CN112928483B - 一种基于缝隙梯形结构的宽带超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于缝隙梯形结构的宽带超材料吸波体，该超材料吸波体采用金属‑介质‑金属的“三明治结构”，包括金属反射板、两块介质基板、金属图案层和贴片电阻。两块介质基板相互粘接共同构成超材料吸波体的介质层，金属反射板覆在介质层下表面，金属图案层覆在介质层上表面，贴片电阻焊接在金属图案层上；超材料吸波体单元的金属图案为中心对称的4个等腰梯形结构，梯形下底靠近且平行于单元的介质边界，缝隙沿梯形对称轴开缝并贯通梯形上下底，具有结构简单、极化方向不敏感、入射角度不敏感、超薄、吸波频带宽的优点。

Description

一种基于缝隙梯形结构的宽带超材料吸波体
技术领域
本发明涉及超材料吸波体技术领域，具体涉及一种基于缝隙梯形结构的宽带超材料吸波体。
背景技术
随着电子技术和通信产业的快速发展，各种先进的侦察***与精确打击***陆续出现，面对日益激烈的电子信息对抗和错综复杂的现代战争环境，各电子平台对隐身的要求越来越高，隐身技术越来越受到关注。其中，材料隐身是指利用吸波材料来吸收探测电磁波的一种隐身技术，是目前最重要的隐身途径。电磁超材料由于其奇异、可调控的电磁效应成为吸波材料领域研究的热点。
电磁超材料是指人们依据电磁理论设计出来的具有某种电响应或者磁响应的人工材料，其由亚波长结构单元按周期或有规律的非周期的方式排列组合而成，可以呈现出自然界不存在的“特异”性质。经历了近二十年的发展，从最初的左手材料、完美透镜、隐身斗篷等早期应用研究到当下备受瞩目的相位梯度超表面、可编码超材料等新概念，超材料已不仅仅是一种新型材料形态，更代表了一种全新的材料设计理念。在超材料早期研究中，由于谐振结构产生的高损耗曾为超材料在潜在应用上带来很大难题，这反而成为超材料吸波体的优势。2008年Landy等人首次提出利用超材料的电磁耦合特性的完美超材料吸波体，仿真结果表明该结构在11.65GHz的吸波率高达99％，实现了在微波频段的完美吸波，其不受传统吸波厚度的限制，尺寸较小，但存在频带窄、极化敏感、角度敏感、调控不灵活等不足。之后，研究人员在多频及宽频带、极化和角度不敏感、可调谐等方面进行了大量有益的研究，拓宽了超材料吸波体的应用范围，其中宽带超材料吸波体将在隐身、探测和成像等领域具有可观的应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于缝隙梯形结构的宽带超材料吸波体，具有结构简单、极化方向不敏感、入射角度不敏感、超薄、吸波频带宽等优点。
一种宽带超材料吸波体，包括：金属贴片(1)、贴片电阻(2)、第一介质基板(3)、第二介质基板(4)以及金属反射板(5)；
金属贴片(1)覆着在第一介质基板(3)的上表面，金属反射板(5)覆着在第二介质基板(4)的下表面，第一介质基板(3)的下表面和第二介质基板(4)的上表面固接；
金属贴片(1)为4个中心对称的等腰梯形贴片组成的结构，等腰梯形下底靠近且平行于第一介质基板(3)边界，相邻等腰梯形贴片之间留有缝隙；每个等腰梯形贴片沿着梯形对称轴开有贯通上、下底的缝隙；
所述贴片电阻(2)焊于相邻两个等腰梯形贴片之间的缝隙中，并连接两个等腰梯形贴片。
较佳的，所述贴片电阻(2)焊盘位于梯形的腰上，焊点位于距离上底的3/7处。
较佳的，所述金属贴片(1)为厚度是0.035mm的铜箔。
较佳的，所述介质基板(3)为介电常数是2.2的F4B板材，厚度为0.25mm。
较佳的，所述介质基板(4)为介电常数是1.046的PMI泡沫，厚度为2.5mm。
较佳的，所述金属反射板(5)为厚度1mm的铜板。
较佳的，当等腰梯形贴片尺寸线性变化时，通过调节贴片电阻(2)和第一介质基板(3)、第二介质基板(4)厚度，使得所述吸波体的吸波频带呈线性变化。
本发明具有如下有益效果：
本发明所提出的超材料吸波体通过中心对称的缝隙梯形金属贴片的设计和贴片电阻的加载实现了6.87GHz-14.88GHz频段内超过90％吸波率的吸波，对极化不敏感且在0-30°入射情况下仍能保持良好的吸波效果；本发明所提出的超材料吸波体不仅结构简单而且超薄，其厚度仅为0.1λ(中心频率所对应的波长)。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的超材料吸波体单元示意图。
图2(a)是本发明超材料吸波体单元上层金属贴片结构和贴片电阻的俯视图，图2(b)是本发明超材料吸波体单元侧视图。
图3是本发明实施例超材料吸波体在0-30°入射时的反射系数曲线图。
图4是本发明实施例超材料吸波体在0-30°入射时的吸波率曲线图。
