CN115986425A - 基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料的设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，由上下两层损耗介质板及与其贴合的金属贴片和底层金属接地板组成，从上到下依次为：上层金属贴片，第一介质层，第一空气层，中间层金属贴片，第二介质层，第二空气层，金属地。上层金属贴片贴在上层介质板上表面，采用蜿蜒的方环贴片；中间层金属贴片贴在下层介质板上表面，包括背对背放置的四个完全相同的“L”形金属条，整体呈十字型；底层金属接地板为金属薄板。利用上述单元形成阵列排布的斜入射超宽带吸波超材料阵列。本发明无需依赖大量、重复的全波仿真即可实现斜入射下的超宽带吸波超材料设计，提高了设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及斜入射下的超宽带吸波超材料领域，具体涉及一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料的设计方法。
背景技术
电磁超材料的发展为调控电磁波的极化、幅度和相位以实现多功能提供了广阔前景。吸波超材料以其独特的特性在多种领域广泛应用，如雷达隐身、电磁兼容、无线通信、成像***等。Salisbury screen，Jaumann absorber和完美吸波体，作为早期的成功实践，虽然存在带宽窄和相对较大的厚度的限制，但也为超材料吸波设计探索了可行的技术路线。吸波超材料的带宽、斜入射角度和剖面厚度是一对难以调和的矛盾，因此，要取一个合适的折衷，达到令人满意的性能。电路模拟吸收器的引入是一个优异方案，很大程度解决了以上限制。与此同时，等效电路理论也是一种快速且有效的方法，用于指导设计宽带和低剖面电路模拟吸收器。2020年，Zhang等人提出吸收器由一个有损层和四个嵌入两个芯片电阻器的旋转对称的弯曲金属条组成。嵌入电阻的金属条产生三种谐振模式，电流在不同模式下通过贴片电阻被消耗掉。垂直入射下90％吸波率相对带宽为127.9％。(B.Zhang，C.Jin andZ.Shen，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.vol.68，no.3，pp.835-843，2020.)然而，大多数文献的研究只集中在法向入射角，而斜入射下的吸波亟需原理洞察和实际应用。最近，Yao等人提出一种新型吸收器，该吸收器由嵌入集总电阻器的导电方形回路阵列和精心设计的广角阻抗匹配(WAIM)层组成。引入等效电路(EC)和严格的公式推导，以深入了解斜入射下吸收性能的恶化和WAIM层的影响。在垂直入射下10-dB反射系数的相对带宽为137.1％。在入射角为45°的情况下，横向电(TE)和横向磁(TM)极化的重叠带宽仍为110.5％。(Z.Yao，S.Xiao，Y.Li and B.Wang，IEEE Trans.Antennas Propag.DOI：10.1109/TAP.2022.3149594.)值得一提的是，等效电路对于设计复杂结构是力不从心的，对于斜入射角的指导更需要的是丰富的经验。无源分析的特征模态理论(CMT)定义了一系列相互正交的模式电流，为分析和重塑基本模式和高阶模式提供了深刻的物理见解，其已成功指导设计超表面天线，在微波吸波领域也已有所应用。2021年，Wu等人在特征模式和特征电流的帮助下，确定加载电阻的值，并对所提出的吸收器的等效阻抗和表面电流分布进行了分析，获得了吸波率为90％，相对带宽为126.88％的宽带超材料吸收体(Yanjie Wu，Hai Lin，JieXiong，Junjie Hou，Rui Zhou，Feng Deng，and Rongxin Tang，J.Appl.Phys.Vol.129，pp，134902，2021.)