CN113219223B - 一种全封闭矩形太赫兹暗室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全封闭矩形太赫兹暗室，暗室壁采用的材料为三维骨架镍材料，不仅可以实现对太赫兹波的高效率、高带宽吸收，而且加工简单廉价、实用性强；能够实现对外部太赫兹波的屏蔽；能够抑制内部太赫兹波的泄漏；能够大幅衰减内部太赫兹波的反射和散射。

Description

一种全封闭矩形太赫兹暗室

技术领域

本发明属于太赫兹波隐身、屏蔽技术领域，尤其涉及一种全封闭矩形太赫兹暗室。

背景技术

电磁波暗室，是一个接近自由空间的电磁测量环境，它可以通过吸收尽可能多的电磁波来抑制内部电磁波的多径反射干扰，屏蔽外部电磁干扰。随着科技的快速发展，空间中的电磁环境越来越复杂，各种电磁设备互相之间的影响越来越大，在开放空间进行的电磁波设备的测试由于电磁波之间的互相作用使得测试结果不准确。目前电磁波暗室在微波频段的技术手段和设计方案已经相当成熟，在太赫兹频段还没有看到相关暗室的报道。近年来人们建造了很多微波暗室，通过这种方法，可以防止自然环境中的电磁干扰作用于暗室内部，有效避免了部分实验误差，同时也防止暗室内部的电磁波泄露出去，在暗室内部和外部的空间之间形成屏蔽层。同时由于暗室所铺设的吸波材料对微波的吸收能力，能够减少甚至消除源天线发射的电磁信号打到墙壁和障碍物时产生的反射和散射。最终实现电磁波入射到暗室壁上时，能尽可能不反射而最大限度的进入暗室壁材料内部，进入暗室壁材料内部的电磁波能迅速的尽可能衰减掉。使得暗室内的电磁实验环境更接近于自由空间，微波暗室建造需要的工程量大，投资高，成型以后很难改变。

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围内的一种电磁波，这个波段介于微波和红外之间，是从宏观电子学向微观电子学过渡的频带。随着在太赫兹波段研究的不断深入，各种太赫兹发射探测技术获得迅猛发展，太赫兹波在第六代新兴通信技术(6G)中展现出非凡的潜力，对于太赫兹波的强源、传输、调制、吸收等领域的研究近年来层出不穷，在实验研究过程中，太赫兹波的反射和散射以及太赫兹波互相之间的干扰使得实验的准确性受到影响。建造接近于自由空间的太赫兹暗室对于提高太赫兹测量实验的准确性，净化太赫兹实验环境，减少太赫兹波污染有着重要的意义。

尽管目前太赫兹发射、探测等相关技术发展迅猛，建造太赫兹暗室对于营造良好的太赫兹实验环境意义非凡。但是目前国内外还没有关于太赫兹暗室的相关报道，主要原因在于真正能够实现对太赫兹波高效宽频隐身的廉价实用型材料的匮乏，导致太赫兹暗室的建造难以实现。而在太赫兹波段，由于其波长较短，不像微波拥有较长的波长，需要在微波暗室设计过程中综合考虑发射天线和接受天线的位置、暗室的尺寸大小等影响因素，太赫兹波段的暗室设计因为其独特的频段优势，使得在暗室设计中，暗室壁的材料选择和暗室的结构形式成为两个主要需要考量的地方。(太赫兹暗室设计中存在的两个情况)

暗室的结构形式在微波频段主要有以下几种：(a)全封闭矩形暗室,(b)全封闭锥形暗室，(c)半开口矩形暗室，(d)半开口锥形暗室，(e)抬高的半开口矩形暗室，(f)垂直方向开口的矩形暗室等。这些结构在设计中由于微波的波长较长，所以在结构和尺寸上的设计上不能随意建造，有一定的局限性。在太赫兹波段，在暗室的结构形式上只需要考虑材料交界处的衔接问题，不需要考虑交叉极化度、场幅均匀性等问题，可以随意设计暗室结构，太赫兹暗室设计的灵活性和便捷性相对比较明显。暗室壁的材料选择是太赫兹暗室建造的最关键地方，也是目前太赫兹暗室还没有起步的关键瓶颈所在。目前已报道的太赫兹领域的吸波材料大部分是以超材料和碳基材料两类材料为主，其中超材料是利用本身的结构特性实现对太赫兹波的单个频点的超强吸收，其局限性在于吸波的带宽相对较窄，人们在拓宽其吸波带宽上进行了广泛的研究，但是到目前为止，效果不是很理想。碳基材料对太赫兹波的吸收则是利用本身的材料特性进行吸收，其吸收带宽相对较宽，但是吸收效率较低，与以超材料为主的吸波材料性能刚好互补。还有一小部分材料是近年来出现的新兴泡沫材料，典型的像氧化石墨烯泡沫，MXene和氧化石墨烯掺杂泡沫，其他泡沫状类MXene二维金属片等，这类材料能够实现对太赫兹波的高效宽频吸收，兼顾了吸收效率和吸收带宽的性能。局限性在于加工难度较大，对加工工艺的要求较高，在空气中不稳定，容易被氧化，材料极易损坏，距离实际规模化应用具有较远的距离。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种全封闭矩形太赫兹暗室，暗室壁采用的材料为三维骨架镍材料，不仅可以实现对太赫兹波的高效率、高带宽吸收，而且加工简单廉价、实用性强。本发明的具体技术方案如下：

