CN101765358B - 一种基于树枝结构的超材料吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X波段的基于树枝结构的超材料吸收器。该超材料吸收器由金属树枝电谐振器、介质基板和金属薄膜组成。通过合理地设计金属树枝单元的几何尺寸以及晶格周期，可以实现对垂直入射到超材料表面的电磁波完全吸收的特性。这种超材料吸收器具有吸收效率高，结构简单，体积小，平面二维全向性等优点，可以作为高效的电磁加热装置，也可以应用于电磁波的收集和探测装置，如辐射热测量仪。

Description

一种基于树枝结构的超材料吸收器
技术领域
本发明涉及一种基于树枝结构的超材料吸收器。
背景技术
超材料(Metamaterial)是一种新型人工结构材料，可以实现一系列奇异的电磁特性如负折射和完美透镜。根据有效媒质理论，超材料的电磁特性可以用有效介电常数和有效磁导率来表示。通过设计超材料的单元结构，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以方便地调控其有效介电常数和有效磁导率。利用这个思想，2001年Smith等人在微波段第一次制备了介电常数和磁导率同时为负的左手材料(Left-handed Metamaterials)，2006年Pendry和Smith等人设计并制备了电磁隐身斗篷(Cloak)。这两部分工作分别被Science评为2003年和2006年十大科技进展之一。
由于谐振的本性，超材料在特定频率的电磁场作用下会产生强烈的局域共振，感应出很强的表面电流，并且在局部范围电场强度急剧增大。因此，超材料在谐振频率附近都具有较大的金属欧姆损耗以及介电损耗。之前的研究一般都试图尽量减小超材料的损耗，更好地体现其负磁导率或负折射率特性。但是，超材料中的损耗也具有很多潜在的应用。合理的设计材料的几何形状以及结构参数，对于入射到超材料表面的电磁波可以确保既不反射也不透射，达到电磁波完全吸收的科学标准。这种超材料吸收器具有吸收效率高，结构简单，体积小等优点，可以作为高效的电磁加热装置，也可以应用于电磁波的收集和探测装置，如辐射热测量仪。
发明内容
本发明的目的是基于树枝状的超材料结构，提供一种工作于X波段的近似100％吸收的超材料吸收器。该超材料吸收器由金属树枝电谐振器、介质基板和金属薄膜组成。当电磁波垂直入射到超材料表面时，金属树枝电谐振器会对电场感应产生电谐振，同时，金属树枝与金属薄膜在磁场作用下会感应出反平行电流，产生磁谐振。合理的设计超材料的结构参数，可以使电谐振和磁谐振在给定的频率重叠，分别吸收入射电磁波的电场和磁场能量，达到100％吸收的科学标准。
附图说明
图1所发明超材料吸收器的(a)树枝单元(正面)及基本结构参数，(b)金属薄膜(背面)，(c)晶格间距。
图2所发明超材料吸收器A-1的结构示意图(正面)。
图3所发明超材料吸收器A-1、A-2、A-3的反射幅值(S11)曲线。
图4所发明超材料吸收器A-1、A-2、A-3的透射幅值(S21)曲线。
图5所发明超材料吸收器A-1、A-2、A-3的吸收(Absorption)曲线。
具体实施方式
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm、相对介电常数为4.9、损耗角正切为0.025的环氧酚醛玻璃纤维介质基板的一面刻蚀金属树枝阵列，另一面保留为金属薄膜，如图2所示。金属树枝的三级分支长度分别为a、b、c，线宽为w＝0.3mm，夹角为θ＝45°，单元晶格间距为d(图1)。金属树枝和金属薄膜的表面做了镀锡处理以减缓氧化，处理后的金属覆层厚度均约为0.03mm。通过德国商用电磁仿真软件CST Microwave Studio反复优化确定结构参数。通过改变金属树枝的三级分支长度a、b、c以及单元晶格间距为d，得到在X波段的超材料吸收器。当电磁波垂直入射到树枝表面时既不反射也不透射，达到100％吸收的标准。
本发明的实现过程和材料性能由实施例和附图说明：
实施例一：
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm的环氧酚醛玻璃纤维PCB基板的一面上刻蚀出金属树枝状结构单元阵列，另一面为金属薄膜。金属树枝的三级分支长度分别为a＝1.2mm、b＝0.9mm、c＝0.8mm，单元晶格间距为d＝10.0mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为130mm×130mm，完成所发明超材料吸收器A-1的制作。超材料吸收器A-1的S11、S21曲线如图3，4所示。图中可以看出，在9.13GHz附近，S11达到最小值0.035，S21曲线恒等于0。吸收率可以表示为A(ω)＝1-|S11|2-|S21|2。从图5的吸收曲线可以看出，在9.13GHz时，吸收率达到99.88％。
实施例二：
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm的环氧酚醛玻璃纤维PCB基板的一而上刻蚀出金属树枝状结构单元阵列，另一面为金属薄膜。金属树枝的三级分支长度分别为a＝1.2mm、b＝0.8mm、c＝0.7mm，单元晶格间距为d＝9.0mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为120mm×120mm，完成所发明超材料吸收器A-2的制作。超材料吸收器A-2的S11、S21曲线如图3，4所示。图中可以看出，在9.95GHz附近，S11达到最小值0.10，S21曲线恒等于0。吸收率可以表示为A(ω)＝1-|S11|2-|S21|2。从图5的吸收曲线可以看出，在9.95GHz时，吸收率达到99.00％。
实施例三：
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm的环氧酚醛玻璃纤维PCB基板的一面上刻蚀出金属树枝状结构单元阵列，另一面为金属薄膜。金属树枝的三级分支长度分别为a＝1.1mm、b＝0.8mm、c＝0.6mm，单元晶格间距为d＝10.0mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为130mm×130mm，完成所发明超材料吸收器A-3的制作。超材料吸收器A-3的S11、S21曲线如图3，4所示。图中可以看出，在10.87GHz附近，S11达到最小值0.019，S21曲线恒等于0。吸收率可以表示为A(ω)＝1-|S11|2-|S21|2。从图5的吸收曲线可以看出，在10.87GHz时，吸收率达到99.96％。
综上所述，本发明中借助于谐振原理设计的基于树枝结构的超材料吸收器在X波段表现出了很好的吸收性能。对于特定频率的电磁波垂直入射到树枝平面既不反射也不透射，达到近似100％吸收的标准。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims (3)

1.一种基于树枝结构的超材料吸收器，该超材料吸收器由金属树枝阵列、介质基板和金属薄膜组成，其主要特征是仅需在介质基板的一面刻蚀由一种树枝结构单元组成的阵列，另一面保持为全金属薄膜，通过改变金属树枝的几何尺寸以及晶格间距，使该超材料吸波器工作在X波段。
2.根据权利要求1所述的基于树枝结构的超材料吸收器，其特征是金属树枝从中心向外围的各级分支长度分别为一级分支长度a＝0.9～1.5mm，二级分支长度b＝0.6～1.0mm，三级分支长度c＝0.5～1.0mm，分支间夹角为θ＝30°～60°。
3.根据权利要求1所述的基于树枝结构的超材料吸收器，其特征是金属树枝状结构单元阵列的单元间隔d＝8～12mm，线宽为w＝0.1～1.0mm。 
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