CN105958212A - 全向双频段吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全向双频段吸波材料，包括第一介质层、第二介质层及空气层，第一介质层包括介质板、介质板上表面的顶部金属丝、介质板下表面的底部金属丝，顶部金属丝包括中间的十字形、以及十字形两交叉线的4个末端分别固连的圆弧段，4个圆弧段大小相同且均布于以十字形中心为原点的同一个圆上，相邻圆弧段之间留有相同大小的间隙，底部金属丝包括中间的十字形以及十字形外部的连续圆环，顶部金属丝和底部金属丝的十字形中心重合；所述第二介质层和第一介质层结构相同，且所述两介质层中的十字形中心对齐；本发明将两个人工电磁结构通过空气层叠加在一起，对不同的极化入射波都有很好的吸收效能从而同时满足了双频和全向性。

Description

全向双频段吸波材料

技术领域

本发明属于人工电磁材料邻域，具体涉及一种在两个不同频段内对不同极化方式的入射波都有很好吸收效能的吸波材料。

背景技术

对于人工电磁材料的发展状况，2008年，padilla等人提出了人工电磁材料的一个崭新应用，即用于电磁波的完美吸收(反射率和透射率同时为零)。在此之前，对于人工电磁材料，人们只关注其等效介电常数和磁导率的实部，因为人工电磁材料的电磁响应特性往往是由其等效介电常数和等效磁导率的实部所决定，而虚部会引起损耗，从而降低人工材料的电磁响应特性。然而，这个通常被学者们所忽略的虚部实际上也有重要应用价值。

一般基于人工电磁结构的吸波材料都是针对单一极化的入射波(水平极化或垂直极化)，只能对该极化方式的入射波而且对入射波入射角度也有要求。另外一般的人工结构都是工作在单一的谐振频率附近，少有多频段的。能够同时实现双频段内对不同极化方式的入射波都能有很好的吸收效能的自然更少了。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全向双频段吸波材料。

本发明的技术方案如下：

一种全向双频段吸波材料，包括第一介质层、第二介质层及两介质层之间的空气层，所述第一介质层包括中间的介质板、介质板上表面的顶部金属丝、介质板下表面的底部金属丝，所述顶部金属丝包括中间的十字形、以及十字形两交叉线的4个末端分别固连的圆弧段，所述4个圆弧段大小相同且均布于以十字形中心为原点的同一个圆上，相邻圆弧段之间留有相同大小的间隙，所述底部金属丝包括中间的十字形以及十字形外部的连续圆环，所述顶部金属丝和底部金属丝的十字形中心重合；所述第二介质层和第一介质层结构相同，且所述两介质层中的十字形中心对齐。

所述的人工电磁材料的反射系数为式中μ₀,μ_eff,ε₀,ε_eff分别为真空及人工电磁材料的磁导率和介电常数，当Z_a＝η₀时，即时，反射系数为零，电磁波可以无反射的进入到材料内部。另外根据电磁理论，采用“广义匹配定律”：亦可得到反射系数为零。

本发明材料类似三明治结构，顶部金属丝形成开口谐振环结构，利用顶部金属丝的开口结构的电谐振特性及它与十字形组合在一起的谐振特性，材料的等效介电系数和磁导率可以实现负数可调，通过调整材料的单元结构和尺寸，令材料的特性阻抗与自由空间波阻抗相匹配，降低材料的反射率，进一步增强结构的电磁谐振，降低材料的透射率，从而提高材料的吸波性能。本发明含有顶部金属丝的圆弧状缺口结构以及底部金属丝的十字形和连续圆环结构，能感应不同极化的入射波，并与其发生电磁谐振，吸收相应的电磁能量，并减小反射。

通过调节空气层的厚度，一方面可以减小不同谐振结构间的耦合，特别是不同谐振频率谐振环与十字形金属丝间的耦合。另一方面，可以通过调整空气层厚度，进一步增大材料的损耗率，提高吸波性能。

作为优选方式，所述第一介质层和第二介质层中的顶部金属丝和底部金属丝通过在介质板两侧的金属板蚀刻的方式得到。

作为优选方式，所述第一介质层和第二介质层中的顶部金属丝和底部金属丝粘结在介质板的两侧。

作为优选方式，所述介质板为FR4环氧玻璃纤维板。

作为优选方式，所述第一介质层和第二介质层通过连接件连接成一整体。

作为优选方式，所述第一介质层和第二介质层中的金属丝大小不同。

本发明的工作原理如下：通过合理地设计单元结构，使得等效介电常数和等效磁导率在某一特定频率上，不但具有相等的实部，其虚部也可以完全相同，从而使得它的阻抗跟自由空间的阻抗完全匹配，让入射波几乎能无反射地被有损耗的人工电磁材料完全吸收。同时还需要考虑人工电磁材料的损耗吸收问题。可以利用材料周期单元的谐振特性对电磁波进行谐振吸收，将电磁能量转化为热能。人工电磁材料中的电或磁谐振结构在外加电场或磁场作用下均可等效为LC谐振电路。根据电路理论，LC电路损耗取决于电路元件，和品质因数Q有关。

