CN102931495B - 一种单频/双频电磁超介质吸波材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单频/双频电磁超介质吸波材料，所述吸波材料的基材为PCB基板，在PCB基板的一面刻蚀有周期排列的雪花状谐振结构；所述雪花状谐振结构是由主臂和主臂上的次级臂构成的层级结构，其中，主臂有三条，且三条主臂的中心均相交于同一点，三条主臂相互成60度角，至多只有两条主臂的长度相等；所述主臂上的次级臂呈中心对称分布。该吸波材料在微波频段内可以通过改变谐振单元臂长的长短来实现单频/双频的转换并且智能调节双频吸波的工作频段。
Description
技术领域
本发明属于微波电磁材料领域，具体涉及一种实现单频/双频转换的电磁超介质吸波材料。
背景技术
2000年，D.R. Smith等人基于J.B. Pendry提出的构造单负介电常数超材料、单负磁导率超材料的思想，首次人工合成出在X波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的负折射率微波材料，实现了1968年前苏联科学家V.G. Veselago所预言的理想负折射率材料。2008年，Landy等人提出了一种完美超介质吸波材料的概念，通过合理的设计和选择参数，这种电磁谐振器超材料能够对入射电磁波的电磁分量分别产生耦合，从而在一个给定的频带内对入射到超材料表面的电磁波既不产生反射也不产生透射，实现完美吸收。现有的多频超介质吸波材料主要是利用多个大小不同、结构相似的谐振单元组合而成，通过不同谐振单元工作频段不同达到多个频段，其工作频段的调控较难实现，并且无法实现单频/多频工作频段的转换，从而限制了超介质吸波材料的实际应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有电磁超介质吸波材料无法实现单频/多频工作频段的转换，提供一种实现单频/双频工作频段转换以及双频频段智能控制的电磁超介质吸波材料。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种单频/双频电磁超介质吸波材料，所述吸波材料的基材为PCB基板，在PCB基板的一面刻蚀有周期排列的雪花状谐振结构；所述雪花状谐振结构是由主臂和主臂上的次级臂构成的层级结构，其中，主臂有三条，且三条主臂的中心均相交于同一点，三条主臂相互成60度角，至多只有两条主臂的长度相等；所述主臂上的次级臂呈中心对称分布。
进一步，所述主臂臂长4.4～6.0mm，臂宽0.3mm。
进一步，所述次级臂臂长1.1mm，臂宽0.2mm。
进一步，所述次级臂与主臂的夹角为60度。
进一步，所述次级臂距中心距离为1.65mm。
本发明所述的单频/双频电磁超介质吸波材料，其基本结构单元为雪花状谐振结构。相同几何参数的雪花状谐振结构按照一定的周期间隔排列而成，该吸波材料在微波频段内可以通过改变谐振单元臂长的长短来实现单频/双频的转换并且智能调节双频吸波的工作频段。
附图说明
图1为本发明具有雪花状谐振结构的单频/双频电磁超介质吸波材料样品（左）以及单元结构尺寸示意图（右）。
图2（a）L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3从6.0mm变化到4.4mm时的吸波率数值仿真结果；（b）L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3从6.0mm变化到4.4mm时的吸波率实际测试结果。
图3（a）L 1=5.8mm，L 3=4.4mm，L 2从6.0mm变化到4.4mm时的吸波率数值仿真结果；（b）L 1=5.8mm，L 3=4.4mm，L 2从6.0mm变化到4.4mm时的吸波率实际测试结果。
图4（a）L 2=6.0mm，L 3=4.4mm，L 1从5.8mm变化到4.6mm时的吸波率数值仿真结果；（b）L 2=6.0mm，L 3=4.4mm，L 1从5.8mm变化到4.6mm时的吸波率实际测试结果。