。就研究现状而言，借助特征模理论设计斜入射下的吸波超材料的相关文献甚少，超宽带大角度吸波超材料可以广泛应用于电磁兼容、电磁干扰和减缩雷达散射截面积(RCS)中。因此，为了满足宽频段的应用需求，实现新型斜入射超宽带吸波超材料具有重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术斜入射下吸波超材料设计和性能的不足，本发明提出一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，以下简称“单元”，由上下两层损耗介质板及与其贴合的金属贴片和底层金属接地板组成，从上到下依次为：上层金属贴片，第一介质层，第一空气层，中间层金属贴片，第二介质层，第二空气层，金属地；其特征在于
上层、下层介质板为完全相同的薄片状长方体结构且二者在水平面上的投影重合，上下表面均为正方形，边长为p；
上层金属贴片贴在上层介质板上表面，采用蜿蜒的方环贴片，外环长度l1，方环宽度w1；在方环的直角拐角处嵌入集总电阻R1，在方环每条边中间嵌入集总电阻R2，其中，在方环的每个直角拐角处嵌入两个集总电阻R1，这两个集总电阻分别位于该拐角的两条相互垂直的边上，并且这两个集总电阻R1围住的图形正好是该拐角处最大正方形，该正方形边长为方环宽度w1，在方环每条边中间嵌入的集总电阻R2；方环贴片的每条边与上层介质板的边缘分别平行且保持相同距离；将方环每条边集总电阻R2与该边两头两个集总电阻R1之间的两段金属之间蚀刻成蜿蜒线，蜿蜒线自集总电阻R1向集总电阻R2蜿蜒延伸，蜿蜒线两端与集总电阻R1、R2之间保持一定间距；
中间层金属贴片贴在下层介质板上表面，包括背对背放置的四个完全相同的“L”形金属条，整体呈十字型，每个“L”形金属条占据十字型的两条相邻臂，因此，相邻两个“L”形金属条的邻近边相互平行且两端齐平，但二者之间保持相同距离，四个“L”形金属条邻近边之间的距离相等；十字型金属贴片每条臂与下层介质板的边缘分别平行，且壁端与下层介质板的边缘均保持相同距离；金属条长度l3，金属条宽度w3，金属条间距w4；在每个直角拐角处嵌入两个电阻R3，其布置方式与在方环每个直角拐角处嵌入的两个集总电阻R1相同；
底层金属接地板为金属薄板，其与上层、下层介质板在水平面上的投影重合。
在本发明的一个实施例中，边长p范围为8-12mm；两层介质板厚度hs1和hs2在0.5-1mm范围内；两层介质板之间、下层介质板与底层金属接地板之间的两层空气厚度ha1和ha2分别在3.5-4mm和1-2mm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，边长p为10mm；两层介质板厚度hs1和hs2分别为0.72mm和0.79mm；两层介质板之间、下层介质板与底层金属接地板之间的两层空气厚度ha1和ha2分别为3.87mm和1.5mm；介电常数选取范围为2.2-4.0范围内。
在本发明的另一个实施例中，
上层金属贴片外环长度l1取值范围为8-9mm；方环宽度w1取值范围为0.8-1.2mm；
集总电阻R1、R2取值范围为75Ω-100Ω；
蜿蜒线长度l2取值范围为0.8-0.9mm；蜿蜒线宽度w2取值范围为0.08-0.12mm。
在本发明的另一个具体实施例中，
上层金属贴片外环长度l1为8.5mm；方环宽度w1为1mm；
集总电阻R1、R2为97.6Ω；
蜿蜒线长度l2为0.85mm；蜿蜒线宽度w2为0.1mm。
在本发明的又一个实施例中，中间层金属贴片，金属条长度l3取值范围为3-5mm；金属条宽度w3取值范围为0.8-1.2mm；金属条间距w4取值范围为0.3-0.7mm；两个电阻R3取值范围为50Ω-100Ω。
在本发明的又一个具体实施例中，中间层金属贴片的金属条长度l3为4mm；金属条宽度w3为1mm；金属条间距w4为0.5mm；两个电阻R3为73.2Ω。