$Q=\frac{1}{2R}\sqrt{\frac{L}{C}}$

通过减小电感L或者增大阻抗R和电容C可以减小Q，从而增大损耗。此外，因为金属结构的阻抗与金属的电导率和频率有关，电容和电感与结构参数有关，通过调整这些结构参数来增大损耗是比较容易实现的。或采用损耗介质板支撑人工电磁材料，利用介质板的损耗来吸收入射电磁波。可用衰减参数α来表示单位长度上波的衰减量

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{2c}}\sqrt{{\mathrm{\μ}}^{\′\′}{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-{\mathrm{\μ}}^{\′}{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}\sqrt{{\mathrm{\μ}}^{\′2}+{\mathrm{j\ϵ}}^{\′\′}}$

其中，ω为入射波的角频率，c为电磁波在真空中的传播速度，μ_eff＝μ′+jμ″,ε_eff＝ε′+jε″分别为人工电磁材料的等效复磁导率和复介电系数。从式中可以看出，提高μ″,ε″，降低ε′可以实现衰减量的增大。

开口谐振环结构则是典型的磁谐振结构，当入射波的磁场方向与开口谐振环平面垂直时，开口谐振环类似于磁偶极子，在外磁场的作用下，产生谐振，在高于谐振频率的一段频带内，同样出现反常谐振，使得材料的等效磁导率为负值。同时，谐振环结构对于平行于谐振环平面的电场也存在电响应，且谐振频率与磁响应一致，将会导致相当复杂的电磁行为。为了获得更好的磁谐振效果，利用十字形结构和开口谐振环结构获得电谐振，并将十字形金属丝结构和开口谐振环结构前后排列，利用前后两层金属间的相互作用，将感应磁场的电流回路立体化，即令两个金属结构共同构成开口谐振环，在磁场作用下，产生磁响应，以保证材料在某一频段内磁导率为负值。

为进一步减小材料的透射率，就需要增大材料的损耗，利用人工电磁材料设计吸波材料，考虑利用材料的谐振特性对电磁波进行谐振吸收，因此，需要对材料的尺寸结构做进一步的优化，以保证在满足材料的反射率很小的同时，透射率也很小。同时，由于人工电磁材料为人造结构，亦可以考虑在结构中加入吸波材料，增强材料的损耗，从而进一步调高人工电磁材料的吸波性能。

本发明的有益效果为：本发明将两个人工电磁结构通过空气层叠加在一起，对不同的极化入射波都有很好的吸收效能从而同时满足了双频和全向性。

附图说明

图1为本发明的全向双频段吸波材料的立体结构图。

图2为用于表示本发明的第二介质层的顶部金属丝和底部金属丝的结构示意图。

图3为入射波任意极化情况下优化后人工电磁材料的反射特性图。

图4为入射波任意极化情况下优化后人工电磁材料的吸收特性图

图5为入射波沿任意方向极化特性下(垂直入射)全向双频段吸波材料的反射特性图。

图6为入射波沿任意方向极化特性下(垂直入射)全向双频段吸波材料的吸收特性图

图7为斜入射情况下全向双频段吸波材料的反射特性图。

图8为斜入射情况下全向双频段吸波材料的吸收特性图。

其中，1为第一介质层，2为空气层，3为第二介质层，14为第一介质层的顶部金属丝，15为第一介质层的底部金属丝，141为第一介质层的顶部金属丝的十字形，142为第一介质层的顶部金属丝的圆弧段，151为第一介质层的底部金属丝的十字形，152为第一介质层的底部金属丝的连续圆环，34为第二介质层的顶部金属丝，35为第二介质层的底部金属丝，341为第二介质层的顶部金属丝的十字形，342为第二介质层的顶部金属丝的圆弧段，351为第二介质层的底部金属丝的十字形，352为第二介质层的底部金属丝的连续圆环。

具体实施方式

以下通过具体的实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式甲乙实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

从图3、4可以看出没有叠加的单层结构对不同极化方向的入射波都有很好的吸收效果。从图5、6可以看出叠加之后的三层结构在入射垂直入射的情况下对入射波在两个不同的频段内同样有很好的吸收效果。从图7、8可以看出叠加之后的三层结构在入射波斜入射的情况下对两个不同频段内的入射波都有很好的吸收作用。

一种全向双频段吸波材料，包括第一介质层1、第二介质层3及两介质层之间的空气层2，所述第一介质层1包括中间的介质板、介质板上表面的顶部金属丝、介质板下表面的底部金属丝，所述顶部金属丝包括中间的十字形、以及十字形两交叉线的4个末端分别固连的圆弧段，所述4个圆弧段大小相同且均布于以十字形中心为原点的同一个圆上，相邻圆弧段之间留有相同大小的间隙，所述底部金属丝包括中间的十字形以及十字形外部的连续圆环，所述顶部金属丝和底部金属丝的十字形中心重合；所述第二介质层和第一介质层结构相同，且所述两介质层中的十字形中心对齐。

