CN108617155A - 一种空间色散的全角度吸波材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间色散的全角度吸波材料及其制备方法。包括吸波材料单元结构，吸波材料单元结构由非均匀材料通过切割曲线进行切割后拉伸得到，并且在切割去除的空间采用介电常数为1的材料填充，使得吸波材料单元结构沿正向传播方向的等效介电常数曲线符合空间Krammers‑Kronig曲线。本发明构造出的空间色散的全角度吸波材料，实现了全角度的无反射吸波，可应用于各种人工吸波领域。

Description

一种空间色散的全角度吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及人工电磁吸波领域的一种吸波材料，尤其是涉及了一种空间色散的全角度吸波材料及其制备方法。
背景技术
作为电磁学和光学的一个基本现象，材料吸收已经被广泛研究了数个世纪。然而无论是传统吸波材料还是新型人工电磁吸波材料，其优化设计的条件均是考虑垂直入射。因此在大角度斜入射条件下，上述两种吸波材料的吸波性能均会随着入射角度的变大急剧恶化。虽然PML理论上可以完美吸收任意角度入射的电磁波，但PML参数模型要求其在轴向方向上必须具有增益特性，因而全参数PML材料迄今尚未实现。对转换光学的研究表明，如果不涉及增益介质，这种全角度的无反射吸收是不容易实现的。但最近转换光学的设计技术已经取得了重大进展，为提供了一种寻找不均匀的，各向异性的材料(转换介质)的策略，无论条件场如何，它都不反射。2015年，英国科学家Horsley在Nature Photonics上发表理论文章，提出了一种符合空间Krammers-Kronig关系的无源空间色散的全角度吸波材料设计方法，这种材料可以在半平面内实现任意角度完美匹配吸波。基于这种无源空间色散的全角度吸波材料的设计方法，2017年浙江大学叶德信副教授在Nature Communications[Naturecom.,8,51,2017]提出了一种通过构造符合空间域-频域Krammers-Kronig关系的非均匀人工电磁材料来实现全角度完美匹配吸波材料的方法，并在千兆赫兹频率范围内实验观察全角度的无反射吸收，与理论分析和全波模拟很好地吻合。
到目前为止，全角度吸波材料的研究仍存在吸波角度、吸波频带范围较窄等问题，尚未有通过切割非均匀材料来获得满足空间K-K分布的材料从而实现全角度吸波的相关研究。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种空间色散的全角度吸波材料及其制备方法，可实现全角度无反射的吸波。
本发明研究成果对突破传统吸波材料存在的大角度入射时吸波效率差、吸波频带较窄的瓶颈具有极其重要意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括吸波材料单元结构，吸波材料单元结构由非均匀材料通过切割曲线进行切割后拉伸得到，并且在切割去除的空间采用介电常数为1的材料填充，使得吸波材料单元结构沿正向传播方向的等效介电常数曲线符合空间Krammers-Kronig曲线，即使得吸波材料单元结构的介电常数满足空间K-K分布。
所述的正向传播方向为一预先确定的方向，为电磁波传播而来的大致方向。
所述的吸波材料单元结构为二维结构拉伸后形成的三维结构。
所述的切割曲线的横纵坐标为沿正向传播方向的位置和切割后非均匀材料在每处位置所保留的尺寸比例。
所述的非均匀材料的介电常数是非均匀分布的，且介电常数始终大于2。因为只有这样才能利用非均匀材料制备获得全角度吸波材料。
优选地，非均匀材料在沿任一正向传播方向的各处介电常数不同，在沿任一垂直于正向传播方向的各处介电常数相同。
优选地，非均匀材料在沿任一正向传播方向的各处介电常数不同，在沿任一垂直于正向传播方向的各处介电常数相同。
