CN105071049A - 一种双向超材料吸波体 - Google Patents

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周凯
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Abstract

本发明属于微波工程技术吸波材料领域，具体涉及一种在隐身、电磁屏蔽和探测中可实现对指定频段电磁波的吸收的一种双向超材料吸波体。一种双向超材料吸波体，所述吸波体为单元周期性结构，单元结构包括：中间层的金属薄膜，两侧的损耗介质层和刻蚀在两个损耗介质层上的金属方环。本发明提出的双向超材料吸波体相对于中间的金属薄膜上下对称，在结构的上下两面各构成了一个谐振器，从而可以实现对两个方向电磁波的吸收的效果。同时，本发明提出的双向超材料吸波体具有宽入射角的特性，当电磁波的入射角度增加到50度时，本发明在工作频点的吸波率仍能保持在92％以上，并且随着入射角度的增加，吸收峰所对应的频率基本没有发生偏移。

Description

一种双向超材料吸波体
技术领域
本发明属于微波工程技术吸波材料领域，具体涉及一种在隐身、电磁屏蔽和探测中可实现对指定频段电磁波的吸收的一种双向超材料吸波体。
背景技术
吸波材料是一类能有效吸收入射电磁波，显著降低目标回波强度的功能材料，可以大幅降低目标的雷达散射截面，从而提高其隐身性能。传统的吸波材料存在着厚、重、稳定性差等缺点，在应用上受到了很大的限制。
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。超材料吸波体，又称超材料吸波结构，作为一种新的人工电磁材料，因具有结构简单、超薄、体积小和吸波率高等优点，近年来受到了科研人员的广泛关注，并对其展开了相关研究。自2008年Landy基于超材料的电磁耦合谐振特性，首次提出由电谐振器、损耗介质和金属微带线构成的具有完美吸波特性的超材料吸波体以来，超材料吸波体的研究取得了快速的发展。
目前，研究人员已经提出了很多种超材料吸波体，例如各种极化不敏感和多频超材料吸波体，但是这些吸波体的工作限制于对某一方向的电磁波的吸收，并且不同时具备极化不敏感和宽入射角等特性。在实际应用中，如果需要对相对的两个方向同时实现电磁波的吸收，但是简单的将两个单一方向的吸波体背对靠在一起又会造成彼此间的电磁干扰，从而降低了原有吸波体的吸波率等性能。因此，有必要设计一种具有极化不敏感和宽入射角特性的双向超材料吸波体。
发明内容
本发明提供了一种工作于X波段的具有极化不敏感和宽入射角特性的可实现双向吸收的双向超材料吸波体。
下面结合附图对本发明做进一步描述：
一种双向超材料吸波体，所述吸波体为单元周期性结构，单元结构包括：中间层的金属薄膜，两侧的损耗介质层和刻蚀在两个损耗介质层上的金属方环。所述的中间层的金属薄膜为全金属薄膜，无镂空结构。所述的两侧的损耗介质层结构尺寸相同。所述的刻蚀在介质层上的金属方环的结构外形和尺寸大小相同。所述的损耗介质层为FR4介质，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。所述的中间层金属薄膜和两侧金属方环采用金属铜。所述的金属方环的旋转角度为45°，即金属方环的四角正对损耗介质层四边的中点。所述的中间层的金属薄膜的长度和宽度和损耗介质层的长度和宽度相同。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出的双向超材料吸波体相对于中间的金属薄膜上下对称，在结构的上下两面各构成了一个谐振器，从而可以实现对两个方向电磁波的吸收的效果。同时，本发明提出的双向超材料吸波体具有宽入射角的特性，当电磁波的入射角度增加到50度时，本发明在工作频点的吸波率仍能保持在92％以上，并且随着入射角度的增加，吸收峰所对应的频率基本没有发生偏移。
本发明提出的双向超材料吸波体的中间层金属薄膜为全金属结构，采用这种结构可以保证无电磁波透射，在实现吸波体与自由空间阻抗匹配的同时，可以保证电磁波几乎全部进入到结构内部，进入到吸波体内部的电磁波在介质损耗和欧姆损耗的作用下被全部损耗掉，从而将电磁能转化为热能，实现对入射电磁波的吸收。对于垂直入射的电磁波，本发明在工作频点的吸波率可达到99.9％以上，并且该吸波体的吸波率在50％以上的带宽(FWHM)为910MHz(9.455GHz～10.365GHz)。
本发明提出的双向超材料吸波体结构为中心对称结构，当电磁波以不同极化角度入射时，都可以很好的进入到吸波体结构的内部，使吸波体对于不同极化方向的入射波均具有吸收作用，同时也可以吸收不同极化类型的电磁波。
附图说明
图1为本发明提出的双向超材料吸波体的立体结构图。
图2为本发明提出的双向超材料吸波体结构的侧视图。
图3为本发明提出的双向超材料吸波体结构的正视图和侧视图
图4为本发明提出的双向超材料吸波体相对于自由空间的等效输入阻抗。
图5为本发明提出的双向超材料吸波体对垂直入射的TE、TM极化电磁波的吸波率示意图。
