CN103647152A - 一种宽带极化不敏感的超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，属于微波天线工程技术领域。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。本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体包括：顶层谐振结构、中层介质板和底层铜箔，谐振结构包括开口谐振环和位于环内的金属片；当电磁波入射到吸波体上时，谐振结构产生磁场环路，介质板产生介电损耗，电磁能通过损耗转化为热能，从而吸收电磁波的损耗，吸波体对不同极化方向的入射波均具有吸收作用，进而使吸波体对入射波极化方向不敏感。同时吸波体的工作带宽达到9.20GHz。本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，适用于屏蔽电磁干扰和隐身技术等领域。

Description

一种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，现提供一种宽带极化不敏感的超材料吸波体。
一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，该吸波体为周期性结构，一个单元的吸波体包括：谐振结构、介质板和铜箔；
所述谐振结构包括：开口谐振环和金属片；
所述开口谐振环和金属片均为矩形，开口谐振环的开口位于矩形环一边的中间位置，开口宽度在0.1mm至3.6mm之间；
金属片位于开口谐振环的环内，金属片的边与开口谐振环的边平行，金属片与开口谐振环之间的间隙在0.8mm至1.2mm之间；
谐振结构固定在介质板的一面，铜箔覆盖在介质板的另一面。
本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，它包括：顶层谐振结构、中层介质板和底层铜箔，顶层谐振结构包括开口谐振环和位于环内的金属片；当电磁波入射到吸波体上时，谐振结构在该电磁波的波频下进行谐振，同时谐振结构周围产生磁场环路，该磁场环路使金属片和介质板上产生电流，从而使介质板产生介电损耗，同时金属片上也会产生欧姆损耗，电磁波的电磁能通过损耗转化为热能，从而实现对入射电磁波的损耗吸收，使吸波体对于不同极化方向的入射波均具有吸收作用，进而解决了吸波体对入射波极化方向敏感的问题。
本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体在9.40GHz至18.60GHz的频率范围内，吸波体对水平极化波和垂直极化波的吸收率均达到60%以上，并在17.8GHz时达到吸收峰值99.999%。吸波体的工作带宽达到9.20GHz，相对带宽为65.71%，实现了宽带指标。
另外，本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体是一种周期性结构，能够使用多个单元的吸波体排列在一起进行工作，通过改变单元个数，进而能够改变吸波体的工作频带。同时，本发明成本低廉，利用普通的PCB印刷技术便能够进行加工，适合大批量低成本生产。本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，适用于屏蔽电磁干扰和隐身技术等领域。
附图说明
图1为一种宽带极化不敏感的超材料吸波体九个单元的结构示意图；
图2为一个单元的宽带极化不敏感的超材料吸波体的结构示意图；
图3为图2的仰视图；
图4为一个单元的宽带极化不敏感的超材料吸波体的立体结构示意图；
图5为入射水平极化波时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为入射垂直极化波时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7为入射水平极化波时吸波体的吸收率曲线图；
图8为入射垂直极化波时吸波体的吸收率曲线图；
图9为10.20GHz时谐振结构表面的电流分布图；
图10为13.68GHz时谐振结构表面的电流分布图；
图11为17.80GHz时谐振结构表面的电流分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图2、图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，该吸波体为周期性结构，一个单元的吸波体包括：谐振结构、介质板3和铜箔4；
所述谐振结构包括：开口谐振环1和金属片2；
所述开口谐振环1和金属片2均为矩形，开口谐振环1的开口位于矩形环一边的中间位置，开口宽度在0.1mm至3.6mm之间；
金属片2位于开口谐振环1的环内，金属片2的边与开口谐振环1的边平行，金属片2与开口谐振环1之间的间隙在0.8mm至1.2mm之间；
谐振结构固定在介质板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：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步说明，本实施方式中，所述金属片2为铜片。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步说明，本实施方式中，所述金属片的厚度为0.03mm。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步说明，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：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步说明，本实施方式中，所述介质板3为长方体，其长度与宽度之比在0.8至1.25之间。
