CN113506994A - 一种圆极化波差异化响应的超材料吸波器 - Google Patents

Abstract

一种圆极化波差异化响应的超材料吸波器，包括依次排布的底层金属薄膜、损耗介质层、双“L”结构金属薄膜层，底层金属薄膜附着在所述的损耗介质层下方，双“L”结构金属薄膜层包括两块“L”型金属线薄膜，即由长度较长的左上方位置的倒置“L”金属线和长度较短的右下方位置的反向“L”金属线构成，双“L”结构金属线薄膜形成不对称的第一开口缝隙和第二开口缝隙，呈周期性布置在所述的损耗介质层上方。本发明提出的圆极化波差异化响应的超材料吸波器，构建多次反射消耗模式的谐振腔，耗散左旋圆极化波的电磁能量，峰值吸收率为98％，相对带宽高达20％，且对右旋圆极化波几乎没有谐振耗散，主要频率范围内吸收率低于25％。

Description

一种圆极化波差异化响应的超材料吸波器

技术领域

本发明涉及一种超材料吸波器，具体是一种对左旋圆极化波和右旋圆极化波差异化响应的吸波器。

背景技术

从最早的负折射率左手材料到信息编码可控的编码超材料，基于人工电磁微结构的电磁超材料在近20年取得了巨大的发展。由于其人工的亚波长结构单元构造，具备频率选择性高、带宽宽、设计可控性强等诸多优点。其中电磁超材料在吸波器上的应用，在能量搜集、传感探测、军事隐身等诸多领域有着重要的应用价值。

传统电磁超介质吸波器主要围绕线性极化电磁波展开，包括垂直极化吸波器、水平极化吸波器、极化不敏感吸波器(全极化吸波)，无论是吸波强度还是吸收带宽，都取得了丰富的研究成果。有关圆极化差异化响应的吸波器，即单独吸收某个手性电磁波能量，而对交叉极化分量无任何吸收的吸波器，目前刚刚起步。

目前圆极化波差异化响应的超材料吸波器还面临着如下几个瓶颈：首先，左旋右旋电磁波差异化响应分辨率低，无法满足高灵敏度传感需求；结构复杂，不便于器件集成；吸收带宽窄。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单、强吸收左旋圆极化波，低吸收右旋圆极化，其基于简单的双面覆铜板印刷电路工艺，配合非对称结构金属薄膜，实现圆极化波差异化响应的超材料吸波器设计。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种圆极化波差异化响应的超材料吸波器，包括依次排布的底层金属薄膜、损耗介质层、双“L”结构金属薄膜层。所述的底层金属薄膜附着在所述的损耗介质层下方，所述双“L”结构金属薄膜层包括两块“L”型金属线薄膜，所述的双“L”结构金属薄膜层呈周期性布置在所述的损耗介质层上方，两块“L”型金属线结构之间设有第一缝隙和第二缝隙。

作为优选，每块双“L”结构金属薄膜层为两块“L”型金属线薄膜，分别由长度较长的左上方位置的倒置“L”金属线和长度较短的右下方位置的反向“L”金属线构成，所述的倒置“L”金属线和反向“L”金属线通过适当排列，形成等效的第一缝隙和第二缝隙。

进一步地，左上方位置的倒置“L”金属线的横向金属线长度为10～15mm、宽度为3～5.4mm、左侧纵向金属线长度为10.6～15.6mm、宽度为1.9～4.3mm、右侧纵向金属线长度为5.3～7.3mm、宽度为3～5.4mm。

进一步地，右下方位置的反向“L”金属线的横向金属线长度为5.3～7.3mm、宽度为3～5.4mm、纵向金属线长度为4.5～6.5mm、宽度为3～5.4mm。

作为优选，所述的倒置“L”金属线和反向“L”金属线通过适当排列，形成等效的右侧第一缝隙宽度为0.7～2.7mm、左下方第二缝隙宽度为2.1～4.1mm。

作为优选，所述的底层金属薄膜和所述的双“L”结构金属薄膜层的厚度均0.03～0.25mm，电导率均为～。

作为优选，所述的损耗介质层为Fr4介质层，其厚度为2～3.5mm，相对介电常数为4.3、损耗正切值为0.025。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提出的圆极化波差异化响应的超材料吸波器，通过顶层金属薄膜层+介质层+底层金属薄膜层的三明治结构，构建多次反射消耗模式的谐振腔，耗散左旋圆极化波的电磁能量，峰值吸收率为98％，相对带宽高达20％。且对右旋圆极化波几乎没有谐振耗散，主要频率范围内吸收率低于25％；

(2)本发明提出的圆极化波差异化响应的超材料吸波器，引入两个“L”结构金属线结构，打破镜像对称性和旋转对称性，用于改善阻抗匹配特性，实现更宽的左旋圆极化波吸收带宽；