优选地，所述的切割曲线为，
其中，x表示非均匀材料沿正向传播方向的尺寸，f(x)表示非均匀材料沿垂直于正向传播方向的所保留尺寸占原尺寸的比例，λ为波长。
优选地，切割前非均匀材料的介电常数ε1的表达式为：
其中，ε(x)表示空间Krammers-Kronig曲线。
所述的全角度吸波材料包括多个吸波材料单元结构，多个吸波材料单元结构在垂直于正向传播方向的平面上沿平面的两个相互垂直方向周期紧密均匀阵列。
本发明的全角度吸波材料和吸波材料单元结构的介电常数满足空间K-K分布，这样才能在不需要吸波增益介质的条件下实现无反射的吸波。
所述的全角度吸波材料能满足电磁波在任意角度入射时均实现无反射的吸波。
本发明所述吸波材料满足其介电常数符合空间Krammers-Kronig关系(K-K关系)分布，能实现全角度无反射的吸波。
本发明中，吸波材料单元结构如图1所示的拉伸体结构，按照特定切割曲线对非均匀材料进行切割，来满足等效介电常数符合K-K关系的要求。最左端完全切割，代表此时全部为空气，无非均匀材料掺杂，介电常数为1；最右端无切割，代表此时非均匀材料完全掺杂。因此，阴影部分即为切割后剩下的非均匀材料。
因为除空气外，自然界物质的介电常数基本都是大于2的，而空间K-K关系是从1开始变化的，所以可以通过切割的方式得到满足空间K-K关系的吸波材料。本发明的切割等效为非均匀材料与空气进行掺杂，一个介电常数始终大于2的非均匀材料与一个介电常数始终为1的“材料”掺杂，一定可以通过控制非均匀材料的掺杂比例来使等效介电常数从1开始变化，进而满足空间K-K分布。此外，因为波是从空气中入射到吸波材料中的，所以构造的吸波材料的介电常数要从1开始变化，这样才能够实现与空气匹配。
所述的切割曲线要保证切割前的非均匀材料的介电常数要始终大于2，因为只有这样才能由其他实际材料混合得到该非均匀材料。
具体的实施方案是：由非均匀材料通过切割曲线切割后拉伸扩展形成柱状体，切割曲线位于非均匀材料沿正向传播方向的两侧，然后在切割去除的空间采用空气填充，看作非均匀材料与空气进行混合掺杂形成的混合材料，使得吸波材料单元结构沿正向传播方向的等效介电常数曲线符合空间K-K曲线，即使得吸波材料单元结构的介电常数满足空间K-K分布。在MATLAB中仿真吸波材料单元结构沿正向传播方向的介电常数曲线，观察是否全部大于2，若满足则该切割曲线可用，反之则不可用。
本发明的有益效果是：
本发明利用非均匀材料按照一定的曲线切割后得到一个满足空间K-K分布的空间色散的全角度吸波材料，具有任意入射角下宽带无反射吸波的特性。
附图说明
图1为本发明构造的可实现吸波材料单元结构图。
图2为本发明构造的切割曲线图。
图3为本发明构造的非均匀材料的介电常数曲线图。
图4为本发明构造的空间色散的全角度吸波材料的等效介电常数图。
图5为本发明构造的空间色散的全角度吸波材料的COMSOL仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明实施例如下：
本实施例构建的坐标系是以空间色散的全角度吸波材料所在平面的水平方向为x方向，竖直方向为y方向，x方向作为正向传播方向，y方向垂直于正向传播方向。
本发明构造的宽带可实现吸波材料单元结构如图1所示。假设在切割前吸波材料单元结构，沿x方向的长为4λ，沿y方向以及同时垂直于x方向和y方向的方向的长为0.2λ(λ为波长，实施例λ＝0.01m)，切割后吸波材料单元结构的截面为图1的阴影部分所示区域。
多个吸波材料单元结构在垂直于正向传播方向的平面上沿平面的两个相互垂直方向周期紧密均匀阵列。
切割前非均匀材料每一处的介电常数大于2，本实施例采用以如图2所示的指数函数，具体公式为：
其中，x表示非均匀材料沿正向传播方向的位置，从非均匀材料左端开始；f(x)表示非均匀材料沿垂直于正向传播方向的所保留尺寸占原尺寸的比例。
