CN103633446B - 基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体，涉及微波天线工程技术领域。它是为了解决传统超材料吸波体工作带宽窄，并且对入射电场波极化方向敏感的问题。本发明实现了宽带和极化不敏感的特性，并且通过改变渐变结构中谐振单元的尺寸，可以方便地改变吸波体的工作频带。本发明所用的材料仅有普通的FR4介质板和金属铜，成本低廉，利用普通的PCB印刷技术便能够进行加工，完全适合大批量低成本生产。本发明适用于微波天线工程技术领域。

Description

基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体
技术领域
本发明属于微波天线工程技术领域。
背景技术
吸收体，又称吸波材料，指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。传统的吸波体，诸如尖劈形材料、磁性吸收剂和Salisbury吸收屏等存在密度大，使用温度低或厚度较大等缺陷。
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。以左手材料，光子晶体，频率选择表面(FSS)为代表的超材料，在光学成像，小型化天线，电磁波隐形等领域有广泛的应用前景。而超材料吸波体由于其“薄、轻、强、带宽可调”等优势更是成为了当今吸波体研究的热点内容。
2008年Landy等人研制出一种超材料吸收体，对于入射到其表面的电磁波既不反射也不透射，达到电磁波完全吸收的科学标准。但Landy提出的超材料吸波体存在以下两个方面的问题：1)要求入射电磁波的电场的方向与谐振器铜线方向保持平行，以激励磁谐振。当电场方向与铜线垂直时，几乎不具有吸波性，即对入射电磁波极化方向敏感；2)仅能在极窄的频带上实现对入射电磁波的完美吸收。因此其应用价值受到了极大的限制。
发明内容
本发明是为了解决传统超材料吸波体工作带宽窄，并且对入射电场波极化方向敏感的问题，进而提供了基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体。
基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体，该吸波体为周期性结构，一个吸波体单元包括：该吸波体为周期性结构，一个吸波体单元包括：16个渐变谐振单元、介质板3和铜箔4；
一个渐变谐振单元包括开口谐振环1和矩形金属片2；每个渐变谐振单元均与水平方向成45°角；
所述开口谐振环1均为矩形环，开口谐振环1上的开口位于其中一个边的中间位置；
矩形金属片2位于开口谐振环1的环内，矩形金属片2的四个边分别与开口谐振环1的四个边等距且平行；
16个渐变谐振单元以4乘4矩阵的结构固定在介质板3的一面，铜箔4覆盖在介质板3的另一面。
本发明提出了一种基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体；在11.96GHz-30.93GHz的频率范围内，吸波体对水平极化波(TE波)和垂直极化波(TM波)的吸收率均达到60%以上，工作带宽达到18.97GHz，相对带宽为88.46%。同时实现了宽带和极化不敏感的特性。另外，通过改变渐变结构中谐振单元的尺寸，可以方便地改变吸波体的工作频带。本发明所用的材料仅有普通的FR4介质板和金属铜，成本低廉，利用普通的PCB印刷技术便能够进行加工，完全适合大批量低成本生产。本发明能够广泛应用到隐身技术、雷达及现代通信系统中。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为一个渐变谐振单元的俯视图；
图3为图2的侧视图；
图4为入射TE波时，S参数曲线图，其中实线表示第一S参数曲线，虚线表示第二S参数曲线；
图5为入射TM波时，S参数曲线图，其中实线表示第一S参数曲线，虚线表示第二S参数曲线；
图6为入射TE波时，吸波体吸收率曲线图；
图7为入射TM波时，吸波体吸收率曲线图；
图8为16.13GHz时，吸波体表面电流分布图；
图9为19.43GHz时，吸波体表面电流分布图；
图10为29.58GHz时，吸波体表面电流分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体，该吸波体为周期性结构，一个吸波体单元包括：16个渐变谐振单元、介质板3和铜箔4；
一个渐变谐振单元包括开口谐振环1和矩形金属片2；每个渐变谐振单元均与水平方向成45°角；
所述开口谐振环1均为矩形环，开口谐振环1上的开口位于其中一个边的中间位置；
矩形金属片2位于开口谐振环1的环内，矩形金属片2的四个边分别与开口谐振环1的四个边等距且平行；
16个渐变谐振单元以4乘4矩阵的结构固定在介质板3的一面，铜箔4覆盖在介质板3的另一面。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步限定，本实施方式中，所述矩形金属片2为铜片。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式二所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步限定，本实施方式中，所述矩形金属片2厚度为0.03mm。
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步限定，本实施方式中，所述介质板3为FR4介质板，介电常数为4.3，损耗角的正切值为0.025。
具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步限定，本实施方式中，所述介质板3的长为30.2mm，宽为30.2mm，高为1.6mm。
具体实施方式六：本实施方式对具体实施方式一所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步限定，本实施方式中，所述铜箔4的厚度为0.03mm。
将本吸波体构型按一定比例增大（或减小）后，可以实现在相对带宽不变的情况下，工作带宽的向低频（或者高频）移动，中心频率的计算公式满足：
f=f0/α
其中α为增大时的比例因子（如α=2即表示构型整体扩大为原来的2倍）。
另外，谐振单元为矩形，则在矩形长宽比满足大于0.8且小于1.25的情况下，实现一定的宽带特性和极化不敏感特性。其他参数不变，当顶层单个SRR环开口宽度在0.1mm-SRR环内边长范围内变化时，吸波体吸收率有略有起伏变化。
表格1
如表格1所示，当电磁波射到吸波体时，单个的谐振单元(包括SRR及其中间的SMP)会在某特定频率上进行谐振，谐振时，其周围会产生强烈的磁场环路，磁场环路会使金属铜和介质板上产生很大的电流，从而使得介质板产生了很大的介电损耗，同时金属铜上也会产生少量欧姆损耗对于本吸波体，介电损耗是主要的损耗方式，电磁波的电磁能通过这种方式转化成了热能，这样，吸波体完成了对入射电磁波的损耗吸收。同时，每个谐振单元的谐振频率与其尺寸大小相关，通过改变每个谐振单元的边长尺寸可以改变其谐振频率。
因此，本发明中的吸波体顶层放置了16个共10种不同尺寸的谐振单元，可以在分别10种不同的频率上进行谐振，利用频带的叠加性，本发明的吸波体实现了在较宽频带上对电磁波的强吸收作用。为了保证吸波体工作频带的连续性，各个谐振单元的尺寸变化不宜过大，考虑到相邻谐振单元之间的互耦，相邻单元的尺寸变化尤其要小。这就是吸波体单元虽然有16个谐振单元但只有10种不同尺寸，且单元的尺寸每一横行竖列均要设计成渐变的原因。所有的谐振单元均与水平方向成45°角倾斜放置，这样一来，入射的水平极化波和垂直极化波均可以激发谐振单元的谐振，使得吸波体对不同极化方向的入射波均有着良好的吸收作用，实现了吸波体对入射波极化方向的不敏感。
利用电磁仿真软件CST MICROWAVE STUDIO对模型进行仿真，设置入射电磁波分别水平极化波(TE波)和垂直极化波(TM波)时，可得到吸波体的S参数如图4，图5所示。利用吸波体吸收率的计算公式A(ω)=1-|S11|2-|S21|2，可计算出吸波体的吸收率A(ω)如图6，图7所示。从图6，图7中可以得到，在11.96GHz-30.93GHz的频率范围内，吸波体对水平极化波(TE波)和垂直极化波(TM波)的吸收率均达到60%以上，并在16.13GHz达到吸收峰值99.55%。工作带宽达到18.97GHz，相对带宽为88.46%，已经实现了良好的宽带指标。同时实现了宽带和极化不敏感的特性。另外，通过改变渐变单元的尺寸，可以方便地改变吸波体的工作频带。
下面选取三个不同的频点16.13GHz,19.43GHz,29.58GHz，分别观察在这三个频率下吸波体的表面电流分布，如图8，图9，图10所示。可以看到，在不同的频率上，吸波体表面电流分布有着显著的差异，具体来说，当频率较低时，吸波体表面尺寸较大的SRR和SMP单元进行谐振，亦即，此时对入射电磁波的损耗吸收作用主要由尺寸较大的谐振单元完成；随着频率的上升，尺寸较小的SRR和SMP单元开始进行谐振，完成对电磁波的损耗吸收。在不同的频率上，会有不同的谐振单元谐振并实现吸收作用，因此，本吸收体实现了在较宽频带范围内的强吸收作用。