此外，在本发明的一个实施例中，将单元中上层金属贴片和上层介质板的组合命名为一单元1，中间层金属贴片和下层介质板的组合命名为二单元2；沿电场极化方向下的等效电路为：
在一单元1中，第一耦合电容Cu1为一单元1相邻金属贴片间的耦合电容；第一等效电感LA1为与极化方向平行的金属条上的等效电感；Cp1为蜿蜒线上的寄生电容；第一等效电阻RA1为***金属条中的R1和R2的等效电阻；在二单元2中，第二耦合电容Cu2为二单元2相邻金属贴片间的耦合电容；第二等效电感LA2为与极化方向平行的金属条上的等效电感；第三等效电感LA3为与极化方向垂直的金属条上的等效电感；第三耦合电容CA1和第四耦合电容CA2为二单元2内的相邻平行金属条间的耦合电容；第二等效电阻RA2为***在下层金属贴片中电阻R3的等效电阻；
在一单元1等效电路中：蜿蜒线寄生电容Cp1与第一等效电感LA1并联，形成第一感容电路；第一耦合电容Cu1一端接平面波端口，一端接第一感容电路的一端；感容电路的另一端通过第一等效电阻RA1接地；
在二单元2等效电路中：第二耦合电容Cu2、第二等效电感LA2、第二等效电阻RA2、第三耦合电容CA1顺序串联，形成第一串联电路，第一串联电路中的第三耦合电容CA1端向下经由第二介质层、第二空气层接地，第一串联电路中的第二耦合电容Cu2端依次向上经由第一空气层、第一介质层接平面波端口，向下经由第二介质层、第二空气层接地；第三等效电感LA3与第四耦合电容CA2串联，形成第二感容电路，该电路中的第三等效电感LA3端与第二耦合电容Cu2、第二等效电感LA2的连接点连接，该电路中的第四耦合电容CA2端向下经由第二介质层、第二空气层接地。
还提供一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料阵列，其基于上述基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，多个单元形成阵列排布。
在本发明的一个实施例中，采用12*12阵列。
本发明的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料的单元和阵列，其优点在于：
1、本发明是基于特征模理论设计斜入射下超宽带吸波超材料，通过特征模分析和等效电路理论推导，能够清晰揭示出所设计超宽带吸波超材料的工作模式与机理。
2、本发明提供一种通用的超宽带吸波超材料的设计思路，该方法无需依赖大量、重复的全波仿真即可实现斜入射下的超宽带吸波超材料设计，提高了设计效率。
3、本发明提出的斜入射下超宽带吸波超材料具有加工易实现、成本低廉、应用前景广阔的特点。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点，结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明超宽带吸波超材料的单元示意图，其中图1(a)为吸波超材料的三维示意图，图1(b)为顶层嵌入电阻的金属蜿蜒方环示意图，图1(c)为中间层嵌入电阻的对称弯曲金属条，最底层为金属接地板；
图2为两个单元无嵌入集总电阻的金属结构的模式电流和模式方向图，其中图2(a)为一单元1(Element 1，E1)的四个模式电流，其中图2(b)为一单元1(Element 1，E1)的四个模式方向图，其中图2(c)为二单元2(Element 2，E2)的四个模式电流，其中图2(d)为二单元2(Element 2，E2)的四个模式方向图；
图3为两个单元有无嵌入集总电阻的模式重要性系数(Modal significances，MS)，其中图3(a)为一单元1无嵌入集总电阻的模式重要性系数，图3(b)为二单元2无嵌入集总电阻的模式重要性系数，图3(c)为一单元1嵌入集总电阻的模式重要性系数，图3(d)为二单元2嵌入集总电阻的模式重要性系数；
