CN109066098B

CN109066098B - 一种基于重力场调控的吸波器

Info

Publication number: CN109066098B
Application number: CN201810884118.3A
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 田星亮
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2038-08-06
Also published as: CN109066098A

Abstract

本发明公开了一种基于重力场调控的吸波器，包括底层的金属反射板及其上方设置的介质基板，所述介质基板的上表面设有金属谐振单元，其内部具有分别放置油液及海水的第一、二凹槽，且第一、二凹槽之间具有连通部，通过旋转该吸波器，在重力场作用下，海水与油液位置发生改变，实现对不同频率的动态调控。本发明摒弃了原有的繁杂调控操作手段，只需通过旋转该吸波器的方式，便可实现对吸收频域的动态调控，这种利用重力场调控的方式相当便捷，且加工材料易于获取，吸波器本身厚度较薄，有更多可以应用的场景。

Description

一种基于重力场调控的吸波器

技术领域

本发明涉及一种吸波器，具体的说是一种基于重力场调控的吸波器，属于无线电通信、微波器件领域。

背景技术

超材料作为一种基于人工合成的周期性材料，由于其有着与寻常材料不同的材料参数，如负反射率、负折射率等，所以经常被用于制造吸波器。吸波器通常是由周期性排列的基本单元构成，有着较小的物理尺寸，且可以在目标频域内有特定的吸收能力，近年来被广泛的应用于防止电磁干扰、电磁隐身等各种民用、军事领域。在军事领域，可以用吸波器作为武器装备的涂层，使武器拥有电磁隐身的能力，对方无法通过武器侦测到我方人员，可以在战争中获取先机，也可以用来降低导弹等各类飞行单位的RCS。吸波器在具体生活中的应用主要体现在大部分电子产品在工作的过程中需要预防电磁干扰，小型的吸波器可以有效的解决保健、医疗等方面的这类需求，同时它在通讯领域也有着越来越多的应用。虽然上述超材料吸波器有着优秀的前景，但目前大部分可调控的吸波器都有一个问题，由于该类吸波器对于调控手段有着复杂甚至苛刻的要求，很大程度上限制了超材料吸波器的实际使用，即使用传统的温度控制或者电路控制都有着复杂的操作流程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于重力场调控的吸波器，摒弃复杂的调控手段，通过旋转该吸波器的方式，以此实现吸收频域的动态调控。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于重力场调控的吸波器，包括底层的金属反射板及其上方设置的介质基板，所述介质基板的上表面设有金属谐振单元，其内部具有分别放置油液及海水的第一、二凹槽，且第一、二凹槽之间具有连通部，通过旋转该吸波器，在重力场作用下，海水与油液位置发生改变，实现对不同频率的动态调控。

作为本发明的进一步技术方案，所述第一凹槽呈圆柱体，位于介质基板内部上方，其内放置有油液；所述第二凹槽呈长方体，位于第一凹槽下方，其内放置有海水；且所述第一凹槽与第二凹槽的体积相等。

进一步的，所述吸波器分别具有未旋转状态、垂直旋转状态及水平旋转状态；

当吸波器未旋转时，第二凹槽位于所述介质基板内部下方，第一凹槽位于介质基板内部上方，在重力场的作用下，第二凹槽内被海水充满，第一凹槽内被油液充满；

当吸波器垂直旋转时，第一、二凹槽关于水平方向对称，在重力场的作用下，第一、二凹槽的下部内同时被海水充满，上部内同时被油液充满；

当吸波器水平旋转时，第一凹槽位于所述介质基板内部下方，第二凹槽位于介质基板内部上方，在重力场的作用下，第一凹槽内部被海水充满，第二凹槽内部被油液充满。

所述调控方式由旋转实现，介质基板内部的海水与油由于旋转导致位置发生改变，以此实现吸收频域的动态调控。

进一步的，所述圆柱体底边半径为0.28 mm，高为9.6 mm。所述长方体长为8.211mm，宽为8 mm，厚度为0.018 mm。

进一步的，所述金属谐振单元呈方环形，由正方环形金属谐振单元截成边长相等的四部分构成，各部分谐振单元呈“L”形。所述“L”形谐振单元边长为4.18 mm，宽为0.18mm，厚度为0.018 mm。

