CN108336504B - 一种红外透过的微波宽带超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
一种红外透过的微波宽带超材料吸波器，包括了多个周期性排列的结构单元，所述结构单元包括上层金属谐振层、第一层介质基板、中层金属谐振层、第二层介质基板和下层金属网栅层；所述上层金属谐振层镀在所述第一层介质基板的上表面，所述中层金属谐振层镀在所述第一层介质基板的下表面，所述下层金属网栅层镀在所述第二层介质基板的下表面；所述第一层介质基板与第二层介质基板连接。本发明可在5—20GHz常用微波雷达波段实现对入射电磁波的吸收屏蔽作用，吸收率达到了80％以上，且红外波段电磁波可透过，在电磁屏蔽光学窗上具有很高的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及雷达隐身和新型人工电磁材料技术领域，具体是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器。
背景技术
传统的超材料吸波器对入射电磁波吸收强度低，且吸收带宽窄，在实际应用无法满足需要。
在现代雷达和混合无线通讯系统中，电磁屏蔽光学窗也常常引入超材料吸波器设计来满足多光谱应用的需要：即在吸收低频入射电磁波的同时，实现整体结构对红外至可见光波段的高透射目标。然而，大多数超材料吸波器都采用金属平板作为底层反射结构，导致所有频段的入射电磁波都无法透过，极大限制了其在电磁屏蔽光学窗的应用。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，增强吸波器的吸收带宽，实现红外透过性能，本发明提供一种红外透过的微波宽带超材料吸波器。
本发明的技术解决方案如下：
一种红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，包括了多个周期性排列的结构单元，所述结构单元包括上层金属谐振层、第一层介质基板、中层金属谐振层、第二层介质基板和下层金属网栅层；
所述上层金属谐振层镀在所述第一层介质基板的上表面，所述中层金属谐振层镀在所述第一层介质基板的下表面，所述下层金属网栅层镀在所述第二层介质基板的下表面；
所述第一层介质基板与第二层介质基板连接；
所述第一层介质基板和第二层介质基板的表面均为正方形，所述上层金属谐振层和中层金属谐振层均由金属开口圆环组成，且圆环与正方形同心；
所述下层金属网栅层由多个周期性金属网栅组成，且全覆盖所述第二层介质基板的下表面。
所述上层金属谐振层、中层金属谐振层与下层金属网栅层材质均为氮化钽金属薄膜、铜、铝、金等金属或类金属导电材料。
所述上层金属谐振层、中层金属谐振层与下层金属网栅层通过光刻或PCB刻蚀法镀在介质基板表面。
所述第一层介质基板与第二层介质基板的材质均为FR4介质板、红外玻璃、硫化锌、石英玻璃、改性环氧树脂中的一种或者几种。
所述第一层介质基板与第二层介质基板之间使用透明胶粘剂热压成型。
所述金属开口圆环为1个开口圆环或多个同心开口圆环，且各同心开口圆环的开口位置交错。
所述的金属网栅的周期远远大于红外波长，且远远小于所响应微波波长。
相比现有技术本发明的有益效果：
1)结构简单，加工工艺成熟，加工方便；
2)本发明中的单层镀金属或类金属导电材料薄膜工序相对简单，可通过光刻或PCB刻蚀镀于介质基板表面；
3)本发明在5—20GHz波段实现了宽波段高效吸收，吸收率达到了80％以上；与传统的吸波器相比；
4)本发明底层反射层并未采用金属板，而且采用周期远远小于红外波长的金属网栅，使得红外波几乎不受影响可透过。
5)本发明可通过对结构单元各项参数进行合理设计，可实现在不同电磁波段的宽波段强吸收屏蔽作用。
附图说明
图1是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器的单个结构单元三维图。
图2是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器的单个结构单元侧视图。
图3是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器的单个结构单元上层金属谐振层示意图。
图4是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器的单个结构单元中层金属谐振层示意图。
图5是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器的单个结构单元底层金属网栅结构示意图。
图6是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器正入射吸收率仿真结果。
图7是一种红外透过的微波宽带超材料吸波器表面的正面示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：一种红外透过的微波宽带超材料吸波器，包括多个周期性排列的结构单元，如图7所示。所述结构单元包括位上层金属谐振层1、第一层介质基板2、中层金属谐振层3、第二层介质基板4以及下层金属网栅层5，所述上层金属谐振层1镀在第一层介质基板2的上表面，所述中层金属谐振层3镀在第一层介质基板2的下表面，所述下层金属网栅层5镀在第二层介质基板4的下表面，如图2所示；所述上层金属谐振层1及中层金属谐振层3均为金属开口圆环，本实例中的上层金属谐振层1为两个半径不同的同心金属开口圆环，如图3所示；本实例中的中层金属谐振层3为两个半径不同的同心金属开口圆环，如图4所示；所述上层金属谐振层1、中层金属谐振层3与下层金属网栅层5所用材料均为氮化钽金属薄膜。第一层介质基板2与第二层介质基板4的材质均为FR4介质基板。所述上层金属谐振层1是镀在第一层介质基板2的上表面，所述中层金属谐振层3是镀在第一层介质基板2的下表面，所述底层金属网栅层5是镀在第二层介质基板4的下表面；所述第一层介质基板2与第二层介质基板4通过透明胶粘剂热压成型。