在实际应用中，开口谐振环1的边与开口谐振环1所在介质板3平面的边夹角呈45°，此时一种宽带极化不敏感的超材料吸波体的吸收率达到最大。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一、四或五七所述的种基于超材料的宽带极化不敏感吸波体作进一步说明，本实施方式中，所述介质板3的长为7.4mm，宽为7.4mm，高为1.6mm。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体作进一步说明，本实施方式中，所述铜箔4的厚度为0.03mm。
所述铜箔4防止将吸入吸波体内部的电磁波透射出介质板3。
本发明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是一种周期性结构，能够使用多个单元的吸波体排列在一起进行工作，如图1为九个单元的吸波体排列的结构示意图。
将本吸波体构型按一定比例增大或减小后，能够实现在相对带宽不变的情况下，工作带宽向低频或高频移动，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；例如：当α=2时，即表示构型整体扩大为原来的2倍，当α=0.5时，即表示构型缩小为原来的0.5倍。
当电磁波入射到一种宽带极化不敏感的超材料吸波体上时，谐振结构在该电磁波的波频下进行谐振，同时谐振结构周围产生磁场环路，该磁场环路使金属片2和介质板3上产生电流，从而使介质板3产生介电损耗，同时金属片2上也会产生欧姆损耗，介电损耗是本发明所述吸波体的主要损耗方式；电磁波的电磁能通过损耗转化为热能，从而实现对入射电磁波的损耗吸收。入射的水平极化波和垂直极化波均能够激发谐振结构的谐振，使本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体对于不同极化方向的入射波均具有吸收作用，从而解决了吸波体对入射波极化方向敏感的问题。
利用高频三维电磁场仿真软件对模型进行仿真，设置入射电磁波为水平极化波时，获得吸波体的S参数曲线如图5所示；设置入射电磁波为垂直极化波时，获得吸波体的S参数曲线如图6所示。利用吸波体吸收率的计算公式
A(ω)=1-|S11|2-|S21|2，
能够计算出吸波体的吸收率A(ω)，其中S11为第一S参数，S21为第二S参数。
入射波为水平极化波时吸波体的吸收率曲线，如图7所示；入射波为垂直极化波时吸波体的吸收率曲线，如图8所示。根据图7和图8所示，吸收体对水平极化波和垂直极化波的吸收效果是相同的。在9.40GHz至18.60GHz的频率范围内，吸波体对水平极化波和垂直极化波的吸收率均达到60%以上，并在17.8GHz时达到吸收峰值99.999%。吸波体的工作带宽达到9.20GHz，相对带宽为65.71%，实现了宽带指标。
本发明所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体同时解决了传统超材料吸波体工作带宽窄。另外，通过改变谐振单元的尺寸，可以方便地改变吸波体的工作频带。
根据图9、图10和图11所示，当入射波的频率分别为10.20GHz，13.68GHz和17.80GHz时，吸波体的表面电流均很大，且吸波体的吸收率均能够达到峰值；由于频率普的叠加效应，最终使得吸波体实现了宽带上的强吸收作用。
在入射波的入射角i分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°的情况下对吸波体进行仿真，分别获得水平极化波和垂直极化波的吸收率曲线，吸波体的吸收率随入射波的入射角的增大而减小。当入射角i≤50°时，吸波体吸收带宽从0°时的9.20GHz减小到8.10GHz，当i≥60°时，吸波体吸收效果降低，带宽也会变得不再连续。这说明，吸波体的工作时电磁波入射角宜保持在50°之内，以实现较好的吸收效果。

Claims (7)

1.一种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，一个单元的吸波体包括：谐振结构、介质板（3）和铜箔（4）；
所述谐振结构包括：开口谐振环（1）和金属片（2）；
所述开口谐振环（1）和金属片（2）均为矩形，开口谐振环（1）的开口位于矩形环一边的中间位置，开口宽度在0.1mm至3.6mm之间；
金属片（2）位于开口谐振环（1）的环内，金属片（2）的边与开口谐振环（1）的边平行，金属片（2）与开口谐振环（1）之间的间隙在0.8mm至1.2mm之间；
谐振结构固定在介质板（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所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，其特征在于，所述金属片（2）为铜片。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽带极化不敏感的超材料吸波体，其特征在于，所述金属片的厚度为0.03mm。
4.根据权利要求1所述的一种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所述的一种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）为长方体，其长度与宽度之比在0.8至1.25之间。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种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7.4mm，宽为7.4mm，高为1.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种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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