本發(fā)明涉及超材料吸波體，尤其涉及一種六帶超材料吸波體，屬于人工電磁材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人工電磁超材料是一種新型人工復(fù)合材料，它具有負(fù)等效磁導(dǎo)率和負(fù)等效介電常數(shù)的超常物理特性。利用這種物理特性，可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的器件。相比于普通介質(zhì)材料，這種材料具有厚度薄、尺寸小、易于集成的特點(diǎn)。

2008年，landy等人首次將人工電磁超材料引入到吸波體領(lǐng)域，并在單個(gè)頻點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了電磁波的完美吸收。這種基于人工電磁超材料制作的吸波體(即超材料吸波體)突破了傳統(tǒng)吸波器四分之一波長(zhǎng)厚度的限制，且能夠達(dá)到近乎完美的吸收率，具有傳統(tǒng)吸波器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。為吸波器的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)吸波體“薄、輕、寬、強(qiáng)”的發(fā)展目標(biāo)具有極大的推動(dòng)作用。其結(jié)構(gòu)尺寸小、厚度薄、高吸收、易于集成的特點(diǎn)，在軍事、通信、傳感、電磁兼容等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，電磁環(huán)境愈來愈復(fù)雜，單一頻帶的電磁吸波體已不能滿足系統(tǒng)抗干擾的要求。因此，如何實(shí)現(xiàn)多頻帶的電磁吸收，減少對(duì)系統(tǒng)的干擾，是一個(gè)亟待解決的問題。本發(fā)明提出的超材料吸波體在2-17ghz內(nèi)實(shí)現(xiàn)了多達(dá)六頻帶的高效吸收，而且還具有極化不敏感特性，因此具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)超材料吸波體吸收頻帶少，吸收效率低，并對(duì)入射電磁波極化方向敏感的問題，提供一種基于多模諧振器的工作于微波波段的具有極化不敏感特性的六頻帶超材料吸波體。

為解決上述問題，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種微波波段極化不敏感的六頻帶超材料吸波體，包括至少100個(gè)呈周期性排列的正方形吸波單元，吸波單元為頂層諧振單元、介質(zhì)基底、金屬底板組成的“三明治”結(jié)構(gòu)。頂層諧振單元與介質(zhì)基底的上表面相貼，金屬地板與介質(zhì)基底的下表面相貼。頂層諧振單元的幾何中心與介質(zhì)基底的幾何中心重合，金屬底板完全覆蓋介質(zhì)基底的下表面。

所述頂層諧振單元具有四個(gè)完全相同的多模ω形諧振器，四個(gè)多模ω形諧振器被分別放置在介質(zhì)基底上表面的左、右、上、下四個(gè)方向，最好是呈鏡像對(duì)稱方式布置在介質(zhì)基底上表面的左右和上下四邊，多模ω形諧振器兩兩之間存在間隙；四個(gè)多模ω形諧振器組成的頂層諧振單元的外輪廓為正方形，并具有左右、上下和沿著對(duì)角線的對(duì)稱面。多模ω形諧振器能夠在水平極化和垂直極化下表現(xiàn)出多個(gè)不同的吸收峰。

進(jìn)一步，所述的多模ω形諧振器2可以被看作為開口諧振環(huán)和沿著開口諧振環(huán)開口兩側(cè)橫邊向兩側(cè)延伸的延伸臂構(gòu)成。

進(jìn)一步，所述的多模ω形諧振器兩兩之間存在間隙，因此多模ω形諧振器之間的電磁響應(yīng)不會(huì)相互影響，且所述開口諧振環(huán)的開口方向朝外。

進(jìn)一步，所述的頂層諧振單元和金屬底板的材料均為金屬銅，且其厚度必須大于電磁波的趨膚厚度。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述的介質(zhì)基底材料必須為有耗介質(zhì)材料。

采用上述技術(shù)方案的有益效果在于：

1、超材料吸波體的頂層采用四個(gè)相同的諧振器，并使其具有水平、垂直和沿著對(duì)角線的對(duì)稱面，可以使吸波體具有極化不敏感特性；

2、四個(gè)多模ω形諧振器布置在介質(zhì)基底的左右、上下四邊，可以同時(shí)激發(fā)出諧振器的垂直極化響應(yīng)和水平極化響應(yīng)，使得吸波體具有六個(gè)吸收峰，且都具有近乎完美的吸收；

3、頂層諧振單元和金屬底板的材料使用金屬銅和介質(zhì)基底的材料為有耗介質(zhì)材料，可以使諧振單元與金屬底板在電磁波的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生電磁諧振，并將電磁波耗散在有耗介質(zhì)中。

4、本發(fā)明采用的多模ω形諧振器的開口朝外，可以使得四個(gè)諧振器易于集成，減小單元面積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)為本發(fā)明提出的多模ω形諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(b)為本發(fā)明提出的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體的單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(c)為本發(fā)明提出的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體的單元結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明提出的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體正入射吸收曲線圖；

圖4為本發(fā)明提出的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體在不同極化角度下的吸收譜圖；

圖中：1、吸收單元；2、多模ω形諧振器；

1-1頂層諧振單元；1-2、介質(zhì)基板；1-3、金屬底板；

2-1、第一多模ω形諧振器；2-2、第二多模ω形諧振器；2-3、第三多模ω形諧振器；2-4第四多模ω形諧振器；

2a、開口諧振環(huán)；2b、延伸臂。

具體實(shí)施方式

為了更好地說明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作更加詳細(xì)具體的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體由同一平面內(nèi)的多個(gè)吸收單元1周期性矩陣排列組成，吸收單元1在橫向和縱向上周期性延拓的重復(fù)個(gè)數(shù)相同，且重復(fù)的單元數(shù)不少于100(10×10)個(gè)，在本實(shí)施例中重復(fù)的單元數(shù)即為100(10×10)個(gè)。