Claims (6)

1.基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体,其特征在于：该吸波体为周期性结构，一个吸波体单元包括：16个渐变谐振单元、介质板(3)和铜箔(4)；
一个渐变谐振单元包括开口谐振环(1)和矩形金属片(2)；每个渐变谐振单元均与水平方向成45°角，且每个渐变谐振单元中开口谐振环(1)上的开口的朝向相同；
所述开口谐振环(1)均为矩形环，开口谐振环(1)上的开口位于其中一个边的中间位置；
矩形金属片(2)位于开口谐振环(1)的环内，矩形金属片(2)的四个边分别与开口谐振环(1)的四个边等距且平行；
16个渐变谐振单元以4乘4矩阵的结构固定在介质板(3)的一面，铜箔(4)覆盖在介质板(3)的另一面。
2.根据权利要求1所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体,其特征在于：所述矩形金属片(2)为铜片。
3.根据权利要求2所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体,其特征在于：所述矩形金属片(2)厚度为0.03mm。
4.根据权利要求1所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体,其特征在于：所述介质板(3)为FR4介质板，介电常数为4.3，损耗角的正切值为0.025。
5.根据权利要求1所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体,其特征在于：所述介质板(3)的长为30.2mm，宽为30.2mm，高为1.6mm。
6.根据权利要求1所述的基于表面渐变结构的宽带极化不敏感的超材料吸波体,其特征在于：所述铜箔(4)的厚度为0.03mm。
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