图4为两个无嵌入集总电阻的单元在TE和TM极化入射波下的模式加权系数(Modalweighting coefficient，MWC)，其中图4(a)为一单元1在TE极化入射波下的MWC，图4(b)为二单元2在TE极化入射波下的MWC，图4(c)为一单元1在TM极化入射波下的MWC，图4(d)为二单元2在TM极化入射波下的MWC；
图5为等效电路和导纳史密斯圆图，其中图5(a)为所设计的双层吸波超材料的等效电路模型，图5(b)为等效电路计算值与全波仿真的反射系数，图5(c)为所设计的吸波超材料与单独两层吸波的导纳史密斯圆图；
图6为仿真电磁波吸收率和RCS减缩值的色谱图，其中图6(a)为在TE极化入射波下电磁波吸收率与频率和角度的色谱图，图6(b)为在TM极化入射波下电磁波吸收率与频率和角度的色谱图，图6(c)为在TE极化入射波下RCS(Radar cross section)减缩值与频率和角度的色谱图，图6(d)为在TM极化入射波下RCS减缩值与频率和角度的色谱图；
图7为加工实物和测试环境，其中图7(a)所设计的吸波超材料的示意图，图7(b)为测试环境，图7(c)为一单元1所组成的吸波，图7(d)为二单元2所组成的吸波；
图8为仿真和测试结果，其中图8(a)为在TE极化入射波下的吸波率，图8(b)为在TM极化入射波下的吸波率。
具体实施方式
本发明提出一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料的设计方法，吸波超材料单元(以下简称“单元”)结构示意图如图1(a)-(c)所示，单元由上下两层损耗介质板及与其贴合的金属贴片和底层金属接地板组成，其中R1，R2和R3是嵌入在金属贴片内的集总电阻。从图1(a)看出，单元从上到下依次为：上层金属贴片，第一介质层，第一空气层，中间层金属贴片，第二介质层，第二空气层，金属地。
由图1(a)看到，上层、下层介质板为完全相同的薄片状长方体结构且二者在水平面上的投影重合，上下表面均为正方形，边长为p，边长p范围为8-12mm，优选值为10mm；两层介质板厚度hs1和hs2在0.5-1mm范围内，优选值分别为0.72mm和0.79mm；两层介质板之间、下层介质板与底层金属接地板之间的两层空气厚度ha1和ha2分别在3.5-4mm和1-2mm范围内，优选值分别为3.87mm和1.5mm；介电常数选取范围为2.2-4.0范围内，优选值为2.65，损耗角正切值范围为0.01-0.03，优选值为0.02。
上层金属贴片贴在上层介质板上表面，采用蜿蜒的方环贴片，外环长度l1取值范围为8-9mm，优选值为8.5mm；方环宽度w1取值范围为0.8-1.2mm，优选值为1mm。在方环的直角拐角处嵌入集总电阻R1，在方环每条边中间嵌入集总电阻R2，其中，在方环的每个直角拐角处嵌入两个集总电阻R1，这两个集总电阻分别位于该拐角的两条相互垂直的边上，并且这两个集总电阻R1围住的图形正好是该拐角处最大正方形，该正方形边长为方环宽度w1，在方环每条边中间嵌入的集总电阻R2，其位置为本领域技术人员熟知，不再累述；方环贴片的每条边与上层介质板的边缘分别平行且保持相同距离；集总电阻R1、R2取值范围为75Ω-100Ω，优选值都为97.6Ω。将方环每条边集总电阻R2与该边两头两个集总电阻R1之间的两段金属之间蚀刻成蜿蜒线，蜿蜒线自集总电阻R1向集总电阻R2蜿蜒延伸，蜿蜒线两端与集总电阻R1、R2之间保持一定间距；图中示出蜿蜒线一端(与集总电阻R2邻近端)与集总电阻R2保持较宽间距是为了方便焊接电阻；蜿蜒线的长度和宽度取值通过优化获得，方法为本领域技术人员所知，不再累述；蜿蜒线长度l2取值范围为0.8-0.9mm，优选值为0.85mm；蜿蜒线宽度w2取值范围为0.08-0.12mm，优选值为0.1mm。
