CN109659704A - 一种基于组合谐振结构的超宽频带吸波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组合谐振结构的超宽频带吸波器及其制造方法，该吸波器包括介质层、薄膜、第一谐振结构以及第二谐振结构。介质层具有相远离的两个端面，薄膜敷设在介质层的一个端面上。第一谐振结构安装在介质层的另一个端面上，且包括相对设置的两个第一谐振单元。第一谐振单元呈L形，且两个第一谐振单元围成一个开口环结构。第二谐振结构安装在介质层的另一个端面上，并位于开口环结构中。第二谐振结构包括均呈正方形的两个第二谐振单元，两个第二谐振单元部分重叠。本发明通过第一谐振结构和第二谐振结构使吸收的波形线性叠加以构成具有多个谐波吸收峰的吸波频带，突破原有的两种带宽扩展方法的束缚，同时降低器件构造的时间和费用。

Description

一种基于组合谐振结构的超宽频带吸波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及吸波技术领域的一种吸波器，尤其涉及一种基于组合谐振结构的超宽频带吸波器及其制造方法。

背景技术

吸波器通常有着较小的物理尺寸，且可以在目标频域内有特定的吸收能力，近年来被广泛的应用于防止电磁干扰、电磁隐身等各种民用、军事领域。在军事领域，可以用吸波器作为武器装备的涂层，使武器拥有电磁隐身的能力，对方无法通过武器侦测到我方人员，可以在战争中获取先机，也可以用来降低导弹等各类飞行单位的RCS。吸波器在具体生活中的应用主要体现在大部分电子产品在工作的过程中需要预防电磁干扰的吸波应用，小型的吸波器可以有效的解决保健、医疗等方面的这类需求，同时它在通讯领域也有着越来越多的应用。

但是，目前常用的超材料吸波器吸波频带扩展的两种主要方法分别为平面扩展法和多层堆叠法，由于超材料单元结构中所包含的亚晶格结构的数量不可能无限增加，多层堆叠的超材料结构又会导致器件厚度的增加且其构造时间和费用都较高，而且随着频率的上升其设计难度会急剧增加，因此，通过传统的平面构造法和多层堆积法已不再具备获得超宽带吸波的先决条件。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明提供一种基于组合谐振结构的超宽频带吸波器及其制造方法，解决了现有的吸波器的超材料单元结构中所包含的亚晶格结构的数量不可能无限增加，多层堆叠的超材料结构又会导致器件厚度的增加且其构造时间和费用都较高，而且随着频率的上升其设计难度会急剧增加的问题。

本发明采用以下技术方案实现：一种基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其包括：

介质层，其具有相远离的两个端面；

薄膜，其敷设在介质层的一个端面上；

第一谐振结构，其安装在介质层的另一个端面上，且包括相对设置的两个第一谐振单元；第一谐振单元呈L形，且两个第一谐振单元围成一个开口环结构；以及

第二谐振结构，其安装在介质层的另一个端面上，并位于所述开口环结构中；第二谐振结构包括均呈正方形的两个第二谐振单元，两个第二谐振单元部分重叠，且重叠的部分呈正方形；

其中，在电磁波垂直入射在介质层的另一个端面上时，第一谐振结构和第二谐振结构均吸收所述电磁波，并分别具有频率不同的两个谐波吸收峰，且线性叠加以构成具有多个谐波吸收峰的一个吸波频带。

作为上述方案的进一步改进，薄膜、第一谐振结构、第二谐振结构均为金属结构，且厚度均相同。

进一步地，介质层的两个端面均为面积相同的两个正方形，且介质层的厚度为900um，端面的周期为4000um；薄膜、第一谐振结构、第二谐振结构5的厚度均为10um。

再进一步地，第一谐振单元呈条状，且两端与其弯折部位的距离相等。

再进一步地，第一谐振单元的宽度为300um，且两端与其弯折部位的距离为2000um；

第二谐振单元的边长为800um，所述重叠的部分的边长为500um。

作为上述方案的进一步改进，介质层为相对介电常数为4.4的环氧树脂材料FR-4，薄膜、第一谐振结构、第二谐振结构均由电导率为5.8*107S/m铜制得。

进一步地，介质层的材料为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料或有机高分子聚合物。

作为上述方案的进一步改进，第一谐振结构和第二谐振结构呈中心对称式排布，且对称中心位于介质层的中心轴上。

作为上述方案的进一步改进，所述超宽频带超材料吸波器应用于隐身装置或太阳能电池中。

本发明还提供一种基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器的制造方法，其用于制造上述任意的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，所述制造方法包括以下步骤：

根据薄膜的形状，先在基底材料上开挖定位槽，再从所述定位槽的底部开始镀膜，以达到一个预设厚度一的薄膜；其中，所述定位槽的深度不小于介质层、薄膜、第一谐振结构的厚度之和；