图6为本发明提出的双向超材料吸波体对斜入射角为20度的TE、TM极化电磁波的吸波率示意图。
图7为本发明提出的双向超材料吸波体对斜入射角为40度的TE、TM极化电磁波的吸波率示意图。
图8为本发明提出的双向超材料吸波体对斜入射角为50度的TE、TM极化电磁波的吸波率示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
一种双向超材料吸波体，属于微波工程技术领域。本发明公开了一种双向超材料吸波体，包括：中间层的金属薄膜，在金属薄膜的两侧附有损耗介质层，在两侧的的介质层上采用印刷电路板技术刻蚀有两个金属环。所述的中间层的金属薄膜为全金属结构，无镂空。所述的两侧的损耗介质层和金属环的结构和尺寸参数分别完全相同。本发明提供的超材料吸波体具有高吸波率、极化不敏感和宽入射角特性，并且在相对的两个方向上都有吸波特性。本发明所述的双向超材料吸波体适用于隐身、电磁屏蔽等技术领域。
本发明采用的技术方案具体如下：
本发明设计的双向超材料吸波体为周期性结构，单元结构包括：中间层的金属薄膜3、两侧的损耗介质层2、4和最外侧的金属薄膜方环1、5，其中损耗介质层2、4分别帖附于中间层的金属薄膜3的两侧，金属薄膜方环1、5分别刻蚀在损耗介质层2、4上。中间层的金属薄膜为全金属结构。损耗介质层2、4的结构尺寸相同。金属方环1、5的结构和尺寸大小也相同，并且二者的中心连线垂直于吸波体所在的平面。同时，这种结构为对称结构，可以吸收任意极化角度的电磁波。中间层的金属3和最外侧的金属方环1、5均采用金属铜，损耗介质层2、4采用FR4介质。
实施例一：下面和图1—图8说明本实施方式，本实施方式所述的双向超材料吸波体的结构由5部分组成：中间层的金属薄膜3、两侧的损耗介质层2、4和刻蚀在损耗介质层上的金属方环1、5。中间层的金属薄膜3为全金属结构，无镂空结构，长和宽的尺寸和损耗介质层2、4的相同，两个介质层的结构属性相同。同时，最外层的两个金属方环的结构和尺寸大小相同。两个金属方环1、5较之损耗介质层，旋转了45度，即金属方环1、5的四角分别位于水平线和竖直线上，两个金属方环的中心均在竖直方向上。
实施例二：本实施方式对具体实施方式一所述的双向超材料吸波体作进一步的限定，在本实施方式中，中间层的金属薄膜3、最两侧的金属方环均采用金属铜，采用刻蚀技术刻蚀在介质层2、4的上下两侧。金属方环1、5的外边长为4.9mm，内边长为3.9mm。
实施例三：本实施方式对具体实施方式一所述的双向超材料吸波体作进一步的限定，在本实施方式中，所述介质层2、4采用FR4介质，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，尺寸为10.3mm*10.3mm*0.61mm。
图4为本发明相对于自由空间的等效阻抗，从图中可以看出，吸波体在吸收峰频点处的等效电阻为1，等效电抗为0，吸波体很好的实现了与自由空间的阻抗匹配。
图5—图8为本发明按照实施方式一、二、三提供的双向超材料吸波体的吸波率曲线图，从图中可以看出本发明提供的双向超材料吸波体在10.18GHz频点处对垂直入射的TE、TM极化波的吸波率达到99.9％以上，同时当入射角度增加到50度时，吸波率仍保持在92％以上。

Claims (8)

1.一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述吸波体为单元周期性结构，单元结构包括：中间层的金属薄膜(3)，两侧的损耗介质层和刻蚀在两个损耗介质层上的金属方环。
2.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的中间层的金属薄膜(3)为全金属薄膜，无镂空结构。
3.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的两侧的损耗介质层结构尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的刻蚀在介质层上的金属方环的结构外形和尺寸大小相同。
5.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的损耗介质层为FR4介质，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。
6.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的中间层金属薄膜和两侧金属方环采用金属铜。
7.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的金属方环的旋转角度为45°，即金属方环的四角正对损耗介质层四边的中点。
8.根据权利要求1所述的一种双向超材料吸波体，其特征在于：所述的中间层的金属薄膜(3)的长度和宽度和损耗介质层的长度和宽度相同。
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