一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體的制作方法
【專利摘要】一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，屬于微波天線工程【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)超材料吸波體工作帶寬窄，并且對入射電場波極化方向敏感的問題。本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體包括：頂層諧振結(jié)構(gòu)、中層介質(zhì)板和底層銅箔，諧振結(jié)構(gòu)包括開口諧振環(huán)和位于環(huán)內(nèi)的金屬片；當電磁波入射到吸波體上時，諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場環(huán)路，介質(zhì)板產(chǎn)生介電損耗，電磁能通過損耗轉(zhuǎn)化為熱能，從而吸收電磁波的損耗，吸波體對不同極化方向的入射波均具有吸收作用，進而使吸波體對入射波極化方向不敏感。同時吸波體的工作帶寬達到9.20GHz。本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，適用于屏蔽電磁干擾和隱身技術(shù)等領(lǐng)域。
【專利說明】一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于微波天線工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]吸收體，又稱吸波材料，指能吸收投射到它表面的電磁波能量的一類材料。在工程應(yīng)用上，除要求吸波材料在較寬頻帶內(nèi)對電磁波具有高的吸收率外，還要求它具有質(zhì)量輕、耐溫、耐濕、抗腐蝕等性能。傳統(tǒng)的吸波體，諸如尖劈形材料、磁性吸收劑和Salisbury吸收屏等存在密度大，使用溫度低或厚度較大等缺陷。
[0003]超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。以左手材料，光子晶體，頻率選擇表面為代表的超材料，在光學成像，小型化天線，電磁波隱形等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。而超材料吸波體由于其“薄、輕、強、帶寬可調(diào)”等優(yōu)勢更是成為了當今吸波體研究的熱點內(nèi)容。
[0004]2008年Landy等人研制出一種超材料吸收體,對于入射到其表面的電磁波既不反射也不透射，達到電磁波完全吸收的科學標準。但Landy提出的超材料吸波體存在以下兩個方面的問題:
[0005]1、要求入射電磁波的電場的方向與諧振器銅線方向保持平行，以激勵磁諧振。當電場方向與銅線垂直時，幾乎不具有吸波性，即對入射電磁波極化方向敏感；
[0006]2、僅能在極窄的頻帶上實現(xiàn)對入射電磁波的完美吸收。
[0007]因此其應(yīng)用價值受到了極大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)超材料吸波體工作帶寬窄，并且對入射電場波極化方向敏感的問題，現(xiàn)提供一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體。
[0009]一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，該吸波體為周期性結(jié)構(gòu)，一個單元的吸波體包括:諧振結(jié)構(gòu)、介質(zhì)板和銅箔；
[0010]所述諧振結(jié)構(gòu)包括:開口諧振環(huán)和金屬片；
[0011]所述開口諧振環(huán)和金屬片均為矩形，開口諧振環(huán)的開口位于矩形環(huán)一邊的中間位置，開口寬度在0.1mm至3.6mm之間；
[0012]金屬片位于開口諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)，金屬片的邊與開口諧振環(huán)的邊平行，金屬片與開口諧振環(huán)之間的間隙在0.8mm至1.2mm之間；
[0013]諧振結(jié)構(gòu)固定在介質(zhì)板的一面，銅箔覆蓋在介質(zhì)板的另一面。
[0014]本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，它包括:頂層諧振結(jié)構(gòu)、中層介質(zhì)板和底層銅箔，頂層諧振結(jié)構(gòu)包括開口諧振環(huán)和位于環(huán)內(nèi)的金屬片；當電磁波入射到吸波體上時，諧振結(jié)構(gòu)在該電磁波的波頻下進行諧振，同時諧振結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生磁場環(huán)路，該磁場環(huán)路使金屬片和介質(zhì)板上產(chǎn)生電流，從而使介質(zhì)板產(chǎn)生介電損耗，同時金屬片上也會產(chǎn)生歐姆損耗，電磁波的電磁能通過損耗轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)對入射電磁波的損耗吸收，使吸波體對于不同極化方向的入射波均具有吸收作用，進而解決了吸波體對入射波極化方向敏感的問題。
[0015]本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體在9.40GHz至18.60GHz的頻率范圍內(nèi)，吸波體對水平極化波和垂直極化波的吸收率均達到60%以上，并在17.8GHz時達到吸收峰值99.999%。吸波體的工作帶寬達到9.20GHz，相對帶寬為65.71%，實現(xiàn)了寬帶指標。
