CN105514619A - 一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器 - Google Patents

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程用志
章喆
周钰杰
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    • H05K9/00—Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields

Abstract

本发明提供了一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，包括单元结构和底板，所述单元结构位于所述底板上，所述单元结构包括介质基板、金属开缝环结构、片式电阻和金属背板，所述金属开缝环结构分别与所述介质基板和片式电阻相连，本发明利用加载片式电阻的开缝环结构产生强烈的电路谐振和阻抗匹配特性，以达到超宽频阻抗匹配的效果，实现超宽频带微波强吸收效果。当电磁波入射到吸收器上时，谐振结构周围产生磁场环路，该磁场环路使金属片和片式电阻产生欧姆损耗，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，并且可以实现超宽频带高性能吸收，具有结构简单轻巧、成本低、制备方便等优点。

Description

一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器
技术领域
本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种微波吸收器，具体涉及一种加载片式电阻的极化不敏感的超宽频带超材料微波吸收器。
背景技术
吸收器，又称吸波体、吸收体或吸波材料，指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类电磁功能材料或器件。微波吸收器在通信，抗干扰，环保和人体防护等许多技术领域也开始发挥举足轻重的作用，它的发展趋势是厚度薄，吸收强，重量轻，频带宽。在工程应用上，除要求微波吸收器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。
传统的微波吸收器，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。碳泡沫尖劈吸收器易实现相对较宽的频带，但通常体积较大。FSS的通带吸收/反射来源于它的空间周期性，是典型的通过电介质基底上有周期性孔洞的金属膜或金属基本单元实现特性的。对FSS的研究已经比较成熟，但是由于其周期性结构以及结构尺寸与波长相比拟，在某些通带频率，特殊条件和极化时仍然存在问题。
近年来，将超材料应用于微波吸收材料的设计逐渐成为了研究热点。超材料指的是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，从本质上讲，超材料更是一种新颖的材料设计思想，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表现自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。因此超材料具有可设计性和可调控性的特点。通过调控超材料的结构和尺寸，可以得到所需的人为结构的等效介电常数，磁导率等电磁特性参数。
超材料之所以称之为材料的范畴，是由于其亚波长结构特性，即超材料基本单元结构的尺寸远小于作用的电磁波的波长(单元结构尺寸一般小于λ/10，其中λ是工作的波长，其中单元尺寸λ/15～λ/5为优)，这为超材料的设计以及在微波频段带来了极大的应用前景。通过超材料基本单元结构的设计可以分别实现电磁波电谐振响应，磁谐振响应，同时的电、磁谐振响应。基于超材料的谐振特性，超材料在较薄的状况下可以实现完美吸收，但是其谐振对频率的作用范围小，导致其吸收带宽过窄。超材料吸收带宽的拓展，成为超材料吸波设计的瓶颈。中国发明专利CN103647152A，CN105101769A，CN105097052A公开了多种宽频带超材料吸波体设计方案，专利[CN103647152A]提出了一种基于开缝环和方形贴片结构的极化不敏感的超材料吸波体；专利[CN105101769A]提出了一种嵌入式复合超材料吸波体；[CN105097052A]提出了一种基于面电阻型的超材料吸波体。虽然提出的这些吸波体能够实现微波吸收频带的展宽，但强吸收频带展宽的范围有限(吸收率大于90％的相对带宽很难达到100％)，另外制备过程比较复杂，不利于实际工程应用。针对目前超材料吸收器的诸多缺点。
发明内容
本发明提供了一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，本发明通过在超材料结构中加载片式电阻的方法设计了一种极化不敏感的超宽频带超材料微波吸收器，该微波吸收器具有结构简单轻便、吸收频带宽、吸收率高、对电磁波极化方式不敏感的优点。本发明提供的技术方案如下：
一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，包括单元结构和底板，所述单元结构位于所述底板上，所述单元结构包括介质基板、金属开缝环结构、片式电阻和金属背板，所述金属开缝环结构分别与所述介质基板和片式电阻相连，所述介质基板与所述金属背板相连。
上述的吸收器，其中，所述吸收器包括多个所述单元结构，所述多个单元结构周期性分布在所述底板上。
上述的吸收器，其中，所述金属开缝环结构刻蚀在所述介质基板上，所述片式电阻镶嵌在所述金属开缝环结构上并与金属开缝环结构构成闭合回路。