其中，1-金属贴片；2-贴片电阻；3-第一介质基板；4-第二介质基板；5-金属反射板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种宽带超材料吸波体单元，如图1所示，包括：金属贴片1、贴片电阻2、第一介质基板3、第二介质基板4以及金属反射板5。
金属贴片1覆着在第一介质基板3的上表面，金属反射板5覆着在第二介质基板4的下表面，第一介质基板3的下表面和第二介质基板4的上表面粘接。
贴片电阻2焊接在金属贴片1上。本发明的超材料吸波体单元结构的俯视图如图2(a)所示。
本发明实施例中，金属贴片1为4个中心对称的等腰梯形贴片组成的结构，梯形下底靠近且平行于第一介质基板3边界，相邻梯形间留有缝隙；相邻梯形间距和缝宽相同，实现了超材料吸波体单元与自由空间的阻抗匹配；每个等腰梯形沿着梯形对称轴开有贯通梯形上、下底的缝隙；贴片电阻2为1mm×0.5mm的贴片电阻，阻值为50Ω，焊接在相邻的两个缝隙梯形金属贴片上，焊盘位置为梯形腰距离上底的3/7处，增加了超材料吸波体的吸波率，拓展了吸波带宽。
本发明的超材料吸波体单元结构的俯视图如图2(b)所示，第一介质基板3采用介电常数为2.2的F4B材料，厚度为0.25mm，第二介质基板4采用介电常数为1.046的PMI泡沫，厚度为2.5mm，第一介质基板3和4组成介质层，起到了支撑、消耗电磁波以及拓展吸波带宽的作用。金属反射板5在介质基板的另一侧，阻止了电磁波的透射。
超材料单元周期长度和介质基板长宽均为P，缝隙梯形金属贴片上底为L2，下底为L1，高为h，缝隙宽度为t1，梯形下底距离单元边界间距为t2，贴片电阻焊盘中点距离梯形上底w，介质基板F4B和PMI泡沫厚度分别为h_f4b和h_air；可选地，在本发明的一个实施例中，可通过调整缝隙梯形的上底L2、下底L1、高h、缝隙宽度t1、距离单元边界t2、贴片电阻的焊点位置w、介质基板厚度h_f4b和h_air的尺寸，改变吸波频带。
表1宽带超材料吸波体结构尺寸
Figure BDA0002908038630000041
表1所示的具体参数值为超材料吸波体实施例的具体尺寸值，图3和图4分别为本发明实施例入射波角度从0-30°情况下反射系数曲线和吸波率曲线。图3是本发明实施例的反射系数曲线，从反射系数曲线图中可以看到垂直入射时超材料吸波体在6.87-14.88GHz频段S11均在-10dB以下，完全覆盖了整个X波段，其中，在7.9GHz和14.5GHz谐振点处，S11能达到-22.65dB和-40.29dB。当入射角度逐渐增大时，反射系数曲线高频部分出现明显恶化，但在30°范围内仍能保证7.05-12.75GHz频段内S11均在-10dB以下。图4是本发明实施例根据反射系数曲线计算得到的吸波率曲线，可以看到垂直入射时超材料吸波体在6.87-14.88GHz范围内吸波率均大于90％，在谐振点7.9GHz和14.5GHz时吸波率能达到99.46％和99.99％，入射角度在30°范围内变化时，仍能保证7.05-12.75GHz频段内90％以上的吸波率。由图3和图4可知，本发明实施例提供的超材料吸波体单元实现了宽带吸波，且具备宽角度入射吸波性能。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带超材料吸波体，其特征在于，包括：金属贴片(1)、贴片电阻(2)、第一介质基板(3)、第二介质基板(4)以及金属反射板(5)；
金属贴片(1)覆着在第一介质基板(3)的上表面，金属反射板(5)覆着在第二介质基板(4)的下表面，第一介质基板(3)的下表面和第二介质基板(4)的上表面固接；
金属贴片(1)为4个中心对称的等腰梯形贴片组成的结构，等腰梯形下底靠近且平行于第一介质基板(3)边界，相邻等腰梯形贴片之间留有缝隙；每个等腰梯形贴片沿着梯形对称轴开有贯通上、下底的缝隙；
所述贴片电阻(2)焊于相邻两个等腰梯形贴片之间的缝隙中，并连接两个等腰梯形贴片。
2.如权利要求1所述的一种宽带超材料吸波体，其特征在于，所述贴片电阻(2)焊盘位于梯形的腰上，焊点位于距离上底的3/7处。
3.如权利要求1所述的一种宽带超材料吸波体，其特征在于，所述金属贴片(1)为厚度是0.035mm的铜箔。
4.如权利要求1所述的一种宽带超材料吸波体，其特征在于，所述第一介质基板(3)为介电常数是2.2的F4B板材，厚度为0.25mm。
5.如权利要求1所述的一种宽带超材料吸波体，其特征在于，所述第二介质基板(4)为介电常数是1.046的PMI泡沫，厚度为2.5mm。
6.如权利要求1所述的一种宽带超材料吸波体，其特征在于，所述金属反射板(5)为厚度1mm的铜板。
7.如权利要求1所述的一种宽带超材料吸波体，其特征在于，当等腰梯形贴片尺寸线性变化时，通过调节贴片电阻(2)和第一介质基板(3)、第二介质基板(4)厚度，使得所述吸波体的吸波频带呈线性变化。
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