在薄膜定型后，向所述定位槽灌入呈液态的介质材料，以构成一个预设厚度二的介质层；

在介质层定型后，在介质层上渡上谐振材料，并形成所述预设厚度一的谐振膜，通过光刻或者电子束曝光技术刻蚀所述谐振膜，以形成第一谐振结构和第二谐振结构。

本发明的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其第一谐振结构、第二谐振结构均可产生至少两个谐波吸收峰，第一谐振结构产生的两个谐波吸收峰之间的吸波率较高且相对较远，而第二谐振结构产生的两个谐波吸收峰之间的吸波率也较高但相对较近，并通过耦合作用，使吸收的波形线性叠加以构成具有多个谐波吸收峰的吸波频带，而吸波频带可扩展原有的频带，突破原有的两种带宽扩展方法的束缚，降低器件的厚度，同时降低器件构造的时间和费用，并且将在隐身技术和太阳能电池等方面发挥重要的作用。

而且在本发明举例中，第一谐振结构的产生的两个谐波吸收峰的频率分别为21.03GHz和30.43GHz，位于21.03GHz和30.43GHz之间的吸波率超过78％，而第二谐振结构的两个谐波吸收峰的频率分别为45.07GHz到46.69GHz，45.07GHz到46.69GHz之间的吸波率超过92％。在这两个结构吸收的波形线性叠加后，吸波频带的频率从20.59GHz到43.73GHz之间的吸波率高于83％，相对FWHM可达到79.5％，在突破原有的带宽扩展方法的束缚情况下，可以极大提高吸波器的频带频宽。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器的结构示意图；

图2为图1中的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器的吸波曲线图；

图3为图1中的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器、第一谐振结构、第二谐振结构的吸波曲线的对比图。

符号说明：

1 介质层 4 第一谐振单元

2 薄膜 5 第二谐振结构

3 第一谐振结构 6 第二谐振单元

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其用于解决常见的平面构造法和多层堆叠法等带宽扩展方法会遇到诸多障碍，尤其解决在构造超宽频带的超材料吸波器的过程中，以上两种方法已经不具备获得超宽带吸波的先决条件的问题。其中，本实施例的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器包括介质层1、薄膜2、第一谐振结构3和第二谐振结构5，可应用于隐身装置(如隐身战机等武器装备)或太阳能电池中。

介质层1具有相远离的两个端面，在本实施例中，介质层1的两个端面的形状优选为正方形，在其他实施例中，端面的形状还可以为圆形或者正多边形。在本实施例中，介质层1的两个端面相同，且介质层1的厚度Hd为900um，端面的周期P为4000um，即端面的边长为4000um。介质层1采用相对介电常数为4.4的环氧树脂材料FR-4，当然，在其他实施例中，介质层1的材料也可以为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料或有机高分子聚合物，还可以为透明介质板或空气介质，甚至还可选用SiO₂、ZrO₂等材料。介质层1的整体外轮廓可为块状，具体为棱柱状，并且可通过多层介质堆叠而成，也可为一体成型结构。这里需要说的是，介质层1可填充在某些结构或者器件中，其形状随其载体中的空间形状所定。

薄膜2敷设在介质层1的一个端面上，在具体的安装中，薄膜2可设置在介质层1的底面上，并作为底部金属层。薄膜2的材料可以是金、银、铜、铝、钛等金属，其厚度通常大于电磁波在该金属中的趋肤深度。比如，在基底材料上镀的底部金属层为铝，则底部金属层的厚度可以不小于200nm。在本实施例中，薄膜2由电导率为5.8×10⁷S/m的铜制得，且薄膜2的厚度Hs为10um。

第一谐振结构3安装在介质层1的另一个端面上，且包括相对设置的两个

第一谐振单元4。第一谐振单元4呈L形，且两个第一谐振单元4围成一个开口环结构，且开口环结构整体上呈正方形环形，并具有位于相对两个顶角的两个开口。第一谐振单元4的厚度Hm与薄膜2的厚度Hs相同，均可为10um。在本实施例中，第一谐振结构3的材料可以是金、银、铜、铝、钛等金属，优选电导率为5.8×10⁷S/m的铜作为制作材料。而且，第一谐振结构3呈条状，且两端与其弯折部位的距离相等，其中一个第一谐振单元4的形状具体为“┌”型，另一个第一谐振单元4的形状为“┘”型。更为具体地，第一谐振单元4的宽度W2为300um，且两端与其弯折部位的距离L2为2000um。