中间层金属贴片贴在下层介质板上表面，包括背对背放置的四个完全相同的“L”形金属条，整体呈十字型，每个“L”形金属条占据十字型的两条相邻臂，因此，相邻两个“L”形金属条的邻近边相互平行且两端齐平，但二者之间保持相同距离，四个“L”形金属条邻近边之间的距离相等；十字型金属贴片每条臂与下层介质板的边缘分别平行，且壁端与下层介质板的边缘均保持相同距离；金属条长度l3取值范围为3-5mm，优选值为4mm；金属条宽度w3取值范围为0.8-1.2mm，优选值为1mm；金属条间距w4取值范围为0.3-0.7mm，优选值为0.5mm。与上层金属贴片类似，在每个直角拐角处嵌入两个电阻R3，其布置方式与在方环每个直角拐角处嵌入的两个集总电阻R1相同，取值范围为50Ω-100Ω，优选值为73.2Ω。
底层金属接地板为金属薄板，其与上层、下层介质板在水平面上的投影重合。
本发明的数值运算由电磁仿真软件CST Studio Suite 2020仿真实现。对上层结构单元1(E1)不含电阻和蜿蜒曲线进行特征模式分析。图3(a)为可以看出在5-20GHz内谐振4个主要模式。图2(a)和(b)为一单元1的模式电流和模式方向图。Ja1和Ja2为一对正交模式，模式方向图的最大值都沿法向方向。Ja3的模式电流在每条边的中间最强，Ja4的模式电流在每条边都反向，且都旋转对称。Ja3和Ja4模式方向图在法向方向上都为零点。Ja1，Ja2和Ja4的模式电流在直角拐角处最强。如图4(a)和(c)所示，在法向入射波下，只激发了Ja1和Ja2。由互易定理可知，辐射和吸收模式具有一致性。因此，沿法向方向辐射的模式方向图吸收垂直入射波能力最强。对于TE极化入射波，激发了Ja1，Ja2(未画出，大小与Ja1相等)和Ja3。可以看出，随着入射角度增大，Ja1的激发程度变小，Ja3的激发向高频处转移。对于TM极化入射，Ja1和Ja2仍是主要激发模式，此外，Ja4也被激发，随着入射角度增大，激发幅度变大并向高频处转移。为提高在垂直入射和斜入射下电磁波的吸收能力，在4个模式电流的最强处加载集总电阻，即在4个拐角处加载8个电阻R1，在每条边的中间加载4个电阻R2。取R1＝100Ω，R2＝100Ω，对加载电阻的一单元1进行模式分析，4个基本模式的模式电流和模式方向图没有发生变化，但MS得到了明显拓宽，如图3(c)所示。
对二单元2进行与一单元1相同的操作，对不含电阻的单元2进行特征模分析，得到MS，可以看到主要有四个模式谐振在13-16GHz内，Jb1和Jb2是一对正交模式，模式方向图都沿法向方向辐射，毫无疑问在垂直平面波入射下，主要激发Jb1和Jb2。Jb3的模式电流轴对称，而Jb4的模式电流旋转对称，并且Jb3和Jb4的模式方向图在法向方向上都为零点。对于TE极化入射波，随着入射角的增大，Jb1和Jb2(未画出，大小与Jb1相等)的激发就越小，Jb4的激发变大，但相对于来说，激发仍是较小的。对于TM极化入射波，随着入射角增大，Jb3的激发就越大，Jb1的激发先增大后减小，在θ＝60°时，Jb3的激发比Jb1大。根据互易定理可知，在斜入射下，Jb1和Jb3起主要吸波作用。四个模式电流的最强处都位于弯曲金属条的拐角处。为拓展MS的带宽和增强斜入射波下的吸波能力，在模式电流最强处嵌入集总电阻。再次进行特征模分析，模式电流和模式方向图都未发生变化，4个模式的MS都变宽了，如图3(d)所示。在法向入射波下以及斜入射波下，得到较强的吸波能力。