一种全封闭矩形太赫兹暗室，其特征在于，所述太赫兹暗室为全封闭矩形结构，密闭空间能够保证所述太赫兹暗室内部的环境不受外部太赫兹波的干扰，同时保证暗室内部太赫兹波无法发生泄漏，所述太赫兹暗室的暗室壁采用三维骨架镍材料，暗室壁厚度不小于2mm。

进一步地，所述太赫兹暗室的结构能够根据场地尺寸直接设计，无需考虑太赫兹发射源和接收源的位置、暗室尺寸。

进一步地，所述太赫兹暗室具有屏蔽太赫兹波和消除内部太赫兹波污染的性能，太赫兹波完全无法穿透太赫兹暗室，对太赫兹的透射率为0；不同太赫兹波入射角下，在0.2-2.5THz频段范围内，反射信号和散射信号的最大值小于入射信号的1％。

本发明的有益效果在于：

1.本发明首次设计出的廉价、实用型全封闭矩形太赫兹暗室，结构设计灵活便捷、重构性较高。不需要考虑复杂的波长、发射源的位置和暗室尺寸等因素，可根据场地灵活设计，暗室壁材料的柔性使得暗室建造的重构性较高。

2.本发明的太赫兹暗室的暗室壁所用材料为三维骨架镍材料，能够实现对太赫兹波的高效吸收。

3.本发明的太赫兹暗室能够实现对外部太赫兹波的屏蔽；能够抑制内部太赫兹波的泄漏；能够大幅衰减内部太赫兹波的反射和散射。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的暗室壁材料光学显微镜图；

图2是本发明的太赫兹暗室实物，(a)、(b)分别为太赫兹暗室的不同侧面图；

图3是本发明的太赫兹暗室对太赫兹波的反射和透射性能验证，其中(a)为太赫兹波打在太赫兹暗室上获得的反射信号的反射率，(b)为太赫兹波打在太赫兹暗室上获得的透射信号的透射率；

图4是本发明的太赫兹暗室对太赫兹波的散射性能验证，其中(a)为太赫兹波以40°入射角打在太赫兹暗室上，以5°为间隔获得的10°到45°的散射率，(b)为太赫兹波以40°入射角打在太赫兹暗室上，以5°为间隔获得的50°到85°的散射率。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

现在国内外建造了很多微波波段的暗室，而在太赫兹波段还没有相关的暗室被建造，在太赫兹实验和测试中，经常会发生太赫兹波的反射和多次散射对测试数据的影响以及外部电磁环境的干扰，为了净化太赫兹实验设备的电磁环境，屏蔽外界电磁干扰、抑制内部太赫兹波反射及多次散射对实验测试的干扰，抑制太赫兹波泄漏，本发明提出一种廉价实用的太赫兹暗室。

具体地，一种全封闭矩形太赫兹暗室，为全封闭矩形结构，密闭空间能够保证所述太赫兹暗室内部的环境不受外部太赫兹波的干扰，同时保证暗室内部太赫兹波无法发生泄漏，太赫兹暗室的暗室壁采用三维骨架镍材料，光学显微镜图如图1所示，三维骨架镍材料成本廉价，基于此材料建造一个太赫兹暗室的成本远远低于建造一个微波暗室所需要的的成本。三维骨架镍材料能够实现对太赫兹波的高效宽频带吸收，太赫兹波无法穿透，同时还能实现对太赫兹波的反射和散射信号的强烈衰减，能够有效保证所述太赫兹暗室的各项性能。三维骨架镍材料具备柔性和可定型性，使得所述太赫兹暗室建造的重构性较高，便于根据主观需求改变暗室的布局和多次使用。相比较微波暗室建造需要的工程量大，投资高，成型以后很难改变的特点，本发明的太赫兹暗室建造所用材料廉价易加工，成型后也方便随意改造。

全封闭矩形太赫兹暗室的实物图如图2(a)和图2(b)所示，太赫兹暗室结构为经典全封闭矩形，能够有效屏蔽外部太赫兹波进入暗室内部，能够有效抑制内部太赫兹波泄漏到暗室外部，能够大幅衰减内部太赫兹波的反射和散射信号。

本发明首次设计出一种全封闭矩形太赫兹暗室，目前还没有关于太赫兹暗室相关的报道，本发明第一次设计出在太赫兹波段的暗室。

太赫兹波暗室结构设计灵活。因为太赫兹波长较微波短，所以无需考虑复杂的太赫兹发射源和接收源的位置，暗室尺寸大小等因素，可根据场地大小随意设计暗室结构。避免了场地大小对暗室建造的约束，本发明的暗室的环境应尽量保证干燥，因为暗室壁材料为金属材质，潮湿或露天容易引起暗室壁的腐蚀，进而影响太赫兹暗室的性能。

