CN109066096A - 一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器 - Google Patents

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章海锋
孔心茹
道日娜
苏欣然
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Abstract

本发明公开了一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，包括反射板及其上方的介质体，其特征在于：所述介质体呈锥形，其内部设有至少一层由结构单元周期性排列而成的金属谐振单元；所述金属谐振单元呈中心对称，由三部分金属贴片组成，包括外层的六边环形结构、中间的环形结构及内层的X型折线结构。本发明基于多层结构可以展宽吸收频带的原理进行设计，突破了传统的层间距相等的设计思想，采用不等间距的层叠结构来展宽吸收频域，实现THz波段的超宽带吸收。

Description

一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器
技术领域
本发明涉及一种超宽带吸波器，尤其是一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，属于无线电通信、THz器件技术领域。
背景技术
超材料是一种具备超常物理特性，如负介电常数、负磁导率等的人工复合结构或复合材料，而且超材料的尺寸远远小于它的工作波长。最初，因为电磁波在超材料中传播时，不像传统材料满足右手螺旋法则，而是满足左手螺旋法则，因而被称为左手材料。随着研究的不断推进，人们发现，由于左手材料具有特殊的物理特性，因而具有更广泛的应用前景，引发了国内外学者的广泛关注和研究。
吸波结构是指能够吸收入射的电磁波，使通过吸波器后的反射电磁波降低的结构。使用常规材料设计的吸波器有体积大，质量大，稳定性差等缺点，而使用超材料来设计吸波器可以很好地规避这些缺点。2002年时首次提出可以使用有损耗的FSS(频率选择表面)来设计超薄的吸波器，但是这种吸波器的设计方法过于繁琐，无法得到广泛的应用。2008年，科研人员首次提出完美吸波的吸波结构，这种结构具有高吸收率、轻便、结构简单等特点。此后，研究者们不断探索，致力于做出具有角度稳定特性、极化不敏感、高吸收效率、宽吸收频带等特点的超材料吸波器。
最初，超材料吸波器的研究主要集中在微波波段，而且是窄带吸收。随着研究的推进，陆续实现了太赫兹波段和红外波段的吸波。现代科技不断发展，各种电子产品层出不穷，电磁辐射对生活的影响越来越大，飞机可能会因为电磁辐射影响正常起飞、医院的各种电子诊疗仪可能会因为电磁辐射而影响正常使用。此外，吸波结构在军事上也有重要的研究价值。在实际应用中，宽频带的吸波器具有良好的研究和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，通过堆叠多层间距不相等的谐振单元，实现吸波器在THz波段的超宽带吸收。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，包括反射板及其上方的介质体，所述介质体呈锥形，其内部设有至少一层由结构单元周期性排列而成的金属谐振单元；
所述金属谐振单元呈中心对称，由三部分金属贴片组成，包括外层的六边环形结构、中间的环形结构及内层的X型折线结构。
本发明进一步限定的技术方案是：所述金属谐振单元为十层，且各层金属谐振单元之间的间距不等。
进一步的，所述金属谐振单元从下至上渐进变化，每两层金属谐振单元的中间和里层结构尺寸相同，外层六边环形结构的边长逐层递减2μm，第一层六边环形结构的边长为22.5μm，各层六边环形金属谐振单元的宽度均为0.5μm。
所述环形结构由外部的正方形贴片剪去其内切圆形贴片构成；由下而上，第一层方形环的边长为24μm，第三层方形环的边长为18μm，第五层方形环的边长为12μm，第七层方形环的边长为8μm，第九层方形环的边长为3μm。
所述X型折线结构由两个尺寸相同的“Ω”型金属贴片以及连接两个“Ω”型金属贴片的方形单元结构组合而成，所述两个“Ω”型金属贴片尺寸相同且关于x轴对称。
进一步的，各金属谐振单元之间的层间距不相等，底层反射板与第一层谐振单元之间的距离为2.2μm，第一层与第二层谐振单元之间的距离为2.7μm，第二层与第三层谐振单元之间的距离为3.3μm，第三层与第四层谐振单元之间的距离为4μm，第四层与第五层谐振单元之间的距离为5μm，第五层与第六层谐振单元之间的距离为6.1μm，第六层与第七层谐振单元之间的距离为7.4μm，第七层与第八层谐振单元之间的距离为91μm，第八层与第九层谐振单元的距离为11.2μm，第九层与第十层谐振单元之间的距离为13.7μm。
