。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的吸波层由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元周期排列而成，每个次波长谐振单元包括依次叠加组成的第一金属铜片、第一介质板、第二金属铜片、第二介质板和第三金属铜片，第一金属铜片和第二金属铜片均呈十字形，第一金属铜片中间开槽将第一金属铜片分为呈L形的两个分片，开槽处的两片分片之间连接有集总电阻，第一介质板和第二介质板相同，第三金属铜片为具有双环开口结构的磁谐振金属铜片，第三金属铜片的内环开口处连接有源负阻器件或者具有负阻特性的有源电路。
所述的第一介质板和第二介质板各采用FR4介质板、PCB电路板或者罗杰斯电路板。
所述的第一介质板和第二介质板的厚度小于1/40工作波长。
所述的具有负阻特性的有源电路为Non-foster电路。
上述方案只不过是利用次波长谐振单元及有源电路构成完美匹配吸波层的一个例子，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例.
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
本发明设计厚度薄，质量轻。
本发明吸波能量强，能实现任意入射角下电磁波的完美匹配吸收，目前国际上无论在实验研究还是应用领域均未出现这种理想吸波材料。
本发明可广泛用于飞机、舰艇、雷达及坦克隐身等各种军事领域以及电磁屏蔽，电磁防护等民用领域。
附图说明
图1是本发明次波长谐振单元分层示意图。
图2是本发明次波长谐振单元前三层的结构示意图。
图3是本发明次波长谐振单元后两层的结构示意图。
图中：1、第一金属铜片，2、第一介质板，3、第二金属铜片，4、第二介质板，5、第三金属铜片，6、集总电阻，7、有源负阻器件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的吸波层由单元尺寸小于1/4工作波长的方形的次波长谐振单元周期排列而成，即沿纵向和横向紧密阵列延伸，每个次波长谐振单元包括依次叠加组成的第一金属铜片1、第一介质板2、第二金属铜片3、第二介质板4和第三金属铜片5，第一金属铜片1和第二金属铜片3均呈十字形，如图2所示，第一金属铜片1中间开槽将第一金属铜片1分为呈L形的两个分片，开槽处的两片金属铜片分片之间连接有集总电阻6，第一介质板2和第二介质板4相同，第三金属铜片5为具有双环开口结构的磁谐振金属铜片，第三金属铜片5的内环开口处连接有源负阻器件7或者具有负阻特性的有源电路。
第一介质板2和第二介质板4各采用FR4介质板、PCB电路板或者罗杰斯电路板。
第一介质板2和第二介质板4的厚度小于1/40工作波长。
上述具有负阻特性的有源电路为Non-foster电路。
本发明以计算电磁学领域的单轴全匹配层(Uniaxial Perfect matched layer)的本构电磁参数张量ε＝μ＝diag(a,a,1/a)为指导，构造出对任意角度入射的垂直电场极化电磁波(TE波)完美吸收的完美匹配吸波层，其本构电磁参数满足εx＝μy＝1/μz＝a，其中ε为材料的相对介电常数，μ为材料的相对磁导率，a为具有正虚部的复数，εx为本发明如图中x方向的相对介电常数，μy为本发明图中y方向的相对磁导率，μz为本发明图中z方向的相对磁导率。
本发明利用电磁波在次波长谐振单元内产生的电谐振和磁谐振，通过在谐振结构上焊接集总电阻的方式引入损耗，适当调整次波长谐振单元的形状和尺寸，使谐振时入射的电磁波能量完全在集总电阻上消耗。同时通过引入具有等效负阻特性的有源器件，使得由上述此波长谐振单元构成的等效媒质的两个本构电磁参数满足ε＝μ＝diag(a,a,1/a)，其中具有正虚部的复数a具有很大的正虚部，1/a具有负的虚部。这样即可保证从空气中以各个角度入射的电磁波无反射地进入上述等效媒质并被快速吸收，物理上实现这种原本只能用数值定义的完美匹配层吸波材料。
下面将综合附图和实例对本发明作进一步的说明。
如图2所示，本发明前三层实现的本构电磁参数为εx＝μy＝a，其中a为带有很大正虚部的复数。入射到该结构上的电磁波，在里面产生磁谐振和电谐振，当调节第一金属铜片1的形状和集总电阻6的大小时，可以实现在某个频率该金属单元x方向的等效相对介电常数和y方向的相对磁导率满相等并且有较大的正虚部，即εx＝μy＝a。
最后一层第三金属铜片5的金属铜片结构实现的功能为使朝z方向极化的磁场产生磁谐振，通过有源负阻器件提供的能量实现等效的带有负虚部的相对磁导率μz＝1/a，最终实现了对TE波的完美匹配吸收的完美匹配层，且对任意角度入射的电磁波无反射，透射的能量会通过电阻转化为热能消耗。
