專利名稱：一種單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波電磁材料領(lǐng)域,具體涉及一種實現(xiàn)單頻/雙頻轉(zhuǎn)換的電磁超介質(zhì)吸波材料。
背景技術(shù)：
2000年，D. R. Smith等人基于J. B. Pendry提出的構(gòu)造單負(fù)介電常數(shù)超材料、單負(fù)磁導(dǎo)率超材料的思想，首次人工合成出在X波段等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時為負(fù)的負(fù)折射率微波材料，實現(xiàn)了 1968年前蘇聯(lián)科學(xué)家V. G. Veselago所預(yù)言的理想負(fù)折射率材料。2008年,Landy等人提出了一種完美超介質(zhì)吸波材料的概念,通過合理的設(shè)計和選擇參數(shù)，這種電磁諧振器超材料能夠?qū)θ肷潆姶挪ǖ碾姶欧至糠謩e產(chǎn)生耦合，從而在一個給定的頻帶內(nèi)對入射到超材料表面的電磁波既不產(chǎn)生反射也不產(chǎn)生透射，實現(xiàn)完美吸收?，F(xiàn)有的多頻超介質(zhì)吸波材料主要是利用多個大小不同、結(jié)構(gòu)相似的諧振單元組合而成，通過不同諧振單元工作頻段不同達(dá)到多個頻段，其工作頻段的調(diào)控較難實現(xiàn)，并且無法實現(xiàn)單頻/多頻工作頻段的轉(zhuǎn)換，從而限制了超介質(zhì)吸波材料的實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有電磁超介質(zhì)吸波材料無法實現(xiàn)單頻/多頻工作頻段的轉(zhuǎn)換，提供一種實現(xiàn)單頻/雙頻工作頻段轉(zhuǎn)換以及雙頻頻段智能控制的電磁超介質(zhì)吸波材料。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下
一種單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，所述吸波材料的基材為PCB基板，在PCB基板的一面刻蝕有周期排列的雪花狀諧振結(jié)構(gòu)；所述雪花狀諧振結(jié)構(gòu)是由主臂和主臂上的次級臂構(gòu)成的層級結(jié)構(gòu)，其中，主臂有三條，且三條主臂的中心均相交于同一點，三條主臂相互成60度角，至多只有兩條主臂的長度相等；所述主臂上的次級臂呈中心對稱分布。進(jìn)一步,所述主臂臂長4. 4 6. Omm,臂寬O. 3_。進(jìn)一步,所述次級臂臂長I. Imm,臂寬O. 2mm。進(jìn)一步，所述次級臂與主臂的夾角為60度。進(jìn)一步，所述次級臂距中心距離為I. 65mm。本發(fā)明所述的單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，其基本結(jié)構(gòu)單元為雪花狀諧振結(jié)構(gòu)。相同幾何參數(shù)的雪花狀諧振結(jié)構(gòu)按照一定的周期間隔排列而成，該吸波材料在微波頻段內(nèi)可以通過改變諧振單元臂長的長短來實現(xiàn)單頻/雙頻的轉(zhuǎn)換并且智能調(diào)節(jié)雙頻吸波的工作頻段。


圖I為本發(fā)明具有雪花狀諧振結(jié)構(gòu)的單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料樣品(左)以及單元結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(右)。圖2 (B)Z1=S. 8mm,Z2=6. Omm7Z3從6. Omm變化到4. 4mm時的吸波率數(shù)值仿真結(jié)果；(b)Z1=5. 8mm, Z2=6. Omm7Z3從6. Omm變化到4. 4mm時的吸波率實際測試結(jié)果。圖3 (B)Z1=S. 8mm,Z3=4. 4mm,Z2從6. Omm變化到4. 4mm時的吸波率數(shù)值仿真結(jié)果；(b)Z1=5. 8mm, L3=A. 4mm, Z2從6. Omm變化到4. 4mm時的吸波率實際測試結(jié)果。 圖4 (a)Z2=6. 0mm,Z3=4. 4mm,Z1從5. 8mm變化到4. 6mm時的吸波率數(shù)值仿真結(jié)果；(b)Z2=6. 0mm, L3=A. 4mm, Z1從5. 8mm變化到4. 6mm時的吸波率實際測試結(jié)果。圖5 (8)/^=5. 8mm, Ζ2=Ζ3=6· Omm,在9. 85GHz處諧振單元表面電流分布圖；(b)Z1=S. 8mm, L2=Lz=A. 4mm,在 10. 68GHz 處諧振單兀表面電流分布圖；(C)Z1=S. 8mm, Z2=6. 0mm,Z3=4. 4mm,在 9. 95GHz 處諧振單元表面電流分布圖；((1)/^=5. 8mm, L2-fO. 0mm, Ζ3=4· 4mm,在10. 36GHz處諧振單元表面電流分布圖。