将单元中上层金属贴片和上层介质板的组合命名为一单元1，中间层金属贴片和下层介质板的组合命名为二单元2。考虑沿电场极化方向下的等效电路，一单元1和二单元2的等效R-L-C分别如图1(b)和(c)所示。在一单元1中，第一耦合电容Cu1为一单元1相邻金属贴片(即一单元1方环贴片的两条相邻边)间的耦合电容；第一等效电感LA1为与极化方向平行的金属条上的等效电感，与极化方向平行的所有金属条都具有等效电感LA1；Cp1为蜿蜒线上的寄生电容，采用小型化结构的蜿蜒线以便于拓宽吸波带宽。第一等效电阻RA1为***金属条中的R1和R2的等效电阻(R1和R2是实际加工中焊接的电阻，是实际存在的。如图5(b)所示，一个全波仿真值，一个等效电路模型值，两个值要相等。在等效电路中，R1和R2等效成RA1，取值不一样，概念也不一样，RA1是在等效电路中满足曲线的仿真值)。在二单元2中，第二耦合电容Cu2为二单元2相邻金属贴片(即二单元2方环贴片的两条相邻边)间的耦合电容；第二等效电感LA2为与极化方向平行的金属条上的等效电感，与极化方向平行的所有金属条都具有第二等效电感LA2；第三等效电感LA3为与极化方向垂直的金属条上的等效电感，与极化方向垂直的所有金属条都具有第三等效电感LA3；第三耦合电容CA1和第四耦合电容CA2为二单元2内的相邻平行金属条间的耦合电容(相同点是：二者都是二单元2内的耦合电容，不同于单元间的耦合电容Cu1和Cu2；从图1(c)可以看出，CA1和CA2是不同位置下的耦合电容，CA1是沿极化方向下，二单元2内相邻金属条间的耦合电容，CA2是沿与极化方向垂直下，二单元2内相邻金属条间的耦合电容)；第二等效电阻RA2为***在下层金属贴片中电阻R3的等效电阻(R3是实际加工中焊接的电阻，是实际存在的。如图5(b)所示，一个全波仿真值，一个等效电路模型值，两个值要相等。在等效电路中，R3等效成第二等效电阻RA2，取值不一样，概念也不一样，第二等效电阻RA2是在等效电路中满足曲线的仿真值)。
如图5(a)所示，一单元1和二单元2的等效电路用虚线框标注出，左边为一单元1的等效电路，右边为二单元2的等效电路。一单元1等效电路由R-L-C串联电路组成，在低频处形成两个谐振点吸收电磁波。在一单元1等效电路中：蜿蜒线寄生电容Cp1与第一等效电感LA1并联，形成第一感容电路；第一耦合电容Cu1一端接平面波端口，一端接第一感容电路的一端；感容电路的另一端通过第一等效电阻RA1接地。在二单元2等效电路中：第二耦合电容Cu2、第二等效电感LA2、第二等效电阻RA2、第三耦合电容CA1顺序串联，形成第一串联电路，第一串联电路中的第三耦合电容CA1端向下经由第二介质层、第二空气层接地，第一串联电路中的第二耦合电容Cu2端依次向上经由第一空气层、第一介质层接平面波端口，向下经由第二介质层、第二空气层接地；第三等效电感LA3与第四耦合电容CA2串联，形成第二感容电路，该电路中的第三等效电感LA3端与第二耦合电容Cu2、第二等效电感LA2的连接点连接，该电路中的第四耦合电容CA2端向下经由第二介质层、第二空气层接地。二单元2等效电路中，串联谐振电路LA2RA2CA1和串联谐振电路LA3CA2并联连接，在高频处形成两个谐振点吸收电磁波，两层介质板和空气层起阻抗匹配作用，两个单元的等效电路共同起作用以达到超宽带吸收电磁波。
多个单元形成阵列排布，在本发明的一个具体实施例中，采用12*12阵列，在Advanced Design System(ADS)中建立电路模型，进行拟合，优化得到R-L-C值。等效电路模型和全波仿真之间的良好吻合证明了等效电路模型的可靠性，如图5(b)所示。Y1和Y2分别为单层E1和E2在法向入射波下的最佳匹配状态下的导纳。阴影部分为-10dB反射系数。从图5(c)可以看出，所提出的双层吸波比单层吸波具有更宽的吸波带宽。