吸波單元1的外輪廓為正方形，是由頂層諧振單元1-1，中間的介質(zhì)基板1-2和底層的金屬底板1-3組成的“三明治”結(jié)構(gòu)。頂層諧振單元1-1與介質(zhì)基底1-2的上表面相貼，金屬地板1-3與介質(zhì)基底1-2的下表面相貼。頂層諧振單元1-1的幾何中心與介質(zhì)基底1-2的幾何中心重合，金屬底板1-3完全覆蓋介質(zhì)基底1-2的下表面。

本實(shí)施例中，頂層諧振單元1-1由四個(gè)完全相同的多模ω形諧振器2構(gòu)成。多模ω形諧振器2由中間的開口諧振環(huán)2a和沿開口諧振環(huán)2a的開口邊向兩側(cè)延伸的延伸臂2b組成。

如圖2(a)所示，多模ω形諧振器2由三種不同線寬的線構(gòu)成，其中開口兩側(cè)橫邊的寬度相同，兩條延伸臂的線寬和開口兩側(cè)橫邊的線寬相同，延伸臂的長(zhǎng)度由l和l2共同決定。其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

如圖3中的a部分所示，該多模ω形諧振器2豎直放置時(shí)，在電磁波正入射的情況下，具有四個(gè)吸收峰；如圖3中的b部分所示，該多模ω形諧振器2水平放置時(shí)，在相同條件下，具有三個(gè)吸收峰。

本實(shí)施例的四個(gè)多模ω形諧振器中，第一多模ω形諧振器2-1與第三多模ω形諧振器2-3鏡像對(duì)稱放置在介質(zhì)基板1-2的左右兩邊，第二多模ω形諧振器2-2與第四多模ω形諧振器2-4鏡像對(duì)稱放置在介質(zhì)基板1-2的上下兩邊。多模ω形諧振器2兩兩之間存在間隙s＝0.5mm。

如圖2(b)所示，最終合成的諧振單元1-1的外輪廓為正方形，其邊長(zhǎng)為l＝18mm，具有左右、上下和沿著對(duì)角線的對(duì)稱面。

本實(shí)施例中，介質(zhì)基底1-2采用的是環(huán)氧樹脂玻璃布板，它是一種有耗介質(zhì)材料，具體電磁參數(shù)為：介電常數(shù)εr＝4.3，磁導(dǎo)率μr＝1，損耗正切角為0.025。介質(zhì)基底1-2具有兩個(gè)作用：第一個(gè)作用是分離頂層諧振單元1-1和金屬地板1-3，使它們能夠在入射電磁波的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生電磁諧振；第二個(gè)是利用介質(zhì)的耗散特性將電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能。如圖2(b)和圖2(c)所示，介質(zhì)基底的邊長(zhǎng)為p＝20mm，厚度為h＝1mm。

本實(shí)施例中，頂層諧振單元1-1和金屬底板1-3采用厚度為t＝0.035mm金屬銅制作，其電導(dǎo)率為σ＝5.8×10⁷s/m。金屬底板1-3覆蓋在介質(zhì)基底1-2的下表面，其覆蓋面積與介質(zhì)基底1-2的底面積相同。

本實(shí)施例所述的基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體的吸收率定義為a＝1-r-t＝1-|s11|²-|s21|²，式中r為反射率，t為透射率。反射率r定義為|s11|²，透射率t定義為|s21|²。為了使吸收率最大化，要求在整個(gè)頻率范圍內(nèi)反射波與透射波盡可能的小。本發(fā)明設(shè)計(jì)的吸波單元1背面為金屬底板1-3，電磁波不能透過，因此吸收率計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為a＝1-|s11|²。

本實(shí)施例在電磁波正入射下的仿真結(jié)果如圖3的c部分所示，該仿真結(jié)果由有限元法計(jì)算得到。圖中，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為吸收率。從圖中可以看出，在2-17ghz內(nèi)存在6個(gè)明顯的吸收峰。這六個(gè)吸收峰在3.95ghz，6.61ghz,9.17ghz，11.22ghz，12.59ghz，15.63ghz處的吸收率分別為97.04％，99.57％，99.54％，98.95％，99.94％和99.49％，并且平均吸收率高達(dá)99％。這說明本發(fā)明提出的吸波體在六個(gè)頻點(diǎn)上達(dá)到了近乎完美的吸收。通過對(duì)比圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)吸收頻點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，基于四個(gè)多模ω形諧振器的六帶吸波體的吸收峰是由單個(gè)多模ω形諧振器在水平放置時(shí)和豎直放置時(shí)吸收峰的疊加，其中第六個(gè)吸收峰(p6)是由兩個(gè)吸收峰(m4和n3)疊加而成的。

本實(shí)施例在不同極化角度下的吸收譜圖如圖4所示。所述極化角度被定義為電場(chǎng)矢量與豎直方向的夾角，電磁波波矢量仍保持垂直于吸波體吸收面不變。圖中，橫坐標(biāo)為極化角度，變化范圍為0～90°；縱坐標(biāo)為頻率，顯示范圍為2-17ghz?？梢钥闯霰景l(fā)明提出的吸波體在不同極化角度下具有相同的吸收響應(yīng)曲線，這說明本發(fā)明提出的吸波體表現(xiàn)出了良好的極化不敏感特性。

可見，本發(fā)明提供的超材料吸波體具有高吸波率，極化不敏感特性，并且有六個(gè)吸波峰值點(diǎn)，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對(duì)發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。