(3)本发明圆极化波差异化响应的超材料吸波器结构简单，易于实现，制作成本低，可简单采用现有PCB加工工艺进行制作。

附图说明

图1为实施例的背视图；

图2为实施例中单个吸波器单元的正视图；

图3为实施例中单个吸波器单元的右视图；

图4为实施例中周期排布单元的吸波器的正视图；

图5为圆极化波沿+z方向入射时实施例中的吸波器的反射率仿真曲线图；

图6为圆极化波沿+z方向入射时实施例中的吸波器的左旋吸收率和右旋吸收率仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的圆极化波差异化响应的超材料吸波器，如图1～图4所示，包括依次排布的底层金属薄膜1、损耗介质层2、倒置“L”金属线3和反向“L”金属线4本实施例中，损耗介质层2为Fr4介质层，底层金属薄膜1附着在介质层2背面，倒置“L”金属线3和反向“L”金属线4成斜对角分布，呈周期性布置在损耗介质层2正面，倒置“L”金属线3和反向“L”金属线4，在右侧形成第一缝隙5，在左下侧形成第二缝隙6。

实施例中，左上方位置的倒置“L”金属线图案3，该倒置“L”字形图案由依次相连且厚度相同的左竖直段31、上横向段32、右竖直段33构成，三者彼此夹角均为90°。左竖直段31的宽度小于右竖直段33的宽度，上横向段32和右竖直段33的宽度相同。

实施例中，右下方位置的反向“L”金属线图案4，该反向“L”字形图案由依次相连且厚度相同的左横向段41、右竖直段42构成，左竖直段41的宽度等于右竖直段42的宽度，且夹角90°。

实施例中，倒置“L”金属线3和反向“L”金属线4之间在右侧形成第一开口缝隙5，左下侧形成第二开口缝隙6。

实施例中吸波器总体为正方形，将倒置“L”金属线3和反向“L”金属线4在介质损耗层2上周期排列，以9个吸波器单元为例，如图4所示，每个吸波器单元整体均为正方形，其边长p为18.1mm，p的实际范围可设定为14～22mm。相关尺寸参数如下：底层金属薄膜1、倒置“L”金属线3和反向“L”金属线4薄膜层厚度t均为0.035mm，导电率σ均为5.8×10⁷S/m；损耗介质层2的厚度d为2.5mm，相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025；倒置“L”金属线3的左竖直段长度L1为13.1mm、宽度W1为3.1mm、上横向段长度L2为12.5mm、宽度W2为4.1mm、右竖直段长度L3为5.5mm；反向“L”金属线4的左横向段长度L4为6.3mm、右竖直段长度L5为5.4mm；第一断口5宽度G1为2mm、第二断口6宽度G2为3.1mm。

图5给出了为圆极化波沿+z方向入射时实施例中的吸波器的反射率仿真曲线图。从图5可以看出，在工作频率范围为9.5～10.6GHz时，实施例的吸波器的左旋圆极化波的共极化分量和交叉极化分量均小于0.3，其结构与左旋极化波发生强烈的耗散共振；在工作频率范围为9～10.8GHz时，实施例的吸波器的右旋圆极化波交叉极化分量大于0.75，其结构基本完全反射右旋极化波并完成圆极化模式转换。

图6给出了利用反射率计算出的圆极化波入射时实施例吸波器的吸收率仿真曲线图。从图6可以看出，实施例的吸波器在9～11GHz频率范围内对左旋圆极化波实现吸收率大于0.5的宽带高效吸收，峰值吸收率为98％，且相对带宽为20％；右旋圆极化波在8～11.2GHz频率范围内，吸收率始终低于25％，且达到最低吸收率为0。

Claims (3)

1.一种圆极化波差异化响应的超材料吸波器，其特征在于包括依次排布的底层金属薄膜、损耗介质层、空气层、双“L”结构金属薄膜层，所述的底层金属薄膜附着在所述的损耗介质层下方，所述双“L”结构金属薄膜层包括两块“L”型金属线薄膜，所述的双“L”结构金属薄膜层呈周期性布置在所述的损耗介质层上方，两块“L”型金属线结构之间设有第一缝隙和第二缝隙。

2.根据权利要求1所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器，其特征在于左上方位置的倒置“L”金属线横向金属线长度为10～15mm、宽度为3～5.4mm、左侧纵向金属线长度为10.6～15.6mm、宽度为1.9～4.3mm、右侧纵向金属线长度为5.3～7.3mm、宽度为3～5.4mm；右下方位置的反向“L”金属线的横向金属线长度为5.3～7.3mm、宽度为3～5.4mm、纵向金属线长度为4.5～6.5mm、宽度为3～5.4mm，所述的倒置“L”金属线和反向“L”金属线形成等效的右侧第一缝隙宽度为0.7～2.7mm、左下方第二缝隙宽度为2.1～4.1mm。

3.根据权利要求1所述的损耗介质层为Fr4介质层，其厚度为2～3.5mm，相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025。

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