CN108539430B - 具有单通带和双侧吸收频带的超材料 - Google Patents

具有单通带和双侧吸收频带的超材料 Download PDF

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Abstract

本发明具有单通带和双侧吸收频带的超材料，属于新型人工电磁材料和天线罩技术领域，包含若干个单元结构，单元结构呈阵列排列且位于同一平面，单元结构向x、y方向进行周期延拓，单元结构包括：位于底层的金属滤波层，位于中间层的正方形介质层，位于表层的金属耦合层，金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和若干个金属开口圆环，金属滤波层由一个金属圆盘组成，金属滤波层的圆盘和金属耦合层中的圆盘、金属开口圆环都是同圆心的，并且此圆心和正方形介质层的中心点是重合的。本发明中的带通频段的两侧有多个吸收频段，当采用不同的结构参数时，本发明的带通频段和吸收频段的频率可以被调节。

Description

具有单通带和双侧吸收频带的超材料
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料和天线罩技术领域，具体涉及一种具有单通带和双侧吸收频带的超材料。
背景技术
超材料是一种人工的具有周期性结构的材料，超材料能表现出自然界中已有的材料所不具备的性质。超材料从诞生之日起就引起了广泛的关注，到目前为止，人们已经利用超材料制作成了超级棱镜、隐身衣等。随着人们对超材料的深入研究，超材料的应用领域变得越来越广泛。
2015年美国应用物理快报(Applied Physics Letters，106卷，文献号181103，2015年)上刊出了由三层金属结构和三层介质组成的超材料结构，该结构可以同时具有对电磁波的吸收和带通功能，但是该结构对入射电磁波的极化方向有特定要求。因此对入射电磁波的极化状态不敏感的，同时具有对电磁波的吸收和带通功能的超材料具有特别重要的意义。
在天线的应用中，为了达到隐身的目的，必须减小天线的雷达散射截面(RadarCrossSection)，而天线罩在此领域正发挥越来越重要的作用。目前的实际需要对天线罩的设计提出了更高的要求，天线罩对天线的作用除了物理保护以外，还要有电磁保护，即在天线的工作频段内天线罩是透明的，而阻止工作频段两侧的电磁波信号通过。天线罩阻止电磁波通过的方式主要有反射和吸收两种方式，吸收方式可实现天线的隐身。天线罩吸收天线工作频段两侧电磁波信号的能力越强，天线的雷达散射截面就越小，其隐身性能就越好。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有单通带和双侧吸收频带的超材料，该超材料在现代通信系统中可以被用作带通滤波器，而在雷达系统中可以被用来制作成天线罩，对天线进行电磁保护。
本发明具有单通带和双侧吸收频带的超材料，包含若干个单元结构，单元结构呈阵列排列且位于同一平面，单元结构向x、y方向进行周期延拓，单元结构包括：
位于底层的金属滤波层，厚度为：t金属2；
位于中间层的正方形介质层，厚度为t介质；
位于表层的金属耦合层，厚度为t金属1；
所述金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和若干个金属开口圆环，金属滤波层由一个金属圆盘组成，金属滤波层的圆盘和金属耦合层的圆盘、金属开口圆环都是同圆心的，并且此圆心和正方形介质层的中心点是重合的。
微波波段的电磁波信号入射到该超材料结构时，该超材料结构在若干个频段内的阻抗近似等于真空中的阻抗，因此电磁波的反射很低，绝大部分电磁能量进入了该超材料结构。在金属耦合层和金属滤波层之间存在磁谐振、电谐振以及它们的混合谐振模式，进入超材料结构内部的上述若干个频段内的电磁能量在磁谐振、电谐振及其它们的混合谐振模式作用下被转化成热能，从而被损耗掉。但是进入该超材料结构的电磁波能量并不是全部被损耗掉，因为底层的金属滤波层提供了可以透过该超材料结构的一个频段，当底层金属滤波层的带通频段和进入该超材料结构的某个电磁波频段比较接近时，该整体结构就具有了一个带通频段。很显然，除了该带通频段可以透过本发明中的超材料结构外，其它的几个进入该超材料结构的电磁波频段都会被吸收掉。因此本发明中的超材料可以被用作具有吸波功能的带通滤波器，相比于常规的不具备电磁波吸收功能的带通滤波器，它的信噪比会比较高；很显然该超材料还可以被用来制作成天线罩，对天线进行电磁保护。
金属耦合层中设有4个金属开口圆环，每个金属开口圆环设有4个开口，开口宽度相同，所有金属开口圆环的开口组成一个十字的形状，使本发明具有四度旋转对称性。
金属耦合层中的最外部开口圆环的外直径小于正方形介质层的边长。
金属耦合层中的金属圆盘的半径小于所有金属开口圆环的内外半径。金属滤波层中的金属圆盘的直径大于金属耦合层中的最外圈金属开口圆环的外直径，并且小于正方形介质层的边长。
正方形介质层的厚度为0.8～1.2mm；金属耦合层的厚度t金属1为17～35μm，金属滤波层的厚度t金属2为17～35μm；正方形介质层的边长P为20～25mm；金属滤波层的金属圆盘半径R为9.85～12.3mm。
本发明所述的具有单通带和双侧吸收频带的超材料在现代通信系统中可以被用作带通滤波器。根据通信系统中带通滤波器的实际需求，设计相应的工作频段作为滤波器的带通频段，工作频段两侧的带外信号被很好地抑制，通信系统中的杂散信号对工作频段的影响被降低，提高了通信系统的稳定性。
本发明所述的具有单通带和双侧吸收频带的超材料在雷达系统中可以被用作天线罩，对天线进行电磁保护。
本发明的有益效果为：本发明结构的带通频段的两侧有多个吸收频段。当采用不同的结构参数时，本发明的带通频段和吸收频段的频率可以被调节。当本发明被用作带通滤波器时，由于带外信号主要通过吸收的方式进行衰减，带外信号对带通频段的影响比较小，因此本发明的信噪比很高，提高了信号传输的可靠性。当本发明被用作天线罩时，由于本发明具有吸收功能，有利于减少天线的雷达散射截面，提高其隐身能力。并且本发明具有四度旋转对称性，因此其对入射电磁波的极化状态不敏感。
附图说明
图1为本发明中的一个单元结构的结构示意图。
图2为本发明中的一个单元结构的表层示意图；