图5（a）L 1=5.8mm，L 2=L 3=6.0mm，在9.85GHz处谐振单元表面电流分布图；（b）L 1=5.8mm，L 2=L 3=4.4mm，在10.68GHz处谐振单元表面电流分布图；（c）L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3=4.4mm，在9.95GHz处谐振单元表面电流分布图；（d）L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3=4.4mm，在10.36GHz处谐振单元表面电流分布图。
具体实施方式
本发明所提出的可调谐雪花状单频/双频电磁超介质吸波材料示意图如图1所示，该结构为层级结构，三条主臂分别为L1、L2和L3，主臂L1、L2和L3的中心相交在同一点，且三条主臂相互成60度夹角，至多只有两条主臂的长度相等；每条主臂上各有四个对称的次级臂，各主臂上的次级臂距离谐振结构的中心距离相同，呈中心对称分布，次级臂与主臂的夹角为60度。
在以下实施例中采用环氧树脂PCB基板，PCB板的两面均为金属铜，中间介质为绝缘层，如FR4板材（介质厚度为0.8mm，其相对介电常数 ，损耗角正切；两面的金属铜的厚度为0.018mm），在PCB基板的一面刻蚀出雪花状金属谐振结构。该谐振结构主臂臂长4.4mm～6.0mm，臂宽0.3mm；次级臂臂长1.1mm，臂宽0.2mm，次级臂距中心距离为1.65mm，该谐振结构的排列周期8mm。
本发明的工作机理如下：
本发明所提及的超介质吸波材料中雪花状谐振结构单元阵列在入射电磁波作用下能产生电谐振响应，其宏观特性对应于有效介电常数；单元谐振结构与介质基板背面的铜板之间同时产生磁谐振响应，其宏观特性对应于有效磁导率。调节谐振结构单元的形状大小以及谐振结构与铜板之间的距离（即介质基板的厚度），可使得，因此其归一化阻抗，与自由空间Z 0阻抗匹配，反射系数。调节优化参数的同时，保证有效介电常数以及磁导率的虚部同时最大化，从而使得表征介质吸波损耗效应的参数以及最大化。而介质板背面的铜板使得传输系数，因此改吸波材料的吸波率可定义为，达到完美吸波。
一般的吸波材料都采用轴对称谐振单元结构，在轴对称谐振单元结构产生谐振时，单元的表面电流也是对称的，从而实现电谐振特性。一个简单的谐振结构只能产生一个谐振频段，使用不同谐振单元结构相组合或者相连接能达到多频段谐振的效果，但是较难控制其谐振频率。而本发明与其他谐振单元的最大不同点在于，简单调节雪花状谐振结构的主臂臂长使得其中两个主臂相等时（其为轴对称结构），可以得到单一的工作频段。而当调节主臂臂长不相等时，使得谐振结构为非对称结构。在谐振频率附近，其表面电流表现出旋转对称，同样能实现电谐振，因此可以实现共振吸波特性。而且在非对称情况下，该单元结构可实现双频共振吸波特性，其双频共振频率可进一步地由调节其主臂臂长调节。
实施例一
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.836mm 的FR4板材一面刻蚀出周期排列的雪花状金属谐振结构（按照设计的图案，将该面多余的金属铜刻蚀去掉后，余下的铜即为雪花状金属谐振结构），其中，谐振结构单元的主臂臂长L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3从6.0mm以步长0.4mm变化到4.4mm，主臂臂宽a=0.3mm，次级臂臂长d=1.1mm，次级臂臂宽b=0.2mm，次级臂距中心距离c=1.65mm，相邻谐振结构单元间距8mm，雪花状金属谐振结构以及FR4板材另一面的金属铜厚度均为0.018mm。制得五组样品，其吸波率仿真以及测试结果如图2所示，其中（a）为数值仿真结果，（b）为样品测试结果。由图2（a）可知，L 3=6.0mm时，该谐振结构为轴对称结构，仅在9.85GHz处有一个吸波频段。在L 3从5.6mm变化到4.4mm时，单一吸波频段变为双频吸波，并且第一个吸波频段在L 3减小时频率缓慢增加，吸波率下降；第二个吸波频段在L 3减小时频率快速增加，吸波率升高。图5（a）为L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3=6.0mm时谐振单元的表面电流图，由图可知，表面电流轴对称，因此只有一个吸波频段。