进一步的，所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4，所述金属谐振单元及金属反射板的材料均采用铜。

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：

（1）本发明一种基于重力场调控的吸波器，通过旋转吸波器的方式，以此实现吸收频域的可调控，达到便捷调控吸收频域的效果。

（2）本发明实现吸收频率的重构（调控）方法比较简单，克服了传统吸波器频率实现调控复杂、控制方式繁复等缺点。

（3）本发明在较小的物理尺寸下完成了对低频段单频点的吸收，具有加工材料易于获取，设计新颖，结构通俗，实用性强，应用前景优秀等特点。

附图说明

图1为本发明的吸波器未旋转时结构单元正视图。

图2为图1的周期性结构单元排列（3´3）正视图。

图3为图1的结构单元侧视（透视）图。

图4为图1的立体图。

图5为图1的介质基板内部结构正视图。

图6为本发明的吸波器垂直旋转时介质基板内部结构正视图。

图7为本发明的吸波器水平旋转时介质基板内部结构正视图。

图8为本发明的吸波器未旋转与水平旋转时TM模式电磁波垂直入射时的吸收曲线。

图9为本发明的吸波器垂直旋转与水平旋转时TM模式电磁波垂直入射时的吸收曲线。

附图说明：1-金属反射板，2-介质基板，3-谐振单元，4-放置油液的第一凹槽，5-放置海水的第二凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供了一种基于重力场调控的吸波器，如图1至4所示，其结构由底层金属反射板、介质基板、介质基板表面金属谐振单元以及介质基板内部的海水和油液组成。介质基板为具有较大损耗角正切的FR-4。第一、第二凹槽分别为等体积的圆柱体和长方体，圆柱体和长方体中分别注入海水和油液，由于圆柱体和长方体的体积相等，通过旋转该吸波器，使得凹槽中海水和油液的位置发生改变，从而实现吸收频域的可调控。

本发明所述的吸波器在工作时有三个工作状态，分别是未旋转的状态、垂直旋转的状态以及水平旋转的状态。当吸波器未旋转时，第二凹槽位于所述介质基板内部下方，第一凹槽位于介质基板内部上方，在重力场的作用下，所述第二凹槽内被海水充满，第一凹槽内被油液充满；当吸波器垂直旋转时，第一、二凹槽关于水平方向对称，在重力场的作用下，所述第一、二凹槽的下部内同时被海水充满，上部内同时被油液充满；当吸波器水平旋转时，第一凹槽位于所述介质基板内部下方，第二凹槽位于介质基板内部上方，在重力场的作用下，所述第一凹槽内部被海水充满，第二凹槽内部被油液充满。

本发明中，通过在介质基板内部增加凹槽的方式，并采用旋转该吸波器的方法，以此来实现对不同频率的动态调控，并且所述吸波器由周期性的结构单元排列组成，如图2所示。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

该发明一种基于重力场调控的吸波器有以下三种工作状态：当处于未旋转状态时，其结构示意图如图5所示，凹槽为正向放置，此时第二凹槽位于所述介质基板内部下方，第一凹槽位于介质基板内部上方。由于该吸波器中所选用的海水密度为1025 kg/m3，而所选用油液的密度为920 kg/m3，海水与油液互不相溶，所以在凹槽内的海水与油液会产生分层，海水和油液分别充满长方体和圆柱体；当处于垂直旋转状态时，其结构示意图如图6所示，凹槽为侧向放置，此时第一、第二凹槽关于水平对称，海水和油液分别充满凹槽下部和凹槽上部；当处于水平旋转状态时，其结构示意图如图7所示，凹槽为反向放置，此时第一凹槽位于所述介质基板内部下方，第二凹槽位于介质基板内部上方，海水和油液分别充满圆柱体和长方体，且上述所有图示中的相关参数如表1所示。

所述谐振单元的材料是铜，且呈方环形，由正方环形金属谐振单元截成边长相等的四部分构成，各部分呈“L”形，其中铜的密度为8930 kg/m³，如图1所示；且该吸波器的反射板为全铜金属板。