表层的金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和金属开口圆环，由金属铜制作而成，中间介质层是FR-4介质，图中：
r1＝0.8～1.3mm，r2＝1.5～2.4mm，r3＝2.5～3.5mm，r4＝3.4～4.5mm，r5＝4.4～5.5mm，r6＝5.3～6.4mm，r7＝6.3～7.3mm，r8＝7.1～8.2mm，r9＝8～9.1mm，g为圆环的开口，g＝0.4～0.6mm。P为一个单元结构的边长，P＝20～25mm。
图3为本发明中的一个单元结构的底层示意图；
底层金属滤波层由一个金属圆盘组成，由金属铜制作而成，并且金属滤波层的金属圆盘和金属耦合层中的金属圆盘、金属开口圆环都是同圆心的。图中：R为底层金属滤波层金属圆盘的半径，R＝9.85～12.3mm，P为一个单元结构的边长，P＝20～25mm。
图4为极化方向平行于x轴的电磁波垂直入射时，实施例1的透射率、反射率和吸收率频谱图。通带的两侧都有吸收频段，同时通带两侧的反射在一定程度上被较好地抑制。
图5为实施例1的透射率、反射率和吸收率在入射电磁波的极化方向分别平行于x轴和y轴时的频谱图。本发明的透射率、反射率和吸收率在入射电磁波的极化方向分别平行于x轴和y轴时的曲线基本上是分别重合的，表现出了对入射电磁波的极化状态不敏感的特性。
图6为极化方向平行于x轴的电磁波垂直入射时，实施例2的透射率、反射率和吸收率频谱图。通带的两侧都有吸收频段，同时通带两侧的反射在一定程度上被较好地抑制。
图7为极化方向平行于x轴的电磁波垂直入射时，实施例3的透射率、反射率和吸收率频谱图。通带的两侧都有吸收频段，同时通带两侧的反射在一定程度上被较好地抑制。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明具有单通带和双侧吸收频带的超材料，包含若干个单元结构，单元结构呈阵列排列且位于同一平面，单元结构向x、y方向进行周期延拓，单元结构包括：
位于底层的金属滤波层，厚度t金属2；
位于中间层的正方形介质层，厚度t介质，正方形介质层的边长P；
位于表层的金属耦合层，厚度t金属1；
金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和若干个金属开口圆环，金属滤波层由一个金属圆盘组成，金属滤波层的圆盘和金属耦合层的圆盘、金属开口圆环都是同圆心的，并且此圆心和正方形介质层的中心点是重合的。实施例1的结构参数如下：
t金属1为17μm，t金属2为17μm，t介质为1mm，P为22mm，金属滤波层的金属圆盘半径R为
10.85mm；r1＝1mm，r2＝1.8mm，r3＝2.8mm，r4＝3.9mm，r5＝4.8mm，r6＝5.7mm，r7＝6.6mm，r8＝7.5mm，r9＝8.4mm，g＝0.5。
如图4所示，通带的中心频率为10.95GHz，最大透射率为67.9％。主要的吸收峰有四个，两个位于通带的左侧，另外两个位于通带的右侧，四个吸收峰的峰值中心频率和对应的吸收率如下表所示：
吸收峰频率 6.66GHz 8.69GHz 11.89GHz 12.97GHz
最大吸收率 95.9％ 93.2％ 88.3％ 77％
如图5所示，当入射电磁波的极化方向分别平行于x轴和y轴时，实施例1的透射率、反射率和吸收率曲线基本上是分别重合的，表现出了对入射电磁波的极化状态不敏感的特性。
实施例2
如图1所示，本发明具有单通带和双侧吸收频带的超材料，包含若干个单元结构，单元结构呈阵列排列且位于同一平面，单元结构向x、y方向进行周期延拓，单元结构包括：
位于底层的金属滤波层，厚度t金属2；
位于中间层的正方形介质层，厚度t介质，正方形介质层的边长P；
位于表层的金属耦合层，厚度t金属1；
金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和若干个金属开口圆环，金属滤波层由一个金属圆盘组成，金属滤波层的圆盘和金属耦合层的圆盘、金属开口圆环都是同圆心的，并且此圆心和正方形介质层的中心点是重合的。实施例2的结构参数如下：
t金属1为30μm，t金属2为30μm，t介质为1.2mm，P为25mm，金属滤波层的金属圆盘半径R为
12.3mm；r1＝1.3mm，r2＝2.4mm，r3＝3.5mm，r4＝4.5mm，r5＝5.5mm，r6＝6.4mm，r7＝7.3mm，r8＝8.2mm，r9＝9.1mm，g＝0.6。
如图6所示，通带的中心频率为9.6GHz，最大透射率为70％。主要的吸收峰有四个，两个位于通带的左侧，另外两个位于通带的右侧，四个吸收峰的峰值中心频率和对应的吸收率如下表所示：
吸收峰频率 6.22GHz 7.98GHz 10.58GHz 11.76GHz
最大吸收率 93.5％ 92.2％ 89.5％ 66.1％
实施例3
如图1所示，本发明具有单通带和双侧吸收频带的超材料，包含若干个单元结构，单元结构呈阵列排列且位于同一平面，单元结构向x、y方向进行周期延拓，单元结构包括：
位于底层的金属滤波层，厚度t金属2；
位于中间层的正方形介质层，厚度t介质，正方形介质层的边长P；
位于表层的金属耦合层，厚度t金属1；
金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和若干个金属开口圆环，金属滤波层由一个金属圆盘组成，金属滤波层的圆盘和金属耦合层的圆盘、金属开口圆环都是同圆心的，并且此圆心和正方形介质层的中心点是重合的。实施例3的结构参数如下：
t金属1为35μm，t金属2为35μm，t介质为0.8mm，P为20mm，金属滤波层的金属圆盘半径R为
9.85mm；r1＝0.8mm，r2＝1.5mm，r3＝2.5mm，r4＝3.4mm，r5＝4.4mm，r6＝5.3mm，r7＝6.3mm，r8＝7.1mm，r9＝8mm，g＝0.4。
如图7所示，通带的中心频率为12.21GHz，最大透射率为64.6％。主要的吸收峰有四个，两个位于通带的左侧，另外两个位于通带的右侧，四个吸收峰的峰值中心频率和对应的吸收率如下表所示：
吸收峰频率 7.04GHz 9.15GHz 13.44GHz 13.82GHz
最大吸收率 97.9％ 91.9％ 86.7％ 77.2％