[0016]另外，本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體是一種周期性結(jié)構(gòu)，能夠使用多個單元的吸波體排列在一起進行工作，通過改變單元個數(shù)，進而能夠改變吸波體的工作頻帶。同時，本發(fā)明成本低廉，利用普通的PCB印刷技術(shù)便能夠進行加工，適合大批量低成本生產(chǎn)。本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，適用于屏蔽電磁干擾和隱身技術(shù)等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體九個單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為一個單元的寬帶極化不敏感的超材料吸波體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為圖2的仰視圖；
[0020]圖4為一個單元的寬帶極化不敏感的超材料吸波體的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為入射水平極化波時S參數(shù)曲線圖，其中實線表示第一 S參數(shù)曲線，虛線表示第二S參數(shù)曲線；
[0022]圖6為入射垂直極化波時S參數(shù)曲線圖，其中實線表示第一 S參數(shù)曲線，虛線表示第二S參數(shù)曲線；
[0023]圖7為入射水平極化波時吸波體的吸收率曲線圖；
[0024]圖8為入射垂直極化波時吸波體的吸收率曲線圖；
[0025]圖9為10.20GHz時諧振結(jié)構(gòu)表面的電流分布圖；
[0026]圖10為13.68GHz時諧振結(jié)構(gòu)表面的電流分布圖；
[0027]圖11為17.80GHz時諧振結(jié)構(gòu)表面的電流分布圖。
【具體實施方式】
[0028]【具體實施方式】一:參照圖2、圖3和圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，該吸波體為周期性結(jié)構(gòu)，一個單元的吸波體包括:諧振結(jié)構(gòu)、介質(zhì)板3和銅箔4 ；
[0029]所述諧振結(jié)構(gòu)包括:開口諧振環(huán)I和金屬片2 ；
[0030]所述開口諧振環(huán)I和金屬片2均為矩形，開口諧振環(huán)I的開口位于矩形環(huán)一邊的中間位置，開口寬度在0.1mm至3.6mm之間；
[0031]金屬片2位于開口諧振環(huán)I的環(huán)內(nèi)，金屬片2的邊與開口諧振環(huán)I的邊平行，金屬片2與開口諧振環(huán)I之間的間隙在0.8mm至1.2mm之間；
[0032]諧振結(jié)構(gòu)固定在介質(zhì)板3的一面，銅箔4覆蓋在介質(zhì)板3的另一面。
[0033]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體作進一步說明，本實施方式中，所述金屬片2為銅片。[0034]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體作進一步說明，本實施方式中，所述金屬片的厚度為0.03mm。
[0035]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體作進一步說明，本實施方式中，所述介質(zhì)板3為FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)為4.3，損耗角的正切值為0.025。
[0036]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體作進一步說明，本實施方式中，所述介質(zhì)板3為長方體，其長度與寬度之比在
0.8至1.25之間。
[0037]在實際應(yīng)用中，開口諧振環(huán)I的邊與開口諧振環(huán)I所在介質(zhì)板3平面的邊夾角呈45°，此時一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體的吸收率達到最大。
[0038]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】一、四或五七所述的種基于超材料的寬帶極化不敏感吸波體作進一步說明，本實施方式中，所述介質(zhì)板3的長為7.4mm,寬為 7.4mm,高為 1.6mm。
[0039]【具體實施方式】七:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體作進一步說明，本實施方式中，所述銅箔4的厚度為0.03mm。
[0040]所述銅箔4防止將吸入吸波體內(nèi)部的電磁波透射出介質(zhì)板3。
[0041]本發(fā)明所述的基于表面漸變結(jié)構(gòu)的寬帶極化不敏感的超材料吸波體是一種周期性結(jié)構(gòu)，能夠使用多個單元的吸波體排列在一起進行工作，如圖1為九個單元的吸波體排列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]將本吸波體構(gòu)型按一定比例增大或減小后，能夠?qū)崿F(xiàn)在相對帶寬不變的情況下，工作帶寬向低頻或高頻移動，中心頻率的計算公式滿足:f=f0/a，其中a為增大時的比例因子；例如:當a =2時，即表示構(gòu)型整體擴大為原來的2倍,當a =0.5時，即表示構(gòu)型縮小為原來的0.5倍。