进一步的，所述介质体呈锥形，底面半径为30μm，高度为300μm。介质体是损耗角正切值为0.06的FR-4。
进一步的，所述金属谐振单元与底层反射板的材料是金，且厚度均为0.4μm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明基于多层结构可以展宽吸收频带的原理进行设计，突破了传统的层间距相等的设计思想，采用不等间距的层叠结构来展宽吸收频域，实现THz波段的超宽带吸收。
(1)本发明一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，通过叠加多层尺寸不同、结构相似的金属谐振单元的方式，实现了超宽带吸收，而且该吸波器对于入射电磁波极化不敏感。
(2)本发明一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，用较为简单的结构在THz波段实现了吸收带宽满足17.5个倍频程。
(3)本发明一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，具有设计灵活、应用范围广、功能性强等特点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的图1的立体图。
图3为本发明的单层金属谐振单元结构示意图。
图4为本发明的结构单元周期性排列的(3×3)阵列图。
图5为本发明在电磁波垂直入射时的吸收曲线。
附图标记：1-第一层金属谐振单元、2-第二层金属谐振单元、3-第三层金属谐振单元、4-第四层金属谐振单元、5-第五层金属谐振单元、6-第六层金属谐振单元、7-第七层金属谐振单元、8-第八层金属谐振单元、9-第九层金属谐振单元、10-第十层金属谐振单元、11—金属反射板、12-介质体。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其结构如图1所示，包括最底层的金属反射板11，金属反射板上设有锥形介质体12，锥形介质体内部设置有十层金属谐振单元，由下至上依次为第一层金属谐振单元1，第二层金属谐振单元2，第三层金属谐振单元3，第四层金属谐振单元4，第五层金属谐振单元5，第六层金属谐振单元6，第七层金属谐振单元7，第八层金属谐振单元8，第九层金属谐振单元9，第十层金属谐振单元10，且十层谐振单元的层间距不相等。其立体图如图2所示。
底层金属反射板和谐振单元的材料是金，而锥形介质体的材料是有较大损耗角的FR-4。本发明中，利用多层堆叠的方式展宽吸收频带，实现THz波段的超宽带吸收。基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器由结构单元周期性排列而成。
本实施例中的吸波器对于入射电磁波是极化不敏感的，通过堆叠多层金属谐振单元的方式，且各层谐振单元之间的间距不相等，从而实现吸波器在THz波段的超宽带吸收。
该吸波器的金属谐振单元的结构如图3所示，每层谐振单元均由三部分组成，外层的金属谐振单元呈六边环形，从下至上六边环形边长逐层递减2μm，第一层六边环形金属谐振单元的边长为22.5μm，各层六边环形金属谐振单元的宽度均为0.5μm。从下至上，每两层的中间和里层金属谐振单元尺寸相同。中间的金属谐振单元呈环形，由正方形贴片剪去其内切圆形贴片构成，第一层方形环的边长为24μm，第三层方形环的边长为18μm，第五层方形环的边长为12μm，第七层方形环的边长为8μm，第九层方形环的边长为3μm。里层的金属谐振单元呈折线X形，由两个尺寸相同的“Ω”形金属谐振单元以及连接两个“Ω”形金属谐振单元的正方形单元结M构组合而成，第一层“Ω”形谐振单元的宽为6μm，长为8.5μm，方形谐振单元的边长为2μm，第三层“Ω”形谐振单元的宽为4.8μm，长为7.4μm，方形谐振单元的边长为1.6μm，第五层“Ω”形。
谐振单元的宽为3μm，长为5μm，方形谐振单元的边长为1μm，第七层“Ω”形谐振单元的宽为2.4μm，长为2.8μm，方形谐振单元的边长为0.8μm，第九层“Ω”形谐振单元的宽为0.75μm，长为1.25μm，方形谐振单元的边长为0.25μm，各谐振单元的相关参数如表1所示。
表1
该吸波器的金属谐振单元之间的层间距不相等，底层金属反射板与从下至上第一层谐振单元之间的距离为2.2μm，第一层与第二层谐振单元之间的距离为2.7μm，第二层与第三层谐振单元之间的距离为3.3μm，第三层与第四层谐振单元之间的距离为4μm，第四层与第五层谐振单元之间的距离为5μm，第五层与第六层谐振单元之间的距离为6.1μm，第六层与第七层谐振单元之间的距离为7.4μm，第七层与第八层谐振单元之间的距离为9.1μm，第八层与第九层谐振单元之间的距离为11.2μm，第九层与第十层谐振单元之间的距离为13.7μm。