Claims (5)

1.一种具有单通带和双侧吸收频带的超材料，包含若干个单元结构，其特征在于，单元结构呈阵列排列且位于同一平面，单元结构向x、y方向进行周期延拓，单元结构包括：
位于底层的金属滤波层，厚度为：t金属2；
位于中间层的正方形介质层，厚度为t介质；
位于表层的金属耦合层，厚度为t金属1；
所述金属耦合层包括同圆心的金属圆盘和若干个金属开口圆环，金属滤波层由一个金属圆盘组成，金属滤波层的圆盘和金属耦合层的圆盘、金属开口圆环都是同圆心的，并且此圆心和正方形介质层的中心点是重合的；
金属耦合层中设有4个金属开口圆环，每个金属开口圆环设有4个开口，开口宽度相同，所有金属开口圆环的开口组成一个十字的形状；
正方形介质层的厚度为0.8～1.2mm；金属耦合层的厚度t金属1为17～35μm，金属滤波层的厚度t金属2为17～35μm；正方形介质层的边长P为20～25mm；金属滤波层的金属圆盘半径R为9.85～12.3mm；
金属耦合层的圆盘半径和开口圆环的内外半径的取值范围是r1＝0.8～1.3mm，r2＝1.5～2.4mm，r3＝2.5～3.5mm，r4＝3.4～4.5mm，r5＝4.4～5.5mm，r6＝5.3～6.4mm，r7＝6.3～7.3mm，r8＝7.1～8.2mm，r9＝8～9.1mm，r1＜r2＜r3＜r4＜r5＜r6＜r7＜r8＜r8，圆环开口的大小g＝0.4～0.6mm。
2.根据权利要求1所述的具有单通带和双侧吸收频带的超材料，其特征在于，金属耦合层中的最外部开口圆环的外直径小于正方形介质层的边长。
3.根据权利要求1所述的具有单通带和双侧吸收频带的超材料，其特征在于，金属耦合层中的金属圆盘的半径小于所有金属开口圆环的半径。
4.根据权利要求1所述的具有单通带和双侧吸收频带的超材料，其特征在于，金属滤波层中的金属圆盘的直径大于金属耦合层中的最外圈金属开口圆环的外直径，并且小于正方形介质层的边长。
5.根据权利要求1-4任一所述的具有单通带和双侧吸收频带的超材料，其特征在于，超材料应用于雷达系统中的天线罩。
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