本发明提出的斜入射超宽带吸波超材料通过仿真模拟与加工测量验证了发明的可行性。如图6(a)和(b)所示，所提出的吸波具有极化不敏感和角度稳点性。对于TE极化，在4-20GHz内吸收率都几乎在90％以上，除了一些频段。对于TM极化，随着入射角度增大，吸收率90％带宽向高频处转移，仍能达到4倍频。与此同时，所提出的吸波在吸收电磁波，减缩RCS方面也展现出了卓越的性能。图6(c)和(d)可以看出，与相同面积的金属接地板相比，无论是TE极化还是TM极化，所提出的吸波几乎都能在0-60°内减缩10dB。为验证所提出吸波的超宽带和极化不敏感的特征，吸波阵列由12*12单元组成。考虑到焊盘，在拐角处的相邻电阻空间距离较近。因此，将其中一个电阻放置在介质板的背面，通过金属化过孔连接，如图7(c)和(d)所示。在法向入射下，吸收带宽没有任何影响，并且在斜入射下，除了吸收带宽向低频转移，吸波带宽也毫无影响。图8展示在TE和TM极化下的测量和仿真结果的良好吻合，充分证明所设计的吸波超材料的可靠性和有效性。
本发明提出一种新颖的超宽带、极化不敏感的超材料吸波。吸波由导电方环和对称弯曲金属条以及损耗层组成。通过分析模式场和模式参数，在导电蜿蜒方环和弯曲的金属条的模式电流最大处加载集总电阻。同时，等效电路模型被分析，进一步理解超宽带吸收机制。仿真和实测表明所提出的超材料吸波结构，在法向入射下，90％吸波率带宽为4.3-26.5GHz(143.3％)。在斜入射角为45°时，TE极化和TM极化下的吸波带宽分别为5.1-21.3GHz(122.72％)和6.8-29.5GHz(125.07％)。所提出的方法能拓展到其他频域和先进超材料吸波设计。
Claims (10)
1.一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，以下简称“单元”，由上下两层损耗介质板及与其贴合的金属贴片和底层金属接地板组成，从上到下依次为：上层金属贴片，第一介质层，第一空气层，中间层金属贴片，第二介质层，第二空气层，金属地；其特征在于
上层、下层介质板为完全相同的薄片状长方体结构且二者在水平面上的投影重合，上下表面均为正方形，边长为p；
上层金属贴片贴在上层介质板上表面，采用蜿蜒的方环贴片，外环长度l1，方环宽度w1；在方环的直角拐角处嵌入集总电阻R1，在方环每条边中间嵌入集总电阻R2，其中，在方环的每个直角拐角处嵌入两个集总电阻R1，这两个集总电阻分别位于该拐角的两条相互垂直的边上，并且这两个集总电阻R1围住的图形正好是该拐角处最大正方形，该正方形边长为方环宽度w1，在方环每条边中间嵌入的集总电阻R2；方环贴片的每条边与上层介质板的边缘分别平行且保持相同距离；将方环每条边集总电阻R2与该边两头两个集总电阻R1之间的两段金属之间蚀刻成蜿蜒线，蜿蜒线自集总电阻R1向集总电阻R2蜿蜒延伸，蜿蜒线两端与集总电阻R1、R2之间保持一定间距；
中间层金属贴片贴在下层介质板上表面，包括背对背放置的四个完全相同的“L”形金属条，整体呈十字型，每个“L”形金属条占据十字型的两条相邻臂，因此，相邻两个“L”形金属条的邻近边相互平行且两端齐平，但二者之间保持相同距离，四个“L”形金属条邻近边之间的距离相等；十字型金属贴片每条臂与下层介质板的边缘分别平行，且壁端与下层介质板的边缘均保持相同距离；金属条长度l3，金属条宽度w3，金属条间距w4；在每个直角拐角处嵌入两个电阻R3，其布置方式与在方环每个直角拐角处嵌入的两个集总电阻R1相同；
底层金属接地板为金属薄板，其与上层、下层介质板在水平面上的投影重合。
2.如权利要求1所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，边长p范围为8-12mm；两层介质板厚度hs1和hs2在0.5-1mm范围内；两层介质板之间、下层介质板与底层金属接地板之间的两层空气厚度ha1和ha2分别在3.5-4mm和1-2mm范围内。
3.如权利要求2所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，边长p为10mm；两层介质板厚度hs1和hs2分别为0.72mm和0.79mm；两层介质板之间、下层介质板与底层金属接地板之间的两层空气厚度ha1和ha2分别为3.87mm和1.5mm；介电常数选取范围为2.2-4.0范围内。