实施例二
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.836mm 的FR4板材一面刻蚀出周期排列的雪花状金属谐振结构（方法同实施例一），其中，谐振结构单元的主臂臂长L 1=5.8mm，L 3=4.4mm，L 2从4.4mm以步长0.4mm变化到6.0mm，主臂臂宽a=0.3mm，次级臂臂长d=1.1mm,次级臂臂宽b=0.2mm，次级臂距中心距离c=1.65mm，相邻谐振结构单元间距8mm，雪花状金属谐振结构以及FR4板材另一面的金属铜厚度均为0.018mm。制得五组样品，其吸波率仿真以及测试结果如图3所示，其中（a）为数值仿真结果，（b）为样品测试结果。由图3（a）可知，L 2=4.4mm时，谐振结构为对称结构，仅在10.68GHz处有一个吸波频段。在L 2从4.8mm变化到6.0mm时，单一吸波频段变为双频吸波，并且第一个吸波频段在L 2增大时频率快速增加，吸波率下降；第二个吸波频段在L 2增大时频率缓慢增加，吸波率升高。图5（b）为L 1=5.8mm，L 3=4.4mm，L 2=4.4mm时谐振单元的表面电流图，由图可知，表面电流轴对称，因此只有一个吸波频段。
实施例三
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.836mm 的FR4板材一面刻蚀出周期排列的雪花状金属谐振结构（方法同实施例一），其中，谐振结构单元的主臂臂长L 2=6.0mm，L 3=4.4mm，L 1从5.8mm以步长0.4mm变化到4.6mm，主臂臂宽a=0.3mm，次级臂臂长d=1.1mm，次级臂臂宽b=0.2mm，次级臂距中心距离c=1.65mm，相邻谐振结构单元间距8mm，雪花状金属谐振结构以及FR4板材另一面的金属铜厚度均为0.018mm。制得四组样品，其吸波率仿真以及测试结果如图4所示，其中（a）为数值仿真结果，（b）为样品测试结果。由图4（a）可知，该种情况下出现了两个吸波频带，L 1的长度降低时，两个谐振频段同时升高，并且第一个吸波频段吸波率上升，第二个吸波频段吸波率下降。图5（c）和（d）为L 1=5.8mm，L 2=6.0mm，L 3=4.4mm，在入射波频率为9.95GHz和10.36GHz时谐振单元的表面电流图，由图可知，表面电流在两个频点均为旋转对称的，因此有两个吸波频段。
由实施例可知，通过改变主臂的长度，本发明可以进行单频/双频的转换并且对双频频段进行简单控制。
Claims (5)
1.一种单频/双频电磁超介质吸波材料，所述吸波材料的基材为PCB基板，其特征在于：在PCB基板的一面刻蚀有周期排列的雪花状谐振结构；所述雪花状谐振结构是由主臂和主臂上的次级臂构成的层级结构，其中，主臂有三条，且三条主臂的中心均相交于同一点，三条主臂相互成60度角，至多只有两条主臂的长度相等；每条主臂上各有四个对称的次级臂，各主臂上的次级臂距离谐振结构的中心距离相同，呈中心对称分布。
2.根据权利要求1所述单频/双频电磁超介质吸波材料，其特征在于：所述主臂臂长4.4～6.0mm，臂宽0.3mm。
3.根据权利要求1所述单频/双频电磁超介质吸波材料，其特征在于：所述次级臂臂长1.1mm，臂宽0.2mm。
4.根据权利要求1所述单频/双频电磁超介质吸波材料，其特征在于：所述次级臂与主臂的夹角为60度。
5.根据权利要求1所述单频/双频电磁超介质吸波材料，其特征在于：所述次级臂距中心距离为1.65mm。
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