上述的吸收器，其中，所述金属背板为导电的铜板、铝板、钢板中的一种。
上述的吸收器，其中，所述介质基板为电介质基板，介电常数实部为1～10。
上述的吸收器，其中，所述介质基板为矩形板并垂直连接于金属背板，所述介质基板的长度与金属背板的长度相等。
上述的吸收器，其中，所述金属开缝环结构包括具有单个开缝或两个开缝的三角形、圆形、方形、菱形、多边形或者相互组合的变体结构。
上述的吸收器，其中，所述金属开缝环结构通过印刷电路板工艺覆盖于所述介质基板之上。
本发明提供了一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，包括单元结构和底板，所述单元结构位于所述底板上，所述单元结构包括介质基板、金属开缝环结构、片式电阻和金属背板，所述金属开缝环结构分别与所述介质基板和片式电阻相连，所述介质基板与所述金属背板相连，本发明通过开缝环结构几何参数和片式电阻值，利用加载片式电阻的开缝环结构产生强烈的电路谐振和阻抗匹配特性，以达到超宽频阻抗匹配的效果，实现超宽频带微波强吸收效果。当电磁波入射到吸收器上时，谐振结构周围产生磁场环路，该磁场环路使金属片和片式电阻产生欧姆损耗，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。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明中单元结构在实施例1中的结构示意图。
图2a和图2b为本发明中单元结构为图1所示的情况下的吸收率。
图3为本发明中单元结构在实施例2中的结构示意图。
图4为本发明中单元结构为图3所示的情况下的吸收率。
图5为本发明中单元结构在实施例3中的结构示意图。
图6为本发明中单元结构为图5所示的情况下的吸收率。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及具体的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的最佳实施案例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其它实施方式。
如图1-图6所示，本发明提供一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，包括单元结构1和底板，单元结构1位于底板上，单元结构1包括介质基板2、金属开缝环结构3、片式电阻4和金属背板5，金属开缝环结构3分别与介质基板2和片式电阻4相连，介质基板2与金属背板5相连，当电磁波传播的方向平行于加载有片式电阻开缝环结构的介质板时，本发明通过金属开缝环结构3几何参数和片式电阻值，利用加载片式电阻4在金属开缝环结构3上产生强烈的电路谐振和阻抗匹配特性，以达到超宽频阻抗匹配的效果，实现超宽频带微波强吸收效果，当电磁波入射到吸收器上时，谐振结构周围产生磁场环路，该磁场环路使金属片和片式电阻产生欧姆损耗，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。
在本发明一可选的实施案例中，吸收器包括多个单元结构1，多个单元结构1周期性分布在底板上，进一步，多个单元结构1周期性无缝分布在底板上。
在本发明一可选的实施案例中，金属开缝环结构3刻蚀在介质基板2上，片式电阻4镶嵌在金属开缝环结构3上并与金属开缝环结构3构成闭合回路。
在本发明一可选的实施案例中，金属背板5为导电的铜板、铝板、钢板中的一种。
在本发明一可选的实施案例中，介质基板2为电介质基板，介电常数实部为1～10，进一步优选介质基板2为矩形板并垂直连接于金属背板5，介质基板2的长度与金属背板5的长度相等。
在本发明一可选的实施案例中，金属开缝环结构3包括具有单个开缝或两个开缝的三角形、圆形、方形、菱形、多边形或者相互组合的变体结构，进一步优选为，方形或圆形。
在本发明一可选的实施案例中，金属开缝环结构3通过印刷电路板工艺覆盖于介质基板2之上，可以实现方便制作。
以下提供三种不同的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1，如图1和图2a和图2b所示，吸收器由介质基板2，刻蚀在基板上的金属开缝环结构3(方形金属开缝环谐振器结构)，镶嵌在金属开缝环结构3上的片式电阻4，金属背板5构成，从图1中单元结构1周期长为px宽为py，介质基基2板长为px宽为h厚度为ts，金属开缝环结构3长边为a，宽边为b，线宽为w，缝宽为g，金属开缝环开口处焊接的电阻为R1和R2。通过单元结构1几何参数的变化，可以使其工作在不同的频率范围。单元结构1几何参数的变化范围：
单元结构周期长px宽py：5mm～50mm；
介质基板长px：5mm～50mm；
介质基板宽h：2mm～50mm；
介质基板厚度ts：0.2mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案边长a：4mm～40mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案边宽b：1.8mm～40mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案线宽w：0.2mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案缝隙宽g：0.5mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案厚tm：0.01mm～0.1mm；
焊接的片式电阻R1和R2：50欧姆～3500欧姆；
金属底板厚度tg：0.01mm～0.1mm，其中本实施例中开缝环谐振器结构金属膜图案，也就是本发明中所说的金属开缝环结构3的一种实施方式。