如图1所示，14为第一介质层的顶部金属丝，15为第一介质层的底部金属丝，141为第一介质层的顶部金属丝的十字形，142为第一介质层的顶部金属丝的圆弧段，151为第一介质层的底部金属丝的十字形，152为第一介质层的底部金属丝的连续圆环，34为第二介质层的顶部金属丝，35为第二介质层的底部金属丝，341为第二介质层的顶部金属丝的十字形，342为第二介质层的顶部金属丝的圆弧段，351为第二介质层的底部金属丝的十字形，352为第二介质层的底部金属丝的连续圆环。

所述的人工电磁材料的反射系数为式中μ₀,μ_eff,ε₀,ε_eff分别为真空及人工电磁材料的磁导率和介电常数，当Z_a＝η₀时，即时，反射系数为零，电磁波可以无反射的进入到材料内部。另外根据电磁理论，采用“广义匹配定律”：亦可得到反射系数为零。

本实施例材料类似三明治结构，顶部金属丝形成开口谐振环结构，利用顶部金属丝的开口结构的电谐振特性及它与十字形组合在一起的谐振特性，材料的等效介电系数和磁导率可以实现负数可调，通过调整材料的单元结构和尺寸，令材料的特性阻抗与自由空间波阻抗相匹配，降低材料的反射率，进一步增强结构的电磁谐振，降低材料的透射率，从而提高材料的吸波性能。本发明含有顶部金属丝的圆弧状缺口结构以及底部金属丝的十字形和连续圆环结构，能感应不同极化的入射波，并与其发生电磁谐振，吸收相应的电磁能量，并减小反射。

通过调节空气层的厚度，一方面可以减小不同谐振结构间的耦合，特别是不同谐振频率谐振环与十字形金属丝间的耦合。另一方面，可以通过调整空气层厚度，进一步增大材料的损耗率，提高吸波性能。

本实施例中，所述第一介质层和第二介质层中的顶部金属丝和底部金属丝通过在介质板两侧的金属板蚀刻的方式得到。

在其他实施例中，所述第一介质层和第二介质层中的顶部金属丝和底部金属丝粘结在介质板的两侧。

本实施例中，所述介质板为FR4环氧玻璃纤维板。

所述第一介质层和第二介质层通过连接件连接成一整体，在本实施例中，第一介质层和第二介质层通过螺栓连接成一个整体。

本实施例中，第二介质层中的金属丝大于第一介质层中的金属丝。

对金属结构的改进主要用于改善吸波材料对极化的敏感性。空气层的主要作用是用于调节人工结构之间的耦合，使材料的吸收效能达到最佳。

本实施例的吸波材料，在较小的斜入射角情况下(小于等于30度)，材料的反射及吸收特性基本保持不变，对入射角度也不敏感。但在45度时，在9GHz的工作波段发生了变化，反射系数减小，吸收率增大，且吸收峰向低频方向略有移动。

本实施例对于金属结构之间的介质板厚度，空气层的厚度，以及金属结构的具体尺寸没有具体要求，可根据具体情况进行设计，常见的损耗介质板均可满足要求，对于金属结构和介质板的组合可以用蚀刻技术也可以用PCB技术。

上述实例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种全向双频段吸波材料，其特征在于：包括第一介质层、第二介质层及两介质层之间的空气层，所述第一介质层包括中间的介质板、介质板上表面的顶部金属丝、介质板下表面的底部金属丝，所述顶部金属丝包括中间的十字形、以及十字形两交叉线的4个末端分别固连的圆弧段，所述4个圆弧段大小相同且均布于以十字形中心为原点的同一个圆上，相邻圆弧段之间留有相同大小的间隙，所述底部金属丝包括中间的十字形以及十字形外部的连续圆环，所述顶部金属丝和底部金属丝的十字形中心重合；所述第二介质层和第一介质层结构相同，且所述两介质层中的十字形中心对齐。

2.根据权利要求1所述的全向双频段吸波材料，其特征在于:所述第一介质层和第二介质层中的顶部金属丝和底部金属丝通过在介质板两侧的金属板蚀刻的方式得到。

3.根据权利要求1所述的全向双频段吸波材料，其特征在于:所述第一介质层和第二介质层中的顶部金属丝和底部金属丝粘结在介质板的两侧。

4.根据权利要求1所述的全向双频段吸波材料，其特征在于:所述介质板为FR4环氧玻璃纤维板。

5.根据权利要求1所述的全向双频段吸波材料，其特征在于:所述第一介质层和第二介质层通过连接件连接成一整体。

6.根据权利要求1所述的全向双频段吸波材料，其特征在于:所述第一介质层和第二介质层中的金属丝大小不同。