当x＝0是，f(0)＝0，此时所保留尺寸为零，无非均匀材料保留，全为空气，等效介电常数为1。当x＝4λ时，f(4λ)＝1，此时所保留尺寸为全部，非均匀材料全部保留。
实施例的空间K-K分布曲线ε(x)的近似公式：
其中，i表示虚部，ξ为比例系数，其值为0.1λ。
形成的吸波材料单元结构的等效介电常数εeff(x)的计算公式：
其中，ε0为空气的介电常数，ε1为切割前非均匀材料的介电常数。
因为切割后吸波材料的等效介电常数要满足空间K-K关系，所以εeff(x)则为空间K-K分布曲线ε(x)。
根据公式(1)(2)(3)联立得到切割前非均匀材料的介电常数ε1的表达式：
通过在MATLAB软件中对公式(4)进行拟合得到如图3所示的拟合曲线，可以看出拟合曲线的值均在2以上，能够满足在切割前非均匀材料的介电常数全部大于2的要求。图4所示的曲线为吸波材料的等效介电常数，由图可以看出其满足空间K-K分布，可以实现全角度无反射的吸波。
最后本实施例在COMSOL中对所构造的空间色散的全角度吸波材料进行了全波仿真，仿真结构及结果如图5所示，图5中左侧的实心点表示点源，中间密集阵列曲线为本发明的吸波材料。为了使仿真效果更加明显，在吸波材料的左右两侧方的空间添加了宽度分别为2λ、λ的空气层，空气层和吸波材料所填充的空气为一体，同时在外围添加一圈宽度为λ的PML层。在左侧空气层中心位置放置了一个点源，将仿真频率设置为30GHz后仿真，发现得到了一定的吸波效果，但是还是有微弱的波透过吸波层传播；将仿真频率设置为60GHz后仿真，发现吸波效果得到了明显改善，肉眼已看不到有波透过吸波层。实施例结果为：
①点源发出的电磁波很好的进入到了吸波材料中，说明吸波材料与空气是匹配的；
②吸波材料的右侧空气层没有波的传播，说明所构造的吸波材料有很好的吸波效果；
③吸波材料的左侧空气层没有出现驻波，说明波被吸波材料吸收时没有发生反射。
综上，本发明构造的空间色散的全角度吸波材料很好的实现了全角度无反射的吸波。

Claims (8)

1.一种空间色散的全角度吸波材料的制备方法，其特征在于：包括吸波材料单元结构，吸波材料单元结构由非均匀材料通过切割曲线进行切割后拉伸得到，并且在切割去除的空间采用介电常数为1的材料填充，使得吸波材料单元结构沿正向传播方向的等效介电常数曲线符合空间Krammers-Kronig曲线。
2.根据权利要求1所述的一种空间色散的全角度吸波材料的制备方法，其特征在于：所述的吸波材料单元结构为二维结构拉伸后形成的三维结构。
3.根据权利要求1所述的一种空间色散的全角度吸波材料的制备方法，其特征在于：所述的切割曲线的横纵坐标为沿正向传播方向的位置和切割后非均匀材料在每处位置所保留的尺寸比例。
4.根据权利要求1所述的一种空间色散的全角度吸波材料的制备方法，其特征在于：所述的非均匀材料的介电常数是非均匀分布的，且介电常数始终大于2。
5.根据权利要求1所述的一种空间色散的全角度吸波材料的制备方法，其特征在于：所述的切割曲线为，
其中，x表示非均匀材料沿正向传播方向的尺寸，f(x)表示非均匀材料沿垂直于正向传播方向的所保留尺寸占原尺寸的比例，λ为波长；
切割前非均匀材料的介电常数ε1的表达式为：
其中，ε(x)表示空间Krammers-Kronig曲线。
6.根据权利要求1所述的一种空间色散的全角度吸波材料的制备方法，其特征在于：所述的全角度吸波材料包括多个吸波材料单元结构，多个吸波材料单元结构在垂直于正向传播方向的平面上周期紧密均匀阵列。
7.一种空间色散的全角度吸波材料，其特征在于：所述的全角度吸波材料采用权利要求1-5任一所述制备方法制备而成。
8.根据权利要求7所述的一种空间色散的全角度吸波材料，其特征在于：所述的全角度吸波材料能满足电磁波在任意角度入射时均实现无反射的吸波。
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