本发明使用时，介质基板平行于电磁波传播方向。用相对带宽fFOC来表示吸收频带宽度，其中，fH为吸收频带的上限频率，fL为吸收频带的下限频率。
上述吸收器经过时域有限差分(FDTD)算法数值模拟在垂直入射TEM波情况下，随频率变化的吸收率计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|为随频率变化的反射系数幅值，|S21|为随频率变化的透射系数幅值。通过合理优化设计吸收器结构几何参数和材料电磁参数，使其在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配(即有效介电常数与有效磁导率相等)，此时，由于空间电磁波完全进入超材料结构而几乎不被反射和透射，反射率R＝|S11|2和透射率T＝|S21|2接近于零；这样电磁能量被完全限制在该器件内部，从而实现近乎100％的完美吸收。
本实施例中，设计的微波吸收器单元结构几何参数为：px＝py＝10mm，h＝10mm，a＝8mm，b＝7.5mm，w＝1mm，g＝2mm，ts＝1mm，金属膜图案厚度为0.035mm，金属膜材料为铜箔，其电导率为5.8×107S/m，介质基板采用Fr-4基板，介电常数为4.3，损耗角为0.02。仿真结果表明，该微波吸收器在3.8GHz-19.5GHz频率范围吸收率超过90％，在某些频点吸收率达到99％，其吸收率大于90％的相对带宽达到134.7％。另外，由于设计的超材料基本单元结构具有几何对称性可以组合成周期性阵列结构，因此，其对入射电磁波也是极化不敏感的。
本实施例中，为了验证设计的可靠性，首先采用印刷电路板工艺制备刻蚀在介质基本上的金属膜图案，然后采用焊接工艺将片式电阻焊接在金属膜图案的开口处，然后将刻蚀金属膜图案和焊接有片式电阻的介质基板通过粘接剂粘到金属铜板上，最终形成的测试样品成为三维周期性阵列结构。然后我们将样品置于在微波暗室环境一下测试其平板反射率，测试结果如图2b所示，从图2中可以清楚地看到，测试结果与仿真结果具有很好一致性。在整个4-18GHz范围内，吸收率大于90％，其相对带宽达到127.2％，远大于当前文献和相关专利所报到的值。另外我们设计的微波吸收器还具有易于加工制备，面密度比较小，极化不敏感等优点，在本实施例中吸收率为基于FDTD方法仿真和微波暗室环境下自由空间法测试得到的吸收率。
实施例2，如图3和图4所示，吸收器由介质基板2，刻蚀在基板上的金属开缝环结构3(方形金属双开缝环谐振器结构)，镶嵌在金属开缝环结构3上的片式电阻4，金属背板5构成，其中，单元结构周期长为px宽为py，介质基基板长为px宽为h厚度为ts，开缝环结构长度为a，宽边为b，线宽为w，缝宽为g，开缝环开口处焊接的电阻为R1和R2。通过单元结构几何参数的变化，可以使其工作在不同的频率范围。单元结构几何参数的变化范围：
单元结构周期长px宽py：5mm～50mm；
介质基板长px：5mm～50mm；
介质基板宽h：2mm～50mm；
介质基板厚度ts：0.2mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案边长a：4mm～40m；
开缝环谐振器结构金属膜图案边宽b：1.8mm～40mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案线宽w：0.2mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案缝隙宽度g：0.5mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案厚度tm：0.01mm～0.1mm；
焊接的片式电阻R1和R2：50欧姆～3500欧姆；
金属底板厚度tg：0.01mm～0.1mm。
本发明使用时，介质基板平行于电磁波传播方向，其中本实施例中开缝环谐振器结构金属膜图案，也就是本发明中所说的金属开缝环结构3的一种实施方式。
用相对带宽fFOC来表示吸收频带宽度，其中，fH为吸收频带的上限频率，fL为吸收频带的下限频率。
上述吸收器经过时域有限差分(FDTD)算法数值模拟在垂直入射TEM波情况下，随频率变化的吸收率计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|为随频率变化的反射系数幅值，|S21|为随频率变化的透射系数幅值。通过合理优化设计微波吸收器结构几何参数和材料电磁参数，使其在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配(即有效介电常数与有效磁导率相等)，此时，由于空间电磁波完全进入超材料结构而几乎不被反射和透射，反射率R＝|S11|2和透射率T＝|S21|2接近于零；这样电磁能量被完全限制在该器件内部，从而实现近乎100％的完美吸收。
在本实施例中，设计的微波吸收器单元结构几何参数为：px＝8mm，py＝12mm，h＝8mm，a＝11mm，b＝7mm，w＝0.8mm，g＝2mm，ts＝0.5mm，金属膜图案厚度为0.035mm，金属膜材料为铜箔，其电导率为5.8×107S/m，介质基板采用Fr-4基板，介电常数为4.3，损耗角为0.02，焊接的片式电阻值R1＝R2＝241Ω。仿真实验结果表明，该微波吸收器在5.1GHz-17.6GHz频率范围吸收率超过90％，在某些频点吸收率达到99％，其吸收率大于90％的相对带宽达到110.1％。另外，由于设计的超材料基本单元结构可以组合成周期性阵列结构，因此，其对入射电磁波也是极化不敏感的，在本实施例中吸收率为基于FDTD方法仿真得到的吸收率。
