CN108279515A - 一种基于液晶的超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的超材料吸波体，包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板，在所述的上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，在所述的上层介质基板下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元由一个具有四个十字对称开口的金属环和连接金属环的四根十字对称的金属线组成的，在所述的下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极。本发明吸收频率调节宽度能达到6.19%，调节范围大；大角度入射波下的吸收率高，本发明对不同极化的入射波，在入射波的入射角度达到60°时，仍能保持88%以上的吸收率，且吸收频率稳定性高。

Description

一种基于液晶的超材料吸波体
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种基于液晶的超材料吸波体。
背景技术
超材料是一种人为构造的新型结构材料，具有天然材料所不具备的超常电磁特性，为操控电磁波提供了一种新的途径。超材料吸波体作为超材料的一个重要应用领域，得到了世界各国研究者的广泛关注。传统的超材料吸波体的吸收频率一般为固定值，加工完成后难以更改。近年来，研究人员在频率可调超材料吸波体方向进行了大量研究，利用石墨烯，二氧化钒等材料实现了吸收频率的调节，此外，液晶等具有双折射效应的材料也被应用于频率可调超材料吸波体的设计。但目前频率可调超材料吸波体存在的主要问题是在大角度入射波下的吸收率很低，因此大大限制了该类器件的实际应用。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于液晶的超材料吸波体。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于液晶的超材料吸波体，包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板，在所述的上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，在所述的上层介质基板下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元由一个具有四个十字对称开口的金属环和连接金属环的四根十字对称的金属线组成的，在所述的下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极。
所述的液晶层采用向列型液晶材料。
通过在金属谐振单元以及金属接地电极上施加电压，在所述的液晶层中形成偏置电场。
通过在金属谐振单元以及金属接地电极上施加电压，在液晶层中形成偏置电场，偏置电场使得液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变液晶介电常数，并进一步改变吸波体的吸收频率。
本发明的优点是：本发明吸收频率调节宽度能达到6.19%，调节范围大； 大角度入射波下的吸收率高，本发明对不同极化的入射波，在入射波的入射角度达到60°时，仍能保持88%以上的吸收率，且吸收频率稳定性高。
附图说明
图1为本发明的吸波单元三维结构示意图。
图2 为本发明中吸波单元的结构的主视图。
图3为本发明中上介质基板下表面金属谐振单元结构示意图。
图4为本发明在不同的液晶介电常数下的垂直入射吸收率仿真结果图。
图5为本发明在液晶介电常数为2.47时，在TE极化波的宽入射角情况下的吸收率仿真结果图。
图6为本发明在液晶介电常数为2.47时，在TM极化波的宽入射角情况下的吸收率仿真结果图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种基于液晶的超材料吸波体，包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板1、2，在所述的上、下两层介质基板1、2的间隙中注入有液晶层3，在所述的上层介质基板1下表面设有金属谐振单元4，所述的金属谐振单元4由一个具有四个十字对称开口的金属环6和连接金属环的四根十字对称的金属线7组成的，在所述的下层介质基板2上表面全覆盖一层金属层5，形成金属接地电极。
所述的液晶层3采用向列型液晶材料。
通过在金属谐振单元4以及金属接地电极上施加电压，在所述的液晶层中形成偏置电场，偏置电场使得液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变液晶介电常数，并进一步改变吸波体的吸收频率。
具体实施过程中，相应的结构设置包括：
上层介质基板1为边长为a、厚度为Hq的立方体结构，下层介质基板2为边长为a、厚度为Hq的立方体结构。
金属谐振单元4所包含的金属环，其内外径分别为r和R，所述金属环具有四个开口宽度为w的，十字对称的开口。每个相邻单元的金属环由宽度为s的金属线相连。金属谐振单元的厚度为t。
下层介质基板2上表面全覆盖一厚度为t的金属层5作为金属接地电极。
具体实施中液晶层的厚度为为HLC，将液晶材料灌入介质基板之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在液晶层的上下表面用聚酰亚胺膜定向。
在具体的应用中设置：
单元的尺寸a=400μm，金属谐振单元的尺寸：R=165μm，r=115μm，w=20μm，s=20μm。液晶层的厚度为43μm，上层介质基板和下层介质基板的厚度均为400μm，金属谐振单元和金属层的厚度均为0.5μm。液晶层中的液晶材料选用S200，金属接地电极、金属谐振单元均以金属铜为材质。介质基板采用石英材料，介电常数为3.78，损耗正切为0.02。
图4为通过软件仿真得到的吸波体在不同的液晶介电常数下的垂直入射吸收率曲线，随着液晶介电常数的变化，吸波体的吸收频率也随之变化。当液晶的介电常数从2.47变化到3.06时，吸收频率从194.24GHz变化到182.01GHz，吸波体的吸收频率调节宽度可以达到6.19%。
图5和图6分别为当液晶介电常数为2.47时，本发明在TE极化波和TM极化波的宽入射角度情况下的吸收率曲线。从图中可以看出，无论是TE极化波还是TM极化波，当入射角度达到60°时，吸波体对入射波的吸收率仍能保持在88%以上，且吸收频率的稳定性高。

Claims (3)

1.一种基于液晶的超材料吸波体，其特征在于：包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板，在所述的上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，在所述的上层介质基板下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元由一个具有四个十字对称开口的金属环和连接金属环的四根十字对称的金属线组成的，在所述的下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶的超材料吸波体，其特征在于：所述的液晶层采用向列型液晶材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于液晶的超材料吸波体，其特征在于：通过在金属谐振单元以及金属接地电极上施加电压，在所述的液晶层中形成偏置电场。
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