该吸波器的锥形介质体的材料采用FR-4，其介电常数为ε＝3+0.18i，该吸波器的金属反射板及锥形介质体的相关参数如表2所示。
参数 H m n p
值(μm) 300 0.4 0.5 60
表2
如图5所示，是基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器在电磁波垂直入射时的吸收曲线，该吸波器对于入射电磁波是极化不敏感的，在工作时，电磁波沿-z方向入射。吸收率公式为A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，其中R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率，由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，因此A(ω)＝1-R(ω)。在频带1.717THz到30THz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，相对带宽为178.3％，显然，通过堆叠多层金属谐振单元的方式，且各层金属谐振单元间距不等，实现了吸波器在THz波段的超宽带吸收。
在经过特定的设计(层间距的比例以及谐振单元的数量、尺寸和形状)后，本发明可实现超宽带吸收。本发明具有极化不敏感、设计灵活、应用范围广、吸收带极宽等特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，包括反射板及其上方的介质体，其特征在于：所述介质体呈锥形，其内部设有至少一层由结构单元周期性排列而成的金属谐振单元；
所述金属谐振单元呈中心对称，由三部分金属贴片组成，包括外层的六边环形结构、中间的环形结构及内层的X型折线结构。
2.根据权利要求1所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：所述金属谐振单元为十层，且各层金属谐振单元之间的间距不等。
3.根据权利要求2所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：所述金属谐振单元从下至上渐进变化，每两层金属谐振单元的中间和里层结构尺寸相同，外层六边环形结构的边长逐层递减2μm，第一层六边环形结构的边长为22.5μm，各层六边环形金属谐振单元的宽度均为0.5μm。
4.根据权利要求2所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：所述环形结构由外部的正方形贴片剪去其内切圆形贴片构成；由下而上，第一层方形环的边长为24μm，第三层方形环的边长为18μm，第五层方形环的边长为12μm，第七层方形环的边长为8μm，第九层方形环的边长为3μm。
5.根据权利要求2所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：所述X型折线结构由两个尺寸相同的“Ω”型金属贴片以及连接两个“Ω”型金属贴片的方形单元结构组合而成，所述两个“Ω”型金属贴片尺寸相同且关于x轴对称。
6.根据权利要求2所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：各金属谐振单元之间的层间距不相等，底层反射板与第一层谐振单元之间的距离为2.2μm，第一层与第二层谐振单元之间的距离为2.7μm，第二层与第三层谐振单元之间的距离为3.3μm，第三层与第四层谐振单元之间的距离为4μm，第四层与第五层谐振单元之间的距离为5μm，第五层与第六层谐振单元之间的距离为6.1μm，第六层与第七层谐振单元之间的距离为7.4μm，第七层与第八层谐振单元之间的距离为9.1μm，第八层与第九层谐振单元之间的距离为11.2μm，第九层与第十层谐振单元之间的距离为13.7μm。
7.根据权利要求1所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：所述介质体呈锥形，底面半径为30μm，高度为300μm。
8.根据权利要求7所述的基于不等间距层叠结构的THz超宽带吸波器，其特征在于：所述介质体是损耗角正切值为0.06的FR-4。
9.根据权利要求1所述的多层支架结构的可调谐超宽带吸波器，其特征在于：所述金属谐振单元与底层反射板的材料是金，且厚度均为0.4μm。
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