CN106252898A - 一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种新型的基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器。本发明由两个金属圆环的同心圆环组成的结构单元、介质基板和金属背板组成，是仅需在介质板上刻蚀由金属环结构单元随机分布在介质板一侧，介质板另一侧为固定的全金属板，吸收的产生是内外金属圆环之间的电响应与介质板两侧的金属的磁响应，通过改变同心金属圆环结构单元中圆环的几何尺寸以及介质板的厚度，使其工作在任意波段。本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术或者微纳加工技术可以完成对本发明的加工。传统的吸波材料需要复杂的工序，并且价格昂贵。

Description

一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器
技术领域
本发明于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种新型的基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器。
背景技术
吸波技术主要是利用吸波材料有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的，其中，吸收器广泛应用于光探测器、频谱成像和测辐射热仪等领域。超材料的出现，丰富了电磁领域的研究内容，也为实现多种新型微波器件、微纳器件提供了机遇。
超材料是利用自然界的常规材料人工设计的复合媒质，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。超材料极大地丰富了电磁领域的研究内容，实现多种功能性器件，如完美吸收器、偏振器、滤波器和调制器等。基于超材料的吸收器由于结构超薄，能够实现对入射电磁波的完全吸收而引起了研究人员的广泛关注。2008年，美国研究人员N.I.Landy提出了基于超材料的完美吸收器的概念，利用三层结构，通过合理地设计结构参数，使该结构对特定频率的电磁波既不产生反射也不产生透射，实现了单一频率电磁波的完美吸收。此后，研究人员设计了多种不同结构的完美吸收器，研究频段从微波段扩展到THz频段、近红外频段、可见光频段。基于超材料的光波段吸收器，厚度约为谐振波长的1/15，实验上实现了88％的吸收率。Tao等设计了THz频段的超材料吸收器，在1.3THz处吸收率约为70％。目前，越来越多的研究工作集中于多频与宽频超材料吸收器。Liu等人提出了一种基于随机纳米金属点的超材料吸收器，其在可见光波段具有高吸收率。Sun等人设计一种基于随机纳米网结构的超材料吸收器，在可见光波段可达到89％的吸收率。Zhu等人设计了一种基于随机的树枝状的超材料吸收器。
由于谐振的原因，超材料结构在特定频率的电磁场作用下可产生强烈的局部谐振，感应出很强的表面电流，在局部范围内激发出很大的电场。因此，超材料在谐振频率附近都具有较大的金属欧姆损耗以及介电损耗。在很多研究中科研人员一般都试图尽量减小超材料的损耗，更好地体现其负磁导率或负折射率特性。然而，超材料中的损耗也具有很多潜在的其他方面的应用。合理的设计材料的几何形状以及结构参数，对于入射到超材料表面的电磁波可以确保既不反射也不透射，达到电磁波完全吸收。这种超材料吸收器具有吸收效率高，结构简单，体积小，偏振不敏感等优点，可以作为高效的电磁加热装置，也可以应用于电磁波的收集和探测装置，如辐射热测量仪，高频谱成像，光电探测等。
发明内容
本发明的目的是利用新型人工电磁材料的谐振特性，提供一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，由两个金属圆环的同心圆环组成的结构单元、介质基板和金属背板组成，是仅需在介质板上刻蚀由金属环结构单元随机分布在介质板一侧，介质板另一侧为固定的全金属板，吸收的产生是内外金属圆环之间的电响应与介质板两侧的金属的磁响应，通过改变同心金属圆环结构单元中圆环的几何尺寸以及介质板的厚度，使其工作在任意波段。
所述超材料吸收器的金属环结构单元是由两个半径不同的金属圆环构成的同心圆结构。
所述超材料吸收器的金属环结构单元完全相同且随机分布在介质板表面。
所述超材料吸收器的基本结构单元厚度为微米或者百纳米量级，结构单元为金属材料，所述的金属材料为金、银、铝或铜。
所述超材料吸收器的基底材料为PCB材料、半导体材料、玻璃，其厚度为毫米或者百微米量级。
所述超材料吸收器的金属背板材料金、银、铝或铜。
所述超材料吸收器的吸收波段为双波段。
超材料吸收器对入射波的偏振方向不敏感，任何偏振态均接近完全吸收。
本发明的有益效果在于：
1.本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术或者微纳加工技术可以完成对本发明的加工。传统的吸波材料需要复杂的工序，并且价格昂贵。
2.本发明具有对特定波段完全吸收的特性，此结构可以实现对特定频率的电磁波的选择性吸收，在雷达隐身、成像以及测辐射仪等领域均有更加广阔的应用前景。
3.本发明操作简单，通过调节控制波的相位、超材料金属环和介质基底的尺寸参数和材料属性，就能够调节吸收器的吸收频带，实现对特定频率的电磁波的选择性吸收。
