CN106450795B - 一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构 - Google Patents

一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，包括超材料结构表面、介质板和金属底板，其中超材料结构表面由正方形金属贴片和围绕正方形金属贴片的四个完全相同的复合型金属结构组成，每个复合型金属结构由四个“T”字型结构组成，其中两两关于中间正方形贴片的一条对角线所在直线对称，本发明解决吸波材料单频点吸波、对极化敏感、相对厚度较厚等方面的不足。

Description

一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构
技术领域
本发明属于超材料吸波技术领域，具体涉及一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构。
背景技术
隐身技术和隐身材料对于国防建设具有重大的意义，而吸波材料就是其中一种有效的隐身手段。现阶段使用的吸波材料多为吸收剂类材料，如铁氧体吸波材料、纳米吸波材料等。其吸波效果主要取决于材料内部的化学成分。不同于这类材料，基于电磁超材料的吸波结构的性能主要取决于具体的超材料结构。
2008年Landy实验证实了超材料结构的吸波特性，该超材料吸波体在11.48GHz处吸收率达到99％，体现了超材料吸波体吸收率高，单元尺寸小，而且厚度不受传统吸波材料四分之一波长厚度限制的优点。近年来，国内外众多学者对超材料应用于吸波材料的设计做了很多研究。Saptarshi Ghosh设计一种基于开口谐振环形结构的宽带吸波结构；Hongmin Lee基于磁谐振结构设计了一种电磁吸波体；X.Shen设计了一种THz频段的三频超材料吸波体；W.Zhu设计了一种应用于光波频段的树叶形单元结构。F.Ding用多层堆积的方法展宽超材料吸波体的吸收带宽。这些超材料吸波结构在某一方面具有突出的性能，但在其他方面还有不足之处，例如多层结构复杂，剖面尺寸大，在单频点吸收，对对电磁波的极化方向很敏感等。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，目的在于解决吸波材料单频点吸波、对极化敏感、相对厚度较厚等方面的不足。
技术方案
一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，其特征在于包括超材料结构表面、介质板和金属底板；超材料结构表面位于介质板的一面，由正方形金属贴片和围绕正方形金属贴片的四个完全相同的复合型金属结构组成；四个复合型金属结构的中心分别位于中间正方形贴片的两条对角线所在直线上；每个复合型金属结构由四个“T”字型结构组成，第一长金属窄带和第一短金属窄带组成的“T”字型与第二长金属窄带和第二短金属窄带组成的“T”字型结构垂直放置，并将两个“T”字型结构的第一长金属窄带和第二长金属窄带连接在一起；另外两个T”字型结构与这两个“T”字型结构关于中间正方形贴片的一条对角线所在直线对称；金属底板位于介质板的另一面。
介质板采用FR-4材料，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
超材料结构表面及金属底板均为厚度17μm的铜，电导率5.8×107s/m。
当设计的两个吸波谐振频点为27.5GHz和29.7GHz时，具体结构尺寸为：中心正方形贴片的边长A的取值范围0.75mm～0.85mm；围绕中间正方形贴片的四个复合型结构相邻两个之间的距离W1的取值范围0.15mm～0.25mm；两个“T”字型结构的第一长金属窄带和第二长金属窄带的长度分别为L1和L2，宽度均为W3，L1和L2的尺寸相等，取值范围均为1.95mm～2.05mm，W3的取值范围0.15mm～0.25mm；第一短金属窄带和第二短金属窄带的长度均为L3，宽度均为W2，W2的取值范围0.15mm～0.25mm，L3的取值范围0.55mm～0.65mm；第一短金属窄带到中心正方形贴片的距离为S1，第二短金属窄带到第二长金属窄带外端的距离为S2，S1和S2的尺寸相等，取值范围均为0.75mm～0.85mm。
有益效果
本发明提出的一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，吸波结构采用单层金属结构，剖面低，便于加工制作；吸波结构具有两个吸波频点，可以工作于两个吸波频段，在两个谐振峰值处分别可以达到99％和98％以上的吸收率。更进一步，通过改变整体结构的相对大小，可以实现在其它频段良好的吸波效果；吸波结构具有极化稳定性，对不同极化方向的入射波，吸收率曲线基本没有变化。吸波结构介质层FR-4材料的厚度为0.5mm,具有低厚度、低成本的优点。
附图说明
图1是吸波结构的三维结构示意图。
图2是吸波结构的结构参数示意图，图2(a)是超材料结构表面结构示意图，图2(b)是俯视图及参数，图2(c)是侧视图及参数。
图3是吸波结构在平面波垂直入射时TE和TM极化波的吸收率和反射率曲线。
图4是吸波结构在平面波垂直入射，不同极化方向的吸收率曲线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1所示三维结构示意图，吸波结构由三部分组成：超材料结构表面1，介质板2和金属底板3，x,y,z表示三维坐标系。
图2(a)超材料结构表面1各个部分的结构，4代表中心的正方形贴片，1a,1b,1c和1d代表绕正方形4的四个复合型金属结构，2和3代表复合型金属结构1a的两个组成部分，分别包括“T”字型2a，2b，2c，2d和3a，3b，3c，3d。图2(b)吸波结构的俯视图中，P代表正方形金属底板的边长以及介质基板的边长，A代表中心正方形贴片4的边长，W1代表围绕中间正方形贴片的四个复合型结构1a、1b、1c和1d，相邻两个之间的距离，L1和L2分别代表两个“T”字型结构的两条长臂2a和2c的长度，W3代表两个“T”字型结构的两条长臂的宽度，L3代表两条短臂2b和2d的长度，W2代表两条短臂2b和2d的宽度，S1代表短臂2b到中心正方形贴片4的距离，S2代表短臂2d到长臂2c外端的距离。图2(c)吸波结构的侧视图中，h表示相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的介质基板FR-4的厚度。
