CN107257035B - 一种微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体。该超材料吸波体由顶层谐振单元、介质基底和金属底板组成，顶层谐振单元和金属底板分别贴合在介质基底的上下表面。顶层谐振单元由四个对称摆放在介质基底上下、左右四边的完全相同的多模Ω形谐振器构成，所述的多模Ω形谐振器能够在水平极化和垂直极化下表现出多个不同的吸收峰。本发明提供的超材料吸波体具有高吸波率，极化不敏感特性，并且有六个吸波峰值点，具有很高的工程应用价值。

Description

一种微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体

技术领域

本发明涉及超材料吸波体，尤其涉及一种六带超材料吸波体，属于人工电磁材料领域。

背景技术

人工电磁超材料是一种新型人工复合材料，它具有负等效磁导率和负等效介电常数的超常物理特性。利用这种物理特性，可以设计结构尺寸远远小于工作波长的器件。相比于普通介质材料，这种材料具有厚度薄、尺寸小、易于集成的特点。

2008年，Landy等人首次将人工电磁超材料引入到吸波体领域，并在单个频点处实现了电磁波的完美吸收。这种基于人工电磁超材料制作的吸波体(即超材料吸波体)突破了传统吸波器四分之一波长厚度的限制，且能够达到近乎完美的吸收率，具有传统吸波器无法比拟的优点。为吸波器的设计提供了一种新的设计方法，对实现吸波体“薄、轻、宽、强”的发展目标具有极大的推动作用。其结构尺寸小、厚度薄、高吸收、易于集成的特点，在军事、通信、传感、电磁兼容等方面具有广泛的应用前景。

随着现代技术的快速发展，电磁环境愈来愈复杂，单一频带的电磁吸波体已不能满足***抗干扰的要求。因此，如何实现多频带的电磁吸收，减少对***的干扰，是一个亟待解决的问题。本发明提出的超材料吸波体在2-17GHz内实现了多达六频带的高效吸收，而且还具有极化不敏感特性，因此具有很高的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统超材料吸波体吸收频带少，吸收效率低，并对入射电磁波极化方向敏感的问题，提供一种基于多模谐振器的工作于微波波段的具有极化不敏感特性的六频带超材料吸波体。

为解决上述问题，本发明所设计的一种微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，包括至少100个呈周期性排列的正方形吸波单元，吸波单元为顶层谐振单元、介质基底、金属底板组成的“三明治”结构。顶层谐振单元与介质基底的上表面相贴，金属地板与介质基底的下表面相贴。顶层谐振单元的几何中心与介质基底的几何中心重合，金属底板完全覆盖介质基底的下表面。

所述顶层谐振单元具有四个完全相同的多模Ω形谐振器，四个多模Ω形谐振器被分别放置在介质基底上表面的左、右、上、下四个方向，最好是呈镜像对称方式布置在介质基底上表面的左右和上下四边，多模Ω形谐振器两两之间存在间隙；四个多模Ω形谐振器组成的顶层谐振单元的外轮廓为正方形，并具有左右、上下和沿着对角线的对称面。多模Ω形谐振器能够在水平极化和垂直极化下表现出多个不同的吸收峰。