[0043]當電磁波入射到一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體上時，諧振結(jié)構(gòu)在該電磁波的波頻下進行諧振，同時諧振結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生磁場環(huán)路，該磁場環(huán)路使金屬片2和介質(zhì)板3上產(chǎn)生電流，從而使介質(zhì)板3產(chǎn)生介電損耗，同時金屬片2上也會產(chǎn)生歐姆損耗，介電損耗是本發(fā)明所述吸波體的主要損耗方式；電磁波的電磁能通過損耗轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)對入射電磁波的損耗吸收。入射的水平極化波和垂直極化波均能夠激發(fā)諧振結(jié)構(gòu)的諧振，使本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體對于不同極化方向的入射波均具有吸收作用，從而解決了吸波體對入射波極化方向敏感的問題。
[0044]利用高頻三維電磁場仿真軟件對模型進行仿真，設(shè)置入射電磁波為水平極化波時，獲得吸波體的S參數(shù)曲線如圖5所示；設(shè)置入射電磁波為垂直極化波時，獲得吸波體的S參數(shù)曲線如圖6所示。利用吸波體吸收率的計算公式
[0045]A(co)=l-|Sn|2-|S21|2，
[0046]能夠計算出吸波體的吸收率Α(ω)，其中S11為第一 S參數(shù)，S21為第二 S參數(shù)。
[0047]入射波為水平極化波時吸波體的吸收率曲線，如圖7所示；入射波為垂直極化波時吸波體的吸收率曲線，如圖8所示。根據(jù)圖7和圖8所示，吸收體對水平極化波和垂直極化波的吸收效果是相同的。在9.40GHz至18.60GHz的頻率范圍內(nèi)，吸波體對水平極化波和垂直極化波的吸收率均達到60%以上，并在17.8GHz時達到吸收峰值99.999%。吸波體的工作帶寬達到9.20GHz，相對帶寬為65.71%，實現(xiàn)了寬帶指標。
[0048]本發(fā)明所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體同時解決了傳統(tǒng)超材料吸波體工作帶寬窄。另外，通過改變諧振單元的尺寸，可以方便地改變吸波體的工作頻帶。
[0049]根據(jù)圖9、圖10和圖11所示，當入射波的頻率分別為10.20GHz, 13.68GHz和17.80GHz時，吸波體的表面電流均很大，且吸波體的吸收率均能夠達到峰值；由于頻率普的疊加效應(yīng)，最終使得吸波體實現(xiàn)了寬帶上的強吸收作用。 [0050]在入射波的入射角i分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°的情況下對吸波體進行仿真，分別獲得水平極化波和垂直極化波的吸收率曲線，吸波體的吸收率隨入射波的入射角的增大而減小。當入射角i≤50°時，吸波體吸收帶寬從0°時的9.20GHz減小到8.1OGHz,當i≥60°時，吸波體吸收效果降低，帶寬也會變得不再連續(xù)。這說明，吸波體的工作時電磁波入射角宜保持在50°之內(nèi)，以實現(xiàn)較好的吸收效果。
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，該吸波體為周期性結(jié)構(gòu)，一個單元的吸波體包括:諧振結(jié)構(gòu)、介質(zhì)板(3)和銅箔(4)； 所述諧振結(jié)構(gòu)包括:開口諧振環(huán)(I)和金屬片(2)； 所述開口諧振環(huán)(I)和金屬片(2)均為矩形，開口諧振環(huán)(I)的開口位于矩形環(huán)一邊的中間位置，開口寬度在0.1mm至3.6mm之間； 金屬片(2)位于開口諧振環(huán)(I)的環(huán)內(nèi)，金屬片(2)的邊與開口諧振環(huán)(I)的邊平行，金屬片(2)與開口諧振環(huán)(I)之間的間隙在0.8mm至1.2mm之間； 諧振結(jié)構(gòu)固定在介質(zhì)板(3)的一面，銅箔(4)覆蓋在介質(zhì)板(3)的另一面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，所述金屬片(2)為銅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，所述金屬片的厚度為0.03mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，所述介質(zhì)板(3)為FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)為4.3，損耗角的正切值為0.025。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，所述介質(zhì)板(3)為長方體，其長度與寬度之比在0.8至1.25之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，所述介質(zhì)板(3)的長為7.4mm,寬為7.4mm,高為1.6mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶極化不敏感的超材料吸波體，其特征在于，所述銅箔(4)的厚度為0.03mm。
【文檔編號】H01Q17/00GK103647152SQ201310682198
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】楊國輝, 劉曉昕, 張狂, 呂玥瓏, 吳群, 孟繁義, 傅佳輝 申請人:哈爾濱工業(yè)大學