本发明的工作原理是：
上述次波长谐振单元的基本单元尺寸处于亚波长尺寸，因此由上述单元周期排列得到的结构可以等效为均匀媒质。当TE极化电磁波入射到上述次波长谐振单元上时，第一层的第一金属铜片与第三层的第二金属铜片一起作用会产生电谐振和磁谐振，从而得到可控的等效相对介电常数和磁导率。其相对介电常数和相对磁导率表示为：εx＝ε1+iε2和μy＝μ1+iμ2，其中ε1为该等效媒质x方向相对介电常数的实部，ε2为对应的虚部(这部分的大小决定了材料的电损耗大小，ε2越大表示材料电损耗越大)。μ1为该等效媒质y方向相对磁导率的实部，μ2为对应的虚部(这部分的大小决定了材料的磁损耗大小，μ2越大表示材料磁损耗越大)。该等效均匀媒质为色散介质，即相对介电常数和相对磁导率都会随着频率的变化而变化，因此适当改变第一金属铜片的的长度、宽度、开槽缝隙的宽度以及焊接在开槽缝隙处的集总电阻6阻值的大小，可以使该介质的介质参数在某个频率上得到εx＝μy，即相对介电常数的实部与相对磁导率的实部相等，相对介电常数的虚部与相对磁导率的虚部相等，这样就实现了垂直入射条件下与空气的阻抗完全匹配。同时由于虚部ε2和μ2的存在，使得该等效媒质有很大的损耗。
当TE极化电磁波斜入射到上述等效媒质表面时，会落在z方向极化的磁场。该z方向极化的磁场分量垂直次波长谐振单元，磁场线会穿过第五层的环状开口磁谐振结构产生另一个磁谐振，该磁谐振结合有源负阻器件可以产生等效的相对磁导率μz，适当调整其结构以及负阻器件的偏置电压可以使得其满足μz＝1/μy，这样就可以实现本构参数张量符合单轴完美匹配层模型，达到任意入射角度电磁波的完美匹配吸收。
本次波长谐振单元的实例如图1所示：
基本单元结构的长度和宽度均为30mm，共有五层材料组成。其中第一层为开槽片状十字形金属铜片1，金属铜片的厚度为0.035mm，宽度为2.2mm，长度为29mm，中间开槽部分宽度为2mm。第二层和第四层为介质板，厚度均为2mm，相对介电常数为4.5。第三层片状十字形金属铜片4的厚度为0.035mm，宽度为13mm，长度为30mm。第五层金属双环开口磁谐振金属铜片结构5的臂宽以及臂与臂之间的缝宽均为2mm。在垂直入射条件下，经仿真得到的最高吸收效率为99.9999％，经实验得到的最高吸收效率达到99.97％。
实例中，第一介质板2和第二介质板4均采用FR4印刷电路板，第三金属铜片5的内环开口处连接的有源负阻器件7采用的是General Electric公司的TD261型隧道二极管。
本发明介绍的结构工作频率为2GHz，即工作波长为150mm，而本材料的厚度不到5mm，即仅相当于工作波长的三十分之一的厚度。本发明的工作频率为2GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整次波长谐振单元的尺寸以及电阻值的大小。
以上所述，仅是本发明的在2GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1. 一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层，其特征在于：该吸波层由单元尺寸小于1/4工作波长的方形次波长谐振单元周期排列而成，每个次波长谐振单元包括依次叠加组成的第一金属铜片（1）、第一介质板（2）、第二金属铜片（3）、第二介质板（4）和第三金属铜片（5），第一金属铜片（1）和第二金属铜片（3）均呈十字形，第一金属铜片（1）中间开槽将第一金属铜片（1）分为呈L形的两个分片，开槽处的两片分片之间连接有集总电阻（6），第一介质板（2）和第二介质板（4）相同，第三金属铜片（5）为具有双环开口结构的磁谐振金属铜片，第三金属铜片（5）的内环开口处连接有源负阻器件（7）或者具有负阻特性的有源电路。
2. 根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层，其特征在于：所述的第一介质板（2）和第二介质板（4）各采用FR4介质板、PCB电路板或者罗杰斯电路板。
3. 根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层，其特征在于：所述的第一介质板（2）和第二介质板（4）的厚度小于1/40工作波长。
4. 根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振单元及有源电路构成的完美匹配吸波层，其特征在于：所述的具有负阻特性的有源电路为Non-foster电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160824 |