具體實施例方式本發(fā)明所提出的可調(diào)諧雪花狀單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料示意圖如圖I所示，該結(jié)構(gòu)為層級結(jié)構(gòu)，三條主臂分別為U、L2和L3，主臂LpL2和L3的中心相交在同一點，且三條主臂相互成60度夾角，至多只有兩條主臂的長度相等；每條主臂上各有四個對稱的次級臂，各主臂上的次級臂距離諧振結(jié)構(gòu)的中心距離相同，呈中心對稱分布，次級臂與主臂的夾角為60度。在以下實施例中采用環(huán)氧樹脂PCB基板，PCB板的兩面均為金屬銅，中間介質(zhì)為絕緣層，如FR4板材(介質(zhì)厚度為O. 8mm,其相對介電常數(shù)4 = 4.00，損耗角正切tan 5= 0.02 ;兩面的金屬銅的厚度為O. 018mm)，在PCB基板的一面刻蝕出雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)。該諧振結(jié)構(gòu)主臂臂長4. 4mm 6. Omm,臂寬O. 3mm ;次級臂臂長I. 1mm，臂寬O. 2臟，次級臂距中心距離為I. 65臟，該諧振結(jié)構(gòu)的排列周期8mm。本發(fā)明的工作機(jī)理如下
本發(fā)明所提及的超介質(zhì)吸波材料中雪花狀諧振結(jié)構(gòu)單元陣列在入射電磁波作用下能
產(chǎn)生電諧振響應(yīng)，其宏觀特性對應(yīng)于有效介電常數(shù):ε(Φ);單元諧振結(jié)構(gòu)與介質(zhì)基板背面的
銅板之間同時產(chǎn)生磁諧振響應(yīng)，其宏觀特性對應(yīng)于有效磁導(dǎo)率#(>)。調(diào)節(jié)諧振結(jié)構(gòu)單元的
形狀大小以及諧振結(jié)構(gòu)與銅板之間的距離(即介質(zhì)基板的厚度)，可使得40 ) = /<句，因此其
歸一化阻抗= 士⑷/t'(a) = I,與自由空間A阻抗匹配,反射系數(shù)S11=Cn調(diào)節(jié)優(yōu)化參數(shù)
的同時，保證有效介電常數(shù): 以及磁導(dǎo)率/i(>)的虛部同時最大化，從而使得表征介質(zhì)
吸波損耗效應(yīng)的參數(shù)= Im(e·) / Re(e)以及taniy = Im(Jj)/ Re(/i)最大化。而介質(zhì)板背面的
銅板使得傳輸系數(shù)S21=O:,因此改吸波材料的吸波率可定義為歧句= l-|&f-Iif，達(dá)到完美吸波。一般的吸波材料都采用軸對稱諧振單元結(jié)構(gòu)，在軸對稱諧振單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諧振時，單元的表面電流也是對稱的，從而實現(xiàn)電諧振特性。一個簡單的諧振結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生一個諧振頻段，使用不同諧振單元結(jié)構(gòu)相組合或者相連接能達(dá)到多頻段諧振的效果，但是較難控制其諧振頻率。而本發(fā)明與其他諧振單元的最大不同點在于，簡單調(diào)節(jié)雪花狀諧振結(jié)構(gòu)的主臂臂長使得其中兩個主臂相等時(其為軸對稱結(jié)構(gòu))，可以得到單一的工作頻段。而當(dāng)調(diào)節(jié)主臂臂長不相等時，使得諧振結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)。在諧振頻率附近，其表面電流表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)對稱，同樣能實現(xiàn)電諧振，因此可以實現(xiàn)共振吸波特性。而且在非對稱情況下，該單元結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)雙頻共振吸波特性，其雙頻共振頻率可進(jìn)一步地由調(diào)節(jié)其主臂臂長調(diào)節(jié)。實施例一
采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 836mm的FR4板材一面刻蝕出周期排列的雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)(按照設(shè)計的圖案，將該面多余的金屬銅刻蝕去掉后，余下的銅即為雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu))，其中，諧振結(jié)構(gòu)單元的主臂臂長Z1=S. 8mm, Z2=6. 0mm, Z3從6. Omm以步長O. 4mm變化到4. 4mm,主臂臂寬a=0. 3mm,次級臂臂長￠/=1. 1mm,次級臂臂寬辦=0. 2mm,次級臂距中心距離c=l. 65mm,相鄰諧振結(jié)構(gòu)單元間距8mm,雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)以及FR4板材另一面的金屬銅厚度均為O. 018mm。制得五組樣品，其吸波率仿真以及測試結(jié)果如圖2所示，其中(a)為數(shù)值仿真結(jié)果，(b)為樣品測試結(jié)果。由圖2 (a)可知，Z3=6. Omm時，該諧振結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，僅在9. 85GHz處有一個吸波頻段。在^3從5. 6mm變化到4. 4mm時，單一吸波頻段變?yōu)殡p頻吸波，并且第一個吸波頻段在乙減小時頻率緩慢增加，吸波率下降；第二個吸波頻段在乙減小時頻率快速增加，吸波率升高。圖5 (a)為乙=5.8臟，乙=6.0111111，乙=6.0111111時諧振單元的表面電流圖，由圖可知，表面電流軸對稱，因此只有一個吸波頻段。實施例二