该发明一种基于重力场调控的吸波器，由于考虑到现实制作中并没有在介质基板上无损开孔注入海水与油液的制作工艺，所以在实际制造中将采用3D打印的方式。

该发明一种基于重力场调控的吸波器，其介质基板内部的液体种类可以替换成如水银、酒精等其他种类。

表1 吸波器的相关参数

参数	<i>a</i>	<i>b</i>	<i>c</i>	<i>d</i>	<i>e</i>
						参数的值（mm）	5	9.56	1.2	0.18	9.6
参数	<i>f</i>	<i>g</i>	<i>h</i>	<i>i</i>	<i>j</i>
						参数的值（mm）	8.211	8	0.018	0.036	0.56
参数	<i>k</i>	<i>l</i>	<i>m</i>	<i>n</i>	<i>p</i>
						参数的值（mm）	0.78	0.12	0.075	0.3	4.18

如图8和图9所示，是该吸波器三种工作状态时的吸收曲线，由于该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，以下三种状态的吸收曲线均是TM模式下得到的吸收曲线，工作时电磁波由-z方向入射。由吸收率公式A(ω)=1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率，T(ω)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)=0，故A(ω)=1-R(ω)。图8是该吸波器未旋转与水平旋转时的吸收曲线，当该吸波器未旋转时，在频带10.83至10.96 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，位于频点10.9 GHz处的吸收峰值为99.24%；当该吸波器水平旋转时，在频带9.64至9.76 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，位于频点9.69 GHz处的吸收峰值为99.07%。图9是该吸波器垂直旋转与水平旋转时的吸收曲线，当该吸波器垂直旋转时，位于频带10.53至10.59 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，在频点10.56GHz处的吸收峰值为91.58%；当该吸波器水平旋转时，位于频带9.64至9.76 GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90%，在频点9.69 GHz处的吸收峰值为99.07%。显然我们可以通过旋转该吸波器，从而达到调控吸收频域的目的。

在经过特定设计后（凹槽形状设计），本发明的工作频率能够实现动态的调控。主要吸收是由金属谐振单元、介质基板和内部液体共同引起，可以在较小物理尺寸下实现电磁波的吸收，本发明具有加工材料易于获取，结构巧妙，设计新颖，实用性强的特点。这种基于重力场调控的吸波器摒弃了原有的繁杂调控操作手段，只需通过旋转该吸波器的方式，便可实现对吸收频域的动态调控，这种利用重力场调控的方式相当便捷，且吸波器本身厚度较薄，有更多可以应用的场景。

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

1.一种基于重力场调控的吸波器，其特征在于：包括底层的金属反射板及其上方设置的介质基板，所述介质基板的上表面设有金属谐振单元，其内部具有分别放置油液及海水的第一、二凹槽，且第一、二凹槽之间具有连通部，通过旋转该吸波器，在重力场作用下，海水与油液位置发生改变，实现对不同频率的动态调控；

所述第一凹槽呈圆柱体，位于介质基板内部上方，其内放置有油液；所述第二凹槽呈长方体，位于第一凹槽下方，其内放置有海水，且所述第一凹槽与第二凹槽的体积相等；

所述吸波器分别具有未旋转状态、垂直旋转状态及水平旋转状态；

当吸波器水平旋转时，第一凹槽位于所述介质基板内部下方，第二凹槽位于介质基板内部上方，在重力场的作用下，第一凹槽内部被海水充满，第二凹槽内部被油液充满；

所述金属谐振单元呈方环形，由正方环形金属谐振单元截成边长相等的四部分构成，各部分谐振单元呈“L”形。

2.根据权利要求1所述的基于重力场调控的吸波器，其特征在于：所述圆柱体底面半径为0.28 mm，高为9.6 mm；所述长方体长为8.211 mm，宽为8 mm，厚度为0.018 mm。

3.根据权利要求1所述的基于重力场调控的吸波器，其特征在于：所述“L”形谐振单元边长为4.18 mm，宽为0.18 mm，厚度为0.018 mm。

4.根据权利要求1所述的基于重力场调控的吸波器，其特征在于：所述介质基板是具有损耗角正切的FR-4。

5.根据权利要求1所述的基于重力场调控的吸波器，其特征在于：所述金属谐振单元及金属反射板的材料均为铜。