CN108631065A - 一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体，每个吸波单元包括有上、下两层介质基板，在所述的上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，在所述的上层介质基板下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元包括有若干依次串联的短偶极子金属贴片和若干依次串联的长偶极子金属贴片，若干依次串联的短偶极子金属贴片通过金属线和金属电极一相连接，若干依次串联的长偶极子金属贴片通过金属线和金属电极二相连接。本发明具有双吸收频率，可以通过在不同电极上加电，将任一吸收峰频率变化局限在很小范围内，而对另一吸收峰频率实现较大范围调节；本发明在垂直入射波下，对任一谐振点进行调节时，仍能保持93%以上的吸收率。

Description

一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种具有双吸收峰且可对其中任一吸收峰频率进行调节，同时对入射波仍能保持高吸收率的超材料吸波体。
背景技术
超材料是一种人为构造的新型结构材料，具有天然材料所不具备的超常电磁特性，为操控电磁波提供了一种新的途径。超材料吸波体作为超材料的一个重要应用领域，得到了世界各国研究者的广泛关注。传统的超材料吸波体的吸收频率一般为固定值，加工完成后难以更改。近年来，研究人员在频率可调超材料吸波体方向进行了大量研究，利用石墨烯，二氧化钒等材料实现了吸收频率的调节，此外，液晶等具有双折射效应的材料也被应用于频率可调超材料吸波体的设计。但目前频率可调超材料吸波体存在的主要问题是只能对单一吸收峰处的吸收频率进行有限的调节，因此大大限制了该类器件的实际应用。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体，包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板，在所述的上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，在所述的上层介质基板下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元包括有若干依次串联的短偶极子金属贴片和若干依次串联的长偶极子金属贴片，若干依次串联的短偶极子金属贴片通过金属线和金属电极一相连接，若干依次串联的长偶极子金属贴片通过金属线和金属电极二相连接，从而形成金属谐振单元阵列，在所述的下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极。
所述液晶层采用向列型液晶材料。
通过在连接金属谐振单元阵列的某一电极以及金属接地电极上施加电压，在相应偶极子覆盖区域下的液晶层中形成偏置电场，偏置电场使得该区域下的液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变此区域下液晶的介电常数，并进一步改变该偶极子的谐振频率。
本发明的优点是：本发明具有双吸收频率，可以通过在不同电极上加电，将任一吸收峰频率变化局限在很小范围内，而对另一吸收峰频率实现较大范围调节；本发明在垂直入射波下，对任一谐振点进行调节时，仍能保持93%以上的吸收率。
附图说明
图1金属谐振单元阵列及电极俯视图。
图2为本发明的吸波单元三维结构示意图。
图3为本发明中吸波单元的结构的主视图。
图4为本发明中上介质基板下表面金属谐振单元结构示意图。
图5为本发明在电极一和金属接地电极上加电时，不同液晶介电常数下的垂直入射吸收率仿真结果图。
图6为本发明在在金属电极二和金属接地电极上加电时，不同液晶介电常数下的垂直入射吸收率仿真结果图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体，包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板1、2，在所述的上、下两层介质基板1、2的间隙中注入有液晶层3，在所述的上层介质基板1下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元包括有若干依次串联的短偶极子金属贴片4和若干依次串联的长偶极子金属贴片6，若干依次串联的短偶极子金属贴片4通过金属线9和金属电极一7相连接，若干依次串联的长偶极子金属贴片6通过金属线9和金属电极二8相连接，从而形成金属谐振单元阵列，在所述的下层介质基板2上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极5。
所述液晶层3采用向列型液晶材料。
分别在电极一7以及金属接地电极5，电极8以及金属接地电极5上施加电压，在相应依次串联的短偶极子4覆盖区域下和依次串联的长偶极子6覆盖区域下的液晶层中形成偏置电场，偏置电场使得对应区域下的液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变相应区域下液晶的介电常数，并进一步改变该偶极子的谐振频率。
具体实施过程中，相应的结构设置包括：
上层介质基板1为边长为L、厚度为Hq的立方体结构，下层介质基板2为边长为L、厚度为Hq的立方体结构。
金属谐振单元阵列所包含的短偶极子金属贴片4，其长和宽分别为Lx1和Ly1，其到介质基板单元边缘的距离为D1；金属谐振单元阵列所包含的长偶极子金属贴片6，其长和宽分别为Lx2和Ly2，其到介质基板单元边缘的距离为D2。每个相邻单元的短偶极子金属贴片4由宽度为s的金属线9依次串联并连接到电极7上；同样，每个相邻单元的长偶极子金属贴片6由宽度为s的金属线9依次串联并连接到电极8上。金属谐振单元的厚度为t。
下层介质基板2上表面全覆盖一厚度为t的金属层5作为金属接地电极。
具体实施中液晶层的厚度为为Hlc，将液晶材料灌入介质基板之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在液晶层的上下表面用聚酰亚胺膜定向。
在具体的应用中设置：
单元的尺寸L=400μm，金属谐振单元的尺寸：Lx1=150μm，Ly1=40μm，D1=80μm，Lx2=250μm，Ly2=40μm，D2=80μm。金属线的宽度为5μm，液晶层的厚度为45μm，上层介质基板和下层介质基板的厚度均为200μm，金属谐振单元和金属层的厚度均为2μm。液晶层中的液晶材料选用GT3-23001，金属接地电极、金属谐振单元均以金属铜为材质。介质基板采用石英材料，介电常数为3.75，损耗正切为0.0004。
图5为通过软件仿真得到的吸波体在电极7以及金属接地电极5上加电，改变短偶极子阵列覆盖区域下液晶分子的排列方向，从而得到不同的液晶介电常数下的垂直入射吸收率曲线。从图5中可以看出有两个吸收峰，其中一个吸收峰的吸收频率基本维持在393.5GHz左右一个很小的范围内,而另外一个吸收峰的吸收频率随着液晶介电常数的变化而变化，当液晶的介电常数从2.4变化到3.2时，该吸收峰对应的吸收频率从434.3GHz变化到426.2GHz，吸波体的吸收频率调节宽度可以达到1.88%。
图6为通过软件仿真得到的吸波体在电极8以及金属接地电极5上加电，改变长偶极子阵列覆盖区域下液晶分子的排列方向，从而得到不同的液晶介电常数下的垂直入射吸收率曲线。根据图6所示，同样具有两个吸收峰，其中一个吸收峰的吸收频率基本保持在433.5GHz左右一个极小的范围内；而另外一个吸收峰的吸收频率随着液晶介电常数的变化也随之变化，当液晶的介电常数从2.4变化到3.2时，吸收频率从394.4GHz变化到377.6GHz，吸波体的吸收频率调节宽度可以达到4.35%。且对任意一种加电方式，吸波体的每个吸收峰的吸收率均能保持在93%以上。

Claims (2)

1.一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体，其特征在于：包括有连续设置的多个吸波单元，所述的每个吸波单元包括有上、下两层介质基板，在所述的上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，在所述的上层介质基板下表面设有金属谐振单元，所述的金属谐振单元包括有若干依次串联的短偶极子金属贴片和若干依次串联的长偶极子金属贴片，若干依次串联的短偶极子金属贴片通过金属线和金属电极一相连接，若干依次串联的长偶极子金属贴片通过金属线和金属电极二相连接，从而形成金属谐振单元阵列，在所述的下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶的双吸收峰可调超材料吸波体，其特征在于：所述液晶层采用向列型液晶材料。
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