进一步，所述的多模Ω形谐振器2可以被看作为开口谐振环和沿着开口谐振环开口两侧横边向两侧延伸的延伸臂构成。

进一步，所述的多模Ω形谐振器两两之间存在间隙，因此多模Ω形谐振器之间的电磁响应不会相互影响，且所述开口谐振环的开口方向朝外。

进一步，所述的顶层谐振单元和金属底板的材料均为金属铜，且其厚度必须大于电磁波的趋肤厚度。

进一步的技术方案在于：所述的介质基底材料必须为有耗介质材料。

采用上述技术方案的有益效果在于：

1、超材料吸波体的顶层采用四个相同的谐振器，并使其具有水平、垂直和沿着对角线的对称面，可以使吸波体具有极化不敏感特性；

2、四个多模Ω形谐振器布置在介质基底的左右、上下四边，可以同时激发出谐振器的垂直极化响应和水平极化响应，使得吸波体具有六个吸收峰，且都具有近乎完美的吸收；

3、顶层谐振单元和金属底板的材料使用金属铜和介质基底的材料为有耗介质材料，可以使谐振单元与金属底板在电磁波的驱动下发生电磁谐振，并将电磁波耗散在有耗介质中。

4、本发明采用的多模Ω形谐振器的开口朝外，可以使得四个谐振器易于集成，减小单元面积。

附图说明

图1为本发明提出的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体的三维结构示意图；

图2(a)为本发明提出的多模Ω形谐振器结构示意图；

图2(b)为本发明提出的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体的单元结构示意图；

图2(c)为本发明提出的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体的单元结构侧视图；

图3为本发明提出的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体正入射吸收曲线图；

图4为本发明提出的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体在不同极化角度下的吸收谱图；

图中：1、吸收单元；2、多模Ω形谐振器；

1-1顶层谐振单元；1-2、介质基板；1-3、金属底板；

2-1、第一多模Ω形谐振器；2-2、第二多模Ω形谐振器；2-3、第三多模Ω形谐振器；2-4第四多模Ω形谐振器；

2A、开口谐振环；2B、延伸臂。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施方式对本发明作更加详细具体的说明。

如图1所示，本发明提出的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体由同一平面内的多个吸收单元1周期性矩阵排列组成，吸收单元1在横向和纵向上周期性延拓的重复个数相同，且重复的单元数不少于100(10×10)个，在本实施例中重复的单元数即为100(10×10)个。

吸波单元1的外轮廓为正方形，是由顶层谐振单元1-1，中间的介质基板1-2和底层的金属底板1-3组成的“三明治”结构。顶层谐振单元1-1与介质基底1-2的上表面相贴，金属地板1-3与介质基底1-2的下表面相贴。顶层谐振单元1-1的几何中心与介质基底1-2的几何中心重合，金属底板1-3完全覆盖介质基底1-2的下表面。

本实施例中，顶层谐振单元1-1由四个完全相同的多模Ω形谐振器2构成。多模Ω形谐振器2由中间的开口谐振环2A和沿开口谐振环2A的开口边向两侧延伸的延伸臂2B组成。

如图2(a)所示，多模Ω形谐振器2由三种不同线宽的线构成，其中开口两侧横边的宽度相同，两条延伸臂的线宽和开口两侧横边的线宽相同，延伸臂的长度由L和L2共同决定。其几何结构参数如表1所示。

如图3中的a部分所示，该多模Ω形谐振器2竖直放置时，在电磁波正入射的情况下，具有四个吸收峰；如图3中的b部分所示，该多模Ω形谐振器2水平放置时，在相同条件下，具有三个吸收峰。

本实施例的四个多模Ω形谐振器中，第一多模Ω形谐振器2-1与第三多模Ω形谐振器2-3镜像对称放置在介质基板1-2的左右两边，第二多模Ω形谐振器2-2与第四多模Ω形谐振器2-4镜像对称放置在介质基板1-2的上下两边。多模Ω形谐振器2两两之间存在间隙s＝0.5mm。

如图2(b)所示，最终合成的谐振单元1-1的外轮廓为正方形，其边长为L＝18mm，具有左右、上下和沿着对角线的对称面。

本实施例中，介质基底1-2采用的是环氧树脂玻璃布板，它是一种有耗介质材料，具体电磁参数为：介电常数ε_r＝4.3，磁导率μ_r＝1，损耗正切角为0.025。介质基底1-2具有两个作用：第一个作用是分离顶层谐振单元1-1和金属地板1-3，使它们能够在入射电磁波的驱动下发生电磁谐振；第二个是利用介质的耗散特性将电磁波能量转换为热能。如图2(b)和图2(c)所示，介质基底的边长为P＝20mm，厚度为h＝1mm。

本实施例中，顶层谐振单元1-1和金属底板1-3采用厚度为t＝0.035mm金属铜制作，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m。金属底板1-3覆盖在介质基底1-2的下表面，其覆盖面积与介质基底1-2的底面积相同。

本实施例所述的基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体的吸收率定义为A＝1-R-T＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²，式中R为反射率，T为透射率。反射率R定义为|S₁₁|²，透射率T定义为|S₂₁|²。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射波与透射波尽可能的小。本发明设计的吸波单元1背面为金属底板1-3，电磁波不能透过，因此吸收率计算公式可简化为A＝1-|S₁₁|²。