另外，吸收率定义为A＝1-R-T＝1-|S11|2-|S21|2，式中R为反射率，T为透射率。反射率R定义为|S11|2，透射率T定义为|S21|2。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射波与透射波尽可能的小。本发明设计的吸波结构背面金属底板，电磁波不能透过，因此可定义吸收率为A＝1-|S11|2。所述的金属平面及金属底板均为厚度17μm的铜，电导率为5.8×107s/m。
图2给出了具体的尺寸参数，各个参数的数值如下表1所示。
表1.图2中所示的结构参数如下表(单位：mm)。
变量 数值 变量 数值
P 5.00 S2 0.80±0.05
A 0.80±0.05 W1 0.20±0.05
L1 2.00±0.05 W2 0.20±0.05
L2 2.00±0.05 W3 0.20±0.05
L3 0.60±0.05 h 0.50
S1 0.80±0.05
表中的字母代表图中的几何尺寸参数，在图2(a)中有标示。
P代表正方形金属底板的边长以及介质基板的边长，A代表中心正方形贴片4的边长，W1代表围绕中间正方形贴片的四个复合型结构1a、1b、1c和1d，相邻两个之间的距离，L1和L2分别代表两个“T”字型结构的两条长臂2a和2c的长度，W3代表两个“T”字型结构的两条长臂的宽度，L3代表两条短臂2b和2d的长度，W2代表两条短臂2b和2d的宽度，S1代表短臂2b到中心正方形贴片4的距离，S2代表短臂2d到长臂2c外端的距离，h表示相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的介质基板FR-4的厚度。
具体的实施方法为：超材料结构表面由位于结构中心位置处的正方形金属贴片和围绕正方形金属贴片的四个相同的复合型金属平面结构组成。四个复合型结构的中心位于中间正方形贴片的两条对角线所在直线上，其中每一个复合型结构由四个类似“T”字型结构组合而成。四个类似“T”型结构的尺寸相同，相对的两个分别有一端重合。
超材料结构表面由位于结构中心位置处的正方形金属贴片4和围绕正方形金属贴片的四个完全相同的复合型金属结构1a、1b、1c和1d组成。四个复合型金属结构1a、1b、1c和1d的中心分别位于中间正方形贴片4的两条对角线所在直线上。每一个复合型金属结构由复合型金属结构2(包括2a、2b、2c和2d四部分)和3(包括3a、3b、3c和3d四部分)组成，这两个复合型金属结构2和3关于中间正方形贴片4的一条对角线所在直线对称，即结构2和3完全相同，2a与3a相同，2b与3b相同，2c与3c相同，2d与3d相同。结构2由两个“T”字型结构垂直放置，分别是2a、2b组成的“T”字型和2c、2d组成的“T”字型结构，并将两个“T”字型结构的两条长臂2a和2c连接在一起。由此将2a、2b、2c和2d组成复合结构2。
本发明吸波结构选用厚度0.5mm的FR-4板材，整体尺寸P的范围在设计频点的0.4-0.6倍，上层金属结构的整体尺寸(A+2*L1)的范围在设计频点的0.35-0.45倍,中心正方形贴片4的边长A是设计频点波长的0.05-0.1倍，“T”型结构的短臂近似位于长臂的中间位置，其长度(L3)是长臂长度(L1)的0.2-0.4倍,宽度(W3)是长臂长度(L1)的0.05-0.15倍。本文设计的频率范围在25GHz-30GHz内，因此P的初始值可以选取为5.0mm。A的取值范围0.75mm～0.85mm。围绕中间正方形贴片的四个复合型结构1a、1b、1c和1d，相邻两个之间的距离为W1，W1的取值范围0.15mm～0.25mm。两个“T”字型结构的两条长臂2a和2c的长度分别为L1和L2，宽度均为W3,L1和L2的尺寸相等，取值范围均为1.95mm～2.05mm，W3的取值范围0.15mm～0.25mm；两条短臂2b和2d的长度均为L3，宽度均为W2，W2的取值范围0.15mm～0.25mm，L3的取值范围0.55mm～0.65mm。短臂2b到中心正方形贴片4的距离为S1，短臂2d到长臂2c外端的距离为S2，S1和S2的尺寸相等，取值范围均为0.75mm～0.85mm。
本发明吸波结构有两个吸收峰，对应两个谐振频点。在第一个低频吸收频点处，电场能量主要集中于结构四个对角区域的开口处；在第二个高频吸收频点处，电场能量主要集中于结构的中心区域。在这两个强电磁谐振区域，入射波的能量被吸波结构转换成热能而耗散掉，由此形成两个吸收峰。
吸波结构的介质基板采用FR-4材料(相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02)，金属平面及金属底板采用电导率5.8×107s/m，厚度17μm的铜，介质板的介质损耗和金属的欧姆损耗都是前面提到的电磁波能量被转换成热能的耗散机制，其中介质板的介质损耗是主要因素。
结构的中心对称性和沿对角线对称的特性，改善了结构对电磁波极化的敏感性。
用电磁仿真软件HFSS对吸波结构各个结构参数进行仿真优化，结果如图3和图4所示。图3为本实施方式的双频极化不敏感单层超材料吸波结构在TE和TM波垂直照射下吸收率和反射率随频率改变的变化曲线。可以看出，本发明的吸波结构可以在两个频点实现吸波效果，在两个吸波谐振频点(27.5GHz和29.7GHz)处分别可以达到超过99％和超过98％的吸收率。
图4为本实施方式的双频极化不敏感单层超材料吸波结构在平面波垂直照射情况下的吸收率随频率变化曲线。定义Φ为x轴与xy平面间的夹角，由于本发明设计的结构沿着中心和对角线都对称，因此只需考虑电场极化方向Φ在0°～45°之间变化的情况。Φ在0°、15°、30°和45°极化方向处频率变化的吸收率变化曲线如图4所示。可以看出，本发明的吸波结构的吸波特性在不同方向的极化波仍有很好的吸收特性，表现对极化不敏感。
本实施例提供的方案还可通过改变介质板的厚度和矩形金属环的尺寸比例以进一步的调节吸波超材料的吸收频点，使其满足特定频点的对吸波特性的需求。