第二谐振结构5安装在介质层1的另一个端面上，并位于开口环结构中。第二谐振结构5包括均呈正方形的两个第二谐振单元6，两个第二谐振单元6部分重叠，且重叠的部分呈正方形。第二谐振结构5的材料可与第一谐振结构3的材料相同，均采用金属并选用电导率为5.8×10⁷S/m的铜。并且，第二谐振结构5的厚度同薄膜2和第一谐振结构3的厚度一样，可为10um。在本实施例中，第二谐振单元6的边长L1为800um，前述重叠的部分的边长为500um，即L1-W1＝500um。这里需要说明的是，第一谐振结构3和第二谐振结构5可呈中心对称式排布，且对称中心位于介质层1的中心轴上。

其中，在电磁波垂直入射在介质层1的另一个端面上时，第一谐振结构3和第二谐振结构5均吸收电磁波，并分别具有频率不同的两个谐波吸收峰，且线性叠加以构成具有多个谐波吸收峰的一个吸波频带。

基于上述的吸波器结构，本实施例进行一下仿真实验。当电磁波垂直入射到本实施例的吸波器表面时，可仿真得到本实施例的吸波器的吸波曲线，具体如图2所示。从图2中可以看出，在整个吸波频带内有三个明显的谐波吸收峰，分别位于21.44GHz、30.41GHz、42.37GHz处，且对应的吸波率分别为99.97％、99.99％、99.94％，这三个谐波吸收峰相距较近，构成了一个超宽频带的吸波曲线。另外仿真结果表明，当电磁波垂直入射时，从20.59GHz到43.73GHz，本实施例的吸波器的吸波率均高于83％，其半波峰宽FWHM为25.64GHz，相对FWHM可达到79.5％，从以上结果可以判断，本实施例的吸波器确实具有超宽频吸波特性。

为了研究本实施例的吸波器的吸波起源，本实施例还进行以下仿真实验。本实施例将第一谐振结构3、第二谐振结构5分开进行实验，将该组合谐振结构分解成内、外两部分，构成两个超材料吸波器分别进行研究，即仅有正方形开口环谐振结构的超材料吸波器和仅有两个重叠正方形谐振结构的超材料吸波器，两个独立的超材料吸波器的各项参数材料属性、结构周期、介质层1的厚度、金属层厚度、相应结构单元的尺寸等均和前述的超宽频带超材料吸波器的参数保持一致。

对于后述的这两种吸波器，其吸波曲线如图3所示，从图3中可以看出，基于外部正方形开口环谐振结构的超材料吸波器可提供两个吸收峰，分别位于21.03GHz和30.43GHz，且从19.94GHz到34.68GHz其吸波率超过78％。基于内部两个重叠的正方形谐振结构的超材料吸波器也同样具有两个吸收峰，分别位于45.46GHz和46.59GHz，两个吸收峰距离非常近，另外，从45.07GHz到46.69GHz，其吸波率超过92％。因此，可以发现基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器的谐振频率与基于单个正方形开口环谐振结构和重叠正方形谐振结构的超材料吸波器的谐振频率相比具有轻微的频率偏移，这主要归因于内、外谐振结构之间的相互耦合作用。总之，从仿真结果可以看出，基于组合谐振结构的超材料吸波器的超宽频吸波起源于外部正方形开口环结构和内部重叠的正方形结构所提供的吸收峰的线性叠加即21.44GHz和30.41GHz处的两个谐振吸收峰来源于外部的正方形开口谐振环，而42.37GHz处的谐振吸收峰来源于内部的两个重叠的正方形谐振结构。该超宽频带吸波特性的获取可在宽频带或超宽频带超材料吸波器的设计中借鉴，即将谐振频率不同的多个单元结构联合起来构成更宽频带的超材料吸波器。

综上所述，相较于现有的吸波器，本实施例的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器具有以下优点：

本实施例的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其第一谐振结构3、第二谐振结构5均可产生至少两个谐波吸收峰，第一谐振结构3产生的两个谐波吸收峰之间的吸波率较高且相对较远，而第二谐振结构5产生的两个谐波吸收峰之间的吸波率也较高但相对较近，并通过耦合作用，使吸收的波形线性叠加以构成具有多个谐波吸收峰的吸波频带，而吸波频带可扩展原有的频带，突破原有的两种带宽扩展方法的束缚，降低器件的厚度，同时降低器件构造的时间和费用，并且将在隐身技术和太阳能电池等方面发挥重要的作用。

而且在本实施例的举例中，第一谐振结构3的产生的两个谐波吸收峰的频率分别为21.03GHz和30.43GHz，位于21.03GHz和30.43GHz之间的吸波率超过78％，而第二谐振结构5的两个谐波吸收峰的频率分别为45.07GHz到46.69GHz，45.07GHz到46.69GHz之间的吸波率超过92％。在这两个结构吸收的波形线性叠加后，吸波频带的频率从20.59GHz到43.73GHz之间的吸波率高于83％，相对FWHM可达到79.5％，在突破原有的带宽扩展方法的束缚情况下，可以极大提高吸波器的频带频宽。