本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图3的c部分所示，该仿真结果由有限元法计算得到。图中，横坐标为频率，纵坐标为吸收率。从图中可以看出，在2-17GHz内存在6个明显的吸收峰。这六个吸收峰在3.95GHz，6.61GHz,9.17GHz，11.22GHz，12.59GHz，15.63GHz处的吸收率分别为97.04％，99.57％，99.54％，98.95％，99.94％和99.49％，并且平均吸收率高达99％。这说明本发明提出的吸波体在六个频点上达到了近乎完美的吸收。通过对比图3(a)、图3(b)和图3(c)吸收频点可以发现，基于四个多模Ω形谐振器的六带吸波体的吸收峰是由单个多模Ω形谐振器在水平放置时和竖直放置时吸收峰的叠加，其中第六个吸收峰(P6)是由两个吸收峰(M4和N3)叠加而成的。

本实施例在不同极化角度下的吸收谱图如图4所示。所述极化角度被定义为电场矢量与竖直方向的夹角，电磁波波矢量仍保持垂直于吸波体吸收面不变。图中，横坐标为极化角度，变化范围为0～90°；纵坐标为频率，显示范围为2-17GHz。可以看出本发明提出的吸波体在不同极化角度下具有相同的吸收响应曲线，这说明本发明提出的吸波体表现出了良好的极化不敏感特性。

可见，本发明提供的超材料吸波体具有高吸波率，极化不敏感特性，并且有六个吸波峰值点，具有很高的工程应用价值。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，所述吸波体是由吸波单元（1）在x，y方向上周期性延拓形成的阵列结构；其特征在于：所述吸波单元（1）的外轮廓为正方形，是由顶层谐振单元（1-1），中间的介质基板（1-2）和底层的金属底板1-3组成的“三明治”结构；所述顶层谐振单元（1-1）具有四个完全相同的多模Ω形谐振器（2-1，2-2，2-3，2-4），四个多模Ω形谐振器（2-1，2-2，2-3，2-4）被分别放置在介质基底（1-2）上表面的左、右、上、下四个方向，组合而成的顶层谐振单元（1）的外轮廓为正方形，顶层谐振单元（1）的中心与介质基底（1-2）的中心重合；四个多模Ω形谐振器互不接触，两两之间存在间隙；

所述多模Ω形谐振器（2）是由开口谐振环（2A）和沿着开口两侧横边向两侧延伸的延伸臂（2B）组成的结构，所述开口谐振环（2A）的开口朝外；多模Ω形谐振器（2-1）与多模Ω形谐振器（2-3）呈左右对称布置，多模Ω形谐振器（2-2）和多模Ω形谐振器（2-4）呈上下对称方式布置。

2.根据权利要求1 所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述的多模Ω形谐振器（2）竖直布置时，在电磁波正入射的情况下，具有四个吸收峰；多模Ω形谐振器（2）水平布置时，在上述相同条件下，具有三个吸收峰。

3.根据权利要求1 所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：多模Ω形谐振器（2）两两之间存在间隙s = 0.5 mm。

4.根据权利要求1-3之任一项所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述顶层谐振单元（1-1）的边长为L = 18 mm，小于介质基底（1-2）的边长，其贴合在介质基底（1-2）的上表面，且几何中心与介质基底（1-2）的几何中心重合。

5.根据权利要求1-3之任一项所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述介质基底（1-2）的材料为有耗介质材料。

6.根据权利要求1-3之任一项所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述介质基底（1-2）选用介电常数ε_r = 4.3、磁导率μ_r = 1、损耗正切角为0.025的环氧树脂玻璃布板，所述介质基底（1-2）的结构参数为：边长P = 20 mm，厚度h = 1 mm。

7.根据权利要求1-3之任一项所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述金属底板（1-3）完全贴合在介质基底（1-2）的下表面，贴合面积与介质基底（1-2）的下表面面积相等。

8.根据权利要求1-3之任一项所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述顶层谐振单元（1-1）和金属地板（1-3）的厚度必须大于电磁波的趋肤厚度，均选用的是厚度为t = 0.035 mm的金属铜，电导率为σ = 5.8×10⁷ S/m。

9.根据权利要求1-3之任一项所述的微波波段极化不敏感的六频带超材料吸波体，其特征在于：所述吸波单元（1）的阵列个数不少于10×10个。

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