采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 836mm的FR4板材一面刻蝕出周期排列的雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)(方法同實施例一)，其中，諧振結(jié)構(gòu)單元的主臂臂長Α=5. 8mm, Z3=4. 4mm, L2從
4.4mm以步長0. 4mm變化到6. 0mm,主臂臂寬a=0. 3mm,次級臂臂長￠/=1. lmm,次級臂臂寬b=Q. 2mm,次級臂距中心距離c=l. 65mm,相鄰諧振結(jié)構(gòu)單元間距8mm,雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)以及FR4板材另一面的金屬銅厚度均為O. 018mm。制得五組樣品，其吸波率仿真以及測試結(jié)果如圖3所示，其中(a)為數(shù)值仿真結(jié)果，(b)為樣品測試結(jié)果。由圖3 (a)可知，Z2=4. 4_時，諧振結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，僅在10. 68GHz處有一個吸波頻段。在L2從4. 8mm變化到6. Omm時，單一吸波頻段變?yōu)殡p頻吸波，并且第一個吸波頻段在匕增大時頻率快速增加，吸波率下降；第二個吸波頻段在乙增大時頻率緩慢增加，吸波率升高。圖5(13)為&=5. 8mm，Z3=4. 4mm,Z2=4. 4mm時諧振單元的表面電流圖，由圖可知，表面電流軸對稱，因此只有一個吸波頻段。實施例三
采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 836mm的FR4板材一面刻蝕出周期排列的雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)(方法同實施例一)，其中，諧振結(jié)構(gòu)單元的主臂臂長4=6. 0mm, Z3=4. 4mm, L1從5. 8mm以步長O. 4mm變化到4. 6mm,主臂臂寬a=0. 3mm,次級臂臂長d=l. lmm,次級臂臂寬b=0. 2mm,次級臂距中心距離c=l. 65mm,相鄰諧振結(jié)構(gòu)單元間距8mm,雪花狀金屬諧振結(jié)構(gòu)以及FR4板材另一面的金屬銅厚度均為O. 018mm。制得四組樣品，其吸波率仿真以及測試結(jié)果如圖4所示，其中(a)為數(shù)值仿真結(jié)果，(b)為樣品測試結(jié)果。由圖4 (a)可知，該種情況下出現(xiàn)了兩個吸波頻帶，L1的長度降低時，兩個諧振頻段同時升高，并且第一個吸波頻段吸波率上升，第二個吸波頻段吸波率下降。圖5 (c)和(d)為/^=5. 8mm,Z2=6. 0mm,Z3=4. 4mm,在入射波頻率為9. 95GHz和10. 36GHz時諧振單元的表面電流圖，由圖可知，表面電流在兩個頻點均為旋轉(zhuǎn)對稱的，因此有兩個吸波頻段。由實施例可知，通過改變主臂的長度，本發(fā)明可以進(jìn)行單頻/雙頻的轉(zhuǎn)換并且對雙頻頻段進(jìn)行簡單控制。
權(quán)利要求
1.一種單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，所述吸波材料的基材為PCB基板，其特征在于在PCB基板的一面刻蝕有周期排列的雪花狀諧振結(jié)構(gòu)；所述雪花狀諧振結(jié)構(gòu)是由主臂和主臂上的次級臂構(gòu)成的層級結(jié)構(gòu)，其中，主臂有三條，且三條主臂的中心均相交于同一點，三條主臂相互成60度角，至多只有兩條主臂的長度相等；所述主臂上的次級臂呈中心對稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，其特征在于所述主臂臂長4.4 6. Ctam,臂寬 O. 3臟。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，其特征在于所述次級臂臂長 I. 1mm,臂寬 O. 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，其特征在于所述次級臂與主臂的夾角為60度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，其特征在于所述次級臂距中心距離為I. 65mm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種單頻/雙頻電磁超介質(zhì)吸波材料，所述吸波材料的基材為PCB基板，在PCB基板的一面刻蝕有周期排列的雪花狀諧振結(jié)構(gòu)；所述雪花狀諧振結(jié)構(gòu)是由主臂和主臂上的次級臂構(gòu)成的層級結(jié)構(gòu)，其中，主臂有三條，且三條主臂的中心均相交于同一點，三條主臂相互成60度角，至多只有兩條主臂的長度相等；所述主臂上的次級臂呈中心對稱分布。該吸波材料在微波頻段內(nèi)可以通過改變諧振單元臂長的長短來實現(xiàn)單頻/雙頻的轉(zhuǎn)換并且智能調(diào)節(jié)雙頻吸波的工作頻段。
文檔編號H01Q17/00GK102931495SQ201210427068
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者文光俊, 黃勇軍, 王黃騰龍 申請人:電子科技大學(xué), 無錫成電科大科技發(fā)展有限公司