4.如权利要求1所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，
上层金属贴片外环长度l1取值范围为8-9mm；方环宽度w1取值范围为0.8-1.2mm；
集总电阻R1、R2取值范围为75Ω-100Ω；
蜿蜒线长度l2取值范围为0.8-0.9mm；蜿蜒线宽度w2取值范围为0.08-0.12mm。
5.如权利要求4所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，
上层金属贴片外环长度l1为8.5mm；方环宽度w1为1mm；
集总电阻R1、R2为97.6Ω；
蜿蜒线长度l2为0.85mm；蜿蜒线宽度w2为0.1mm。
6.如权利要求1所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，中间层金属贴片，金属条长度l3取值范围为3-5mm；金属条宽度w3取值范围为0.8-1.2mm；金属条间距w4取值范围为0.3-0.7mm；两个电阻R3取值范围为50Ω-100Ω。
7.如权利要求6所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，中间层金属贴片的金属条长度l3为4mm；金属条宽度w3为1mm；金属条间距w4为0.5mm；两个电阻R3为73.2Ω。
8.如权利要求1所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，将单元中上层金属贴片和上层介质板的组合命名为一单元(1)，中间层金属贴片和下层介质板的组合命名为二单元(2)；沿电场极化方向下的等效电路为：
在一单元(1)中，第一耦合电容Cu1为一单元(1)相邻金属贴片间的耦合电容；第一等效电感LA1为与极化方向平行的金属条上的等效电感；Cp1为蜿蜒线上的寄生电容；第一等效电阻RA1为***金属条中的R1和R2的等效电阻；在二单元(2)中，第二耦合电容Cu2为二单元(2)相邻金属贴片间的耦合电容；第二等效电感LA2为与极化方向平行的金属条上的等效电感；第三等效电感LA3为与极化方向垂直的金属条上的等效电感；第三耦合电容CA1和第四耦合电容CA2为二单元(2)内的相邻平行金属条间的耦合电容；第二等效电阻RA2为***在下层金属贴片中电阻R3的等效电阻；
在一单元(1)等效电路中：蜿蜒线寄生电容Cp1与第一等效电感LA1并联，形成第一感容电路；第一耦合电容Cu1一端接平面波端口，一端接第一感容电路的一端；感容电路的另一端通过第一等效电阻RA1接地；
在二单元(2)等效电路中：第二耦合电容Cu2、第二等效电感LA2、第二等效电阻RA2、第三耦合电容CA1顺序串联，形成第一串联电路，第一串联电路中的第三耦合电容CA1端向下经由第二介质层、第二空气层接地，第一串联电路中的第二耦合电容Cu2端依次向上经由第一空气层、第一介质层接平面波端口，向下经由第二介质层、第二空气层接地；第三等效电感LA3与第四耦合电容CA2串联，形成第二感容电路，该电路中的第三等效电感LA3端与第二耦合电容Cu2、第二等效电感LA2的连接点连接，该电路中的第四耦合电容CA2端向下经由第二介质层、第二空气层接地。
9.一种基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料阵列，其基于如权利要求1至7任一项所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料单元，其特征在于，多个单元形成阵列排布。
10.如权利要求9所述的基于特征模理论的斜入射超宽带吸波超材料阵列，其特征在于，采用12*12阵列。
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