4.本发明同时具有便携、重量轻、容易集成，偏振不敏感等优点，较传统的吸波材料，本发明仅为单层，厚度小、重量轻、易于共形。
附图说明
图1是基于随机金属环超材料吸收器的整体示意图。
图2是基于随机金属环超材料吸收器的金属环结构单元的前视图。
图3是基于随机金属环超材料吸收器的吸收曲线。
图中：1.金属板，2.介质基底基底3.同心金属环结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及一种基于同心金属双圆环的结构单元随机分布的超材料双带吸收器。该超材料吸收器由随机分布的同心金属双圆环、介质基板和金属背板组成。通过合理地设计金属圆环的几何尺寸，可以实现对垂直入射到超材料表面的电磁波完全吸收的特性。这种超材料吸收器具有双带，吸收效率高，结构简单，尺寸小，对入射偏振态不敏感等优点，可以应用于电磁波的收集和探测装置，如辐射热测量仪、高光谱成像、光电探测仪等，也可以作为高效的电磁加热装置。
这种电磁波吸收器可以对不同频率电磁波的选择性吸收，且效果良好。基于随机金属环结构单元的吸收器，具有加工简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，易于和被隐身的物体共形，因此具有很高的实用价值。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于随机分布金属环结构单元的吸收器，它由一个三层结构组成。一束一定波长的电磁波垂直入射到超材料上，在金属环结构内发生谐振，底层的金属板不会产生透射，将电磁波全部反射，也在金属环内产生谐振，将电磁波的能量转化为热能等形式，通过改变超材料金属环和介质基底的尺寸参数和材料属性，可以实现对特定频率信号波的选择性吸收。
基于随机金属环的吸收器包括基底、金属板和单层金属环，基底位于金属板和单层超材料之间，作为单层金属环的基底或者间隔层来支撑超材料；所有的金属环结构完全相同，刻蚀在基底一侧,但在基底表面的X-Y平面内分布是随机的。所述的超材料金属环的材料，可以为金、银、铝、铜等金属。所述超材料的基底通常采用PCB材料、半导体材料、玻璃等，厚度为毫米或者百微米量级。
在入射方向上测量通过超材料表面的反射波，获取超材料的吸收率。在没有超材料金属环结构单元的情况下，入射波将全部反射。入射波通过固定参数的超材料结构时，随着入射波频率的变化，测得的吸收率不断变化，在金属环内形成谐振的频率处，超材料的吸收率达到100％。在不同参数下，金属环内产生谐振的频率不完全相同，因此实现完全吸收的频率不同，可以达到多频段吸波的效果。
该吸收器制造方便、厚度薄、重量轻、易于共形，可以对特定波长的电磁波实现完美的选择性吸收，在雷达隐身、成像等领域具有重要的应用前景。
实施例1：
本实施例由图1所示的同心圆环结构单元3、金属层1和基底2组成，同心圆环结构单元随机分布在基底上，基底厚度为0.62毫米，材料是PCB，其介电常数ε＝4.05-0.05i，基底尺寸为200毫米×200毫米。如图2所示，金属环半径r1＝0.25mm,r2＝4.3mm，w1＝w2＝0.5mm，利用电路板刻蚀技术可以完成超材料吸收器的制备，其吸收率可表示为Aiy＝1-|S11|2-|S21|2，Aix＝1-|S22|2-|S12|2。从图3的吸收曲线可以看出在频率为5.8GHz处，Aiy＝92.1％，Aix＝87.5％；11.3GHz处，Aiy＝99.6％，Aix＝99.7％。
通过改变吸收器结构、尺寸参数和材料属性，可以实现对任意设定频率的电磁波的选择性吸收，并且效果良好。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，由两个金属圆环的同心圆环组成的结构单元、介质基板和金属背板组成，其特征在于：是仅需在介质板上刻蚀由金属环结构单元随机分布在介质板一侧，介质板另一侧为固定的全金属板，吸收的产生是内外金属圆环之间的电响应与介质板两侧的金属的磁响应，通过改变同心金属圆环结构单元中圆环的几何尺寸以及介质板的厚度，使其工作在任意波段。
2.根据权利要求1所述的一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器的金属环结构单元是由两个半径不同的金属圆环构成的同心圆结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器的金属环结构单元完全相同且随机分布在介质板表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器的基本结构单元厚度为微米或者百纳米量级，结构单元为金属材料，所述的金属材料为金、银、铝或铜。
5.根据权利要求1所述的一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器的基底材料为PCB材料、半导体材料、玻璃，其厚度为毫米或者百微米量级。
6.根据权利要求1所述的一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器的金属背板材料金、银、铝或铜。
7.根据权利要求1所述一种基于随机的同心金属双圆环的超材料双带吸收器，其特征在于：所述超材料吸收器的吸收波段为双波段。
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