Claims (4)

1.一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，其特征在于包括超材料结构表面(1)、介质板(2)和金属底板(3)；超材料结构表面(1)位于介质板(2)的一面，由正方形金属贴片(4)和围绕正方形金属贴片的四个完全相同的复合型金属结构(1a)、(1b)、(1c)、(1d)组成；四个复合型金属结构(1a)、(1b)、(1c)和(1d)的中心分别位于中间正方形贴片(4)的两条对角线所在直线上，四个复合型金属结构(1a)、(1b)、(1c)、(1d)相对正方形金属贴片完全对称布置；每个复合型金属结构由四个“T”字型结构组成，第一长金属窄带(2a)和第一短金属窄带(2b)组成的“T”字型与第二长金属窄带(2c)和第二短金属窄带(2d)组成的“T”字型结构垂直放置，并将两个“T”字型结构的第一长金属窄带(2a)和第二长金属窄带(2c)连接在一起；另外两个T”字型结构与这两个“T”字型结构关于中间正方形贴片(4)的一条对角线所在直线对称；金属底板(3)位于介质板(2)的另一面。
2.根据权利要求1所述的一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，其特征在于介质板(2)采用FR-4材料，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
3.根据权利要求1所述的一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，其特征在于超材料结构表面(1)及金属底板(3)均为厚度17μm的铜，电导率5.8×107s/m。
4.根据权利要求1所述的一种双频极化不敏感单层超材料吸波结构，其特征在于当设计的两个吸波谐振频点为27.5GHz和29.7GHz时，具体结构尺寸为：中心正方形贴片(4)的边长A的取值范围0.75mm～0.85mm；围绕中间正方形贴片的四个复合型结构相邻两个之间的距离W1的取值范围0.15mm～0.25mm；两个“T”字型结构的第一长金属窄带(2a)和第二长金属窄带(2c)的长度分别为L1和L2，宽度均为W3，L1和L2的尺寸相等，取值范围均为1.95mm～2.05mm，W3的取值范围0.15mm～0.25mm；第一短金属窄带(2b)和第二短金属窄带(2d)的长度均为L3，宽度均为W2，W2的取值范围0.15mm～0.25mm，L3的取值范围0.55mm～0.65mm；第一短金属窄带(2b)到中心正方形贴片(4)的距离为S1，第二短金属窄带(2d)到第二长金属窄带(2c)外端的距离为S2，S1和S2的尺寸相等，取值范围均为0.75mm～0.85mm。
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