太赫兹暗室具有屏蔽太赫兹波和消除内部太赫兹波污染的性能，太赫兹波完全无法穿透太赫兹暗室，对太赫兹的透射率接近0％；太赫兹暗室能够大幅衰减内部太赫兹波的反射和散射，不同太赫兹波入射角下，在0.2-2.5THz频段范围内，反射和散射信号的最大值小于入射信号的1％，太赫兹波入射到太赫兹暗室上几乎完全湮没在暗室壁内部，能够高效消除太赫兹暗室内部的太赫兹波污染。

本发明的太赫兹暗室具有显著的屏蔽太赫兹波和消除内部太赫兹波污染的性能，能够实现对外部太赫兹波的屏蔽；能够抑制内部太赫兹波的泄漏；能够大幅衰减内部太赫兹波的反射和散射。

为了方便理解本发明的技术方案，以下通过具体实验对本发明的技术方案进行详细说明。本发明的太赫兹暗室的性能验证是基于太赫兹波的反射、透射和散射信号的测量实验，实验***是一套角分辨的太赫兹时域光谱仪，通过上位机控制旋转电机，进而控制***的反射收集臂，实现对太赫兹信号经过暗室壁后的透射、反射和散射信号的测量。根据反射收集臂收集到的透射、反射和散射信号，验证太赫兹暗室的屏蔽性能和对太赫兹信号的反射和散射衰减性能，综合表征该太赫兹暗室的性能。

实验方法

为保证实验结果的准确性，本实验在相同实验条件下，分别进行了太赫兹暗室对太赫兹波的透射、反射和散射测量实验。

本实验选取的太赫兹暗室的暗室壁材料为厚度2mm(在实际应用中，厚度不能小于2mm，因为是骨架结构，厚度变小容易发生太赫兹波透射的现象)、孔径为500μm的三维骨架镍。为了保证本发明的太赫兹暗室的实用性，选取太赫兹波分别以入射角30°、45°、60°入射到太赫兹暗室上，测量太赫兹波经过太赫兹暗室后的透射、反射信号。

为了更好的测量散射信号，选取太赫兹波入射角为40°，测量太赫兹波经过太赫兹暗室后10°到85°范围内的散射信号。

实验结果

在反射和透射验证实验中，太赫兹波分别以30°、45°、60°三个不同角度入射到太赫兹暗室上，测量对应角度的反射信号和透射信号，实验结果如图3所示。根据附图3(a)看出最大反射信号没有超过初始信号的1％，证明所述太赫兹暗室能够很强的衰减内部太赫兹信号的反射信号。根据附图3(b)看出太赫兹信号经过太赫兹暗室后的透射信号几乎探测不到。实验结果证实本发明的太赫兹暗室能够有效屏蔽外部太赫兹波的干扰，抑制内部太赫兹波的泄漏。综合图3(a)和图3(b)，不同的太赫兹波入射角进一步证明本发明的太赫兹暗室性能不受太赫兹波入射角度的影响，保证了本发明的太赫兹暗室的实用性。

在验证散射实验中，太赫兹波以40°入射角入射到太赫兹暗室上，旋转收集臂测量了10°到85°方向上的散射信号，实验结果如图4(a)和图4(b)所示，看出在0.2-2.5THz范围内太赫兹波打在太赫兹暗室上的散射信号非常微弱，最大散射信号没有超过1％，几乎探测不到。散射实验验证了本发明的太赫兹暗室的能够产生很强的对暗室内部信号的衰减。

综上，本发明的太赫兹暗室能够具有显著的屏蔽太赫兹波和消除内部太赫兹波污染的性能：能够实现对外部太赫兹波的屏蔽；能够抑制内部太赫兹波的泄漏；能够大幅衰减内部太赫兹波的反射和散射，净化暗室内部的太赫兹污染。基于此，本发明的太赫兹暗室能够在太赫兹相关的研究实验、太赫兹相关设备中，尤其是对实验环境、测试环境要求较高的场所，能够有效保证实验暗室内部实验环境不受外部太赫兹波干扰，同时可以净化太赫兹暗室内部的反射和散射太赫兹信号，有效避免这些信号对太赫兹实验产生的干扰和引发的实验误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (3)

1.一种全封闭矩形太赫兹暗室，其特征在于，所述太赫兹暗室为全封闭矩形结构，密闭空间能够保证所述太赫兹暗室内部的环境不受外部太赫兹波的干扰，同时保证暗室内部太赫兹波无法发生泄漏，所述太赫兹暗室的暗室壁采用三维骨架镍材料，暗室壁厚度不小于2mm。

2.根据权利要求1所述的一种全封闭矩形太赫兹暗室，其特征在于，所述太赫兹暗室的结构能够根据场地尺寸直接设计，无需考虑太赫兹发射源和接收源的位置、暗室尺寸。

3.根据权利要求1或2所述的一种全封闭矩形太赫兹暗室，其特征在于，所述太赫兹暗室具有屏蔽太赫兹波和消除内部太赫兹波污染的性能；不同太赫兹波入射角下，在0.2-2.5THz频段范围内，反射信号最大值和散射信号最大值均小于入射信号的1％。

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