实施例3，如图5和图6所示，吸收器由介质基板2，刻蚀在基板上的金属开缝环结构3(圆形单开缝环谐振器结构)，镶嵌在金属开缝环结构3上的片式电阻4，金属背板5构成，其中，单元结构周期长为px宽为py，介质基基板长为px宽为h厚度为ts，圆形开缝环结构外环半径为r，线宽为w，缝宽为g，开缝环开口处焊接的电阻为R。通过单元结构几何参数的变化，可以使其工作在不同的频率范围。单元结构几何参数的变化范围：
单元结构周期长px宽py：5mm～50mm；
介质基板长px：5mm～50mm；
介质基板宽h：2mm～50mm；
介质基板厚度ts：0.2mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案外环半径r：2mm～25m；
开缝环谐振器结构金属膜图案线宽w：0.2mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案缝隙宽度g：0.5mm～5mm；
开缝环谐振器结构金属膜图案厚度tm：0.01mm～0.1mm；
焊接的片式电阻R：50欧姆～3500欧姆；
金属底板厚度tg：0.01mm～0.1mm，其中本实施例中开缝环谐振器结构金属膜图案，也就是本发明中所说的金属开缝环结构3的一种实施方式。
本发明使用时，介质基板平行于电磁波传播方向。
用相对带宽fFOC来表示吸收频带宽度，其中，fH为吸收频带的上限频率，fL为吸收频带的下限频率。
上述吸收器经过时域有限差分(FDTD)算法数值模拟在垂直入射TEM波情况下，随频率变化的吸收率计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|为随频率变化的反射系数幅值，|S21|为随频率变化的透射系数幅值。通过合理优化设计微波吸收器的结构几何参数和材料电磁参数，使其在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配(即有效介电常数与有效磁导率相等)，此时，由于空间电磁波完全进入超材料结构而几乎不被反射和透射，反射率R＝|S11|2和透射率T＝|S21|2接近于零；这样电磁能量被完全限制在该器件内部，从而实现近乎100％的完美吸收。
在本实施例中，设计的微波吸收器单元结构几何参数为：px＝9mm，py＝9mm，h＝8mm，r＝3.5mm，w＝0.8mm，g＝2mm，ts＝0.5mm，金属膜图案厚度为0.035mm，金属膜材料为铜箔，其电导率为5.8×107S/m，介质基板采用Fr-4基板，介电常数为4.3，损耗角为0.02。焊接的片式电阻R＝150Ω。仿真结果表明，该微波吸收器在5.2GHz-15.8GHz频率范围吸收率超过90％，在某些频点吸收率达到99％，其吸收率大于90％的相对带宽达到100.9％。另外，由于设计的超材料基本单元结构可以组合成周期性阵列结构，因此，其对入射电磁波也是极化不敏感的。
综上所示，本发明提供了一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，包括单元结构和底板，所述单元结构位于所述底板上，所述单元结构包括介质基板、金属开缝环结构、片式电阻和金属背板，所述金属开缝环结构分别与所述介质基板和片式电阻相连，所述介质基板与所述金属背板相连，本发明通过开缝环结构几何参数和片式电阻值，利用加载片式电阻的开缝环结构产生强烈的电路谐振和阻抗匹配特性，以达到超宽频阻抗匹配的效果，实现超宽频带微波强吸收效果。当电磁波入射到吸收器上时，谐振结构周围产生磁场环路，该磁场环路使金属片和片式电阻产生欧姆损耗，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。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施案例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，包括单元结构和底板，所述单元结构位于所述底板上，所述单元结构包括介质基板、金属开缝环结构、片式电阻和金属背板，所述金属开缝环结构分别与所述介质基板和片式电阻相连，所述介质基板与所述金属背板相连。
2.如权利要求1所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述吸收器包括多个所述单元结构，所述多个单元结构周期性分布在所述底板上。
3.如权利要求1所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述金属开缝环结构刻蚀在所述介质基板上，所述片式电阻镶嵌在所述金属开缝环结构上并与金属开缝环结构构成闭合回路。
4.如权利要求1所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述金属背板为导电的铜板、铝板、铁板、钢板中的一种。
5.如权利要求1-4任一所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述介质基板为电介质基板，介电常数实部为1～10。
6.如权利要求5所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述介质基板为矩形板并垂直连接于金属背板，所述介质基板的长度与金属背板的长度相等。
7.如权利要求5所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述金属开缝环结构包括具有单个开缝或两个开缝的三角形、圆形、方形、菱形、多边形或者相互组合的变体结构。
8.如权利要求5所述的一种加载片式电阻的超宽频带超材料微波吸收器，其特征在于，所述金属开缝环结构通过印刷电路板工艺覆盖于所述介质基板之上。
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