实施例2

本实施例提供了一种基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器的制造方法，其可用于制造实施例1中的吸波器，并且包括以下步骤：

(1)根据薄膜2的形状，先在基底材料上开挖定位槽，再从定位槽的底部开始镀膜，以达到一个预设厚度一的薄膜2；其中，定位槽的深度不小于介质层1、薄膜2、第一谐振结构3的厚度之和；

(2)在薄膜2定型后，向定位槽灌入呈液态的介质材料，以构成一个预设厚度二的介质层1；

(3)在介质层1定型后，在介质层1上渡上谐振材料，并形成预设厚度一的谐振膜，通过光刻或者电子束曝光技术刻蚀谐振膜，以形成第一谐振结构3和第二谐振结构5。

其中，定位槽的深度可为920um，预设厚度一为10um，预设厚度为900um，镀膜和谐振材料均为金属材料。

实施例3

本实施例提供了一种吸波贴，其包括贴片以及均匀设置在贴片的同一面上的多个吸波件。其中，贴片可采用柔性材料制成，以便于粘贴在各种结构上，而吸波件采用实施例1中的吸波器，且薄膜2固定在贴片的另一面上。这里需要说明的是，本实施例提供的这种吸波贴可作为一个整体的产品进行应用。本实施例提供的这种吸波贴可贴在各种装置的表面或者内部，以吸收电磁波，可贴在军事领域的各种军事设备上，还可贴在电子产品中，以预防电磁干扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其包括：

介质层(1)，其具有相远离的两个端面；

薄膜(2)，其敷设在介质层(1)的一个端面上；

其特征在于，所述基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器还包括：

第一谐振结构(3)，其安装在介质层(1)的另一个端面上，且包括相对设置的两个第一谐振单元(4)；第一谐振单元(4)呈L形，且两个第一谐振单元(4)围成一个开口环结构；以及

第二谐振结构(5)，其安装在介质层(1)的另一个端面上，并位于所述开口环结构中；第二谐振结构(5)包括均呈正方形的两个第二谐振单元(6)，两个第二谐振单元(6)部分重叠，且重叠的部分呈正方形；

其中，在电磁波垂直入射在介质层(1)的另一个端面上时，第一谐振结构(3)和第二谐振结构(5)均吸收所述电磁波，并分别具有频率不同的两个谐波吸收峰，且线性叠加以构成具有多个谐波吸收峰的一个吸波频带。

2.如权利要求1所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，薄膜(2)、第一谐振结构(3)、第二谐振结构(5)均为金属结构，且厚度均相同。

3.如权利要求2所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，介质层(1)的两个端面均为面积相同的两个正方形，且介质层(1)的厚度为900um，端面的周期为4000um；薄膜(2)、第一谐振结构(3)、第二谐振结构(5)的厚度均为10um。

4.如权利要求3所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，第一谐振单元(4)呈条状，且两端与其弯折部位的距离相等。

5.如权利要求4所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，第一谐振单元(4)的宽度为300um，且两端与其弯折部位的距离为2000um；

第二谐振单元(6)的边长为800um，所述重叠的部分的边长为500um。

6.如权利要求1所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，介质层(1)为相对介电常数为4.4的环氧树脂材料FR-4，薄膜(2)、第一谐振结构(3)、第二谐振结构(5)均由电导率为5.8×10⁷S/m的铜制得。

7.如权利要求1所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，介质层(1)的材料为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料或有机高分子聚合物。

8.如权利要求1所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，第一谐振结构(3)和第二谐振结构(5)呈中心对称式排布，且对称中心位于介质层(1)的中心轴上。

9.如权利要求1所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，所述超宽频带超材料吸波器应用于隐身装置或太阳能电池中。

10.一种基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器的制造方法，其用于制造如权利要求1-9中任意一项所述的基于组合谐振结构的超宽频带超材料吸波器，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

根据薄膜(2)的形状，先在基底材料上开挖定位槽，再从所述定位槽的底部开始镀膜，以达到一个预设厚度一的薄膜(2)；其中，所述定位槽的深度不小于介质层(1)、薄膜(2)、第一谐振结构(3)的厚度之和；

在薄膜(2)定型后，向所述定位槽灌入呈液态的介质材料，以构成一个预设厚度二的介质层(1)；

在介质层(1)定型后，在介质层(1)上渡上谐振材料，并形成所述预设厚度一的谐振膜，通过光刻或者电子束曝光技术刻蚀所述谐振膜，以形成第一谐振结构(3)和第二谐振结构(5)。