一种红外透过的宽带微波超材料吸波器是基于超材料电磁谐振吸收的原理，利用所设计结构实现多处谐振，使得多处谐振峰相叠加实现宽波段电磁波吸收功能。上层金属谐振层1与中层金属谐振3均为同心金属开口圆环，属于多谐振结构单元。通过合理设计与调整上层金属谐振层1、中层金属谐振层3的圆环半径、开口大小、旋转角度、第一层介质基板2与第二层介质基板4的厚度以及上层金属谐振层1、中层金属谐振层3、底层金属网栅层5所用金属或类金属导电材料的电导率，使得在响应电磁波段相邻近的频点上产生谐振，从而实现多谐振达到拓宽吸收带宽的目的。
如图2所示，所述结构单元，令结构单元的边长为a，第一层介质基板2厚度为h1，第二层介质基板厚度为h2。如图3所示，令上层金属谐振层所用金属或类金属导电材料的线宽为d1，两个金属开口圆环的内环为r1，外环半径为r2，开口宽度为w1，金属开口圆环开口连线的角度为A1，两个金属开口圆环的内环相对于外环的旋转角度为B。如图4所示，令中层金属谐振层所用金属或类金属导电材料的线宽为d2，两个金属开口圆环的内环为r3，外环半径为r4，开口宽度为w2，金属开口圆环开口连线的角度为A2，两个金属开口圆环的内环相对于外环的旋转角度为C。如图5所示，令下层金属网栅单个正方形网栅边长为p，所用金属或类金属导电材料的线宽为d3。本实例中的各项参数具体设置如下：a＝10mm，h1＝1.5mm，h2＝1.2mm，d1＝0.1mm，r1＝3.7mm，r2＝3.1mm，w1＝0.2mm，A1＝60°，B＝45°，d2＝0.1mm，r3＝4mm，r4＝3.3mm，w2＝0.2mm，A2＝60°,C＝90°，p＝1mm，d3＝0.1mm。如图6所示，结果显示在5—20GHz处实现了高效宽带吸收，正入射电磁波吸收率达到了80％以上。
以上描述和解释了本发明的主要特征、基本原理和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受所述实例的限制，实例一和说明书中描述的只是说明本发明的原理，可通过对本发明的尺寸进行等比例放大或缩小，可实现在不同波段电磁波的宽带吸收。在不脱离本发明设计思想和范围前提下，本发明还会有各种变化以及改进，例如技术人员可对上述参数进行修改来适应不同工作波段，或修改相关参数以使其结构、性能与本实例有所不同，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。
Claims (6)
1.一种红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，包括了多个周期性排列的结构单元，所述结构单元包括上层金属谐振层、第一层介质基板、中层金属谐振层、第二层介质基板和下层金属网栅层；
所述上层金属谐振层镀在所述第一层介质基板的上表面，所述中层金属谐振层镀在所述第一层介质基板的下表面，所述下层金属网栅层镀在所述第二层介质基板的下表面；
所述第一层介质基板与第二层介质基板连接；
所述第一层介质基板和第二层介质基板的表面均为正方形，所述上层金属谐振层和中层金属谐振层均由金属开口圆环组成，且圆环与正方形同心；所述金属开口圆环为4个同心开口圆环，且各同心开口圆环的开口位置交错；
所述的上层金属谐振层的两个金属开口圆环的内环半径为r1，外环半径为r2，金属开口圆环开口连线的角度为A1，两个金属开口圆环的内环相对于外环的旋转角度为B，所述的中层金属谐振层的两个金属开口圆环的内环为r3，外环半径为r4，金属开口圆环开口连线的角度为A2，两个金属开口圆环的内环相对于外环的旋转角度为C，且r4>r2，r3>r1，A1＝A2，B<C。
所述下层金属网栅层由多个周期性金属网栅组成，且全覆盖所述第二层介质基板的下表面。
2.根据权利要求1所述的红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层金属谐振层、中层金属谐振层与下层金属网栅层材质均为氮化钽金属薄膜、铜、铝、金或类金属导电材料中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层金属谐振层、中层金属谐振层与下层金属网栅层通过光刻或PCB刻蚀法镀在介质基板表面。
4.根据权利要求1或2所述的红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，所述第一层介质基板与第二层介质基板的材质均为FR4介质板、红外玻璃、硫化锌、石英玻璃、改性环氧树脂中的一种或者几种。
5.根据权利要求1或2所述的一种红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，所述第一层介质基板与第二层介质基板之间使用透明胶粘剂热压成型。
6.根据权利要求1或2所述的一种红外透过的微波宽带超材料吸波器，其特征在于，所述的金属网栅的周期远远大于红外波长，且远远小于所响应微波波长。
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