CN109309286A - 一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，包括底层反射板及其上方设置的经过裁剪的介质基板，所述介质基板上方设置有由一层金属贴片组成的第一谐振单元，所述介质基板内部镶嵌有由两层金属贴片组成的第二谐振单元。本发明通过多层结构设计，运用金属做为谐振材料，通过层与层之间的相互谐振以到达宽带的吸收效果。使得该吸波器的吸收带宽从宽带拓展到超宽带。并且因为该吸波器的结构拥有对称性，所以该吸波器的对TE极化波和TM极化波的吸收性能基本一样。该吸波器在THz波段上能够实现超宽带的吸收效果。

Description

一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器

技术领域

本发明涉及一种超宽带太赫兹吸波器，具体的说是一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，属于无线电通信、太赫兹器件领域。

背景技术

随着信息技术的发展，微波器件已经广泛的应用于通信中的各类系统中。如发射端的天线、电磁屏蔽盒等。防止电磁干扰和电磁隐身在军事和民用领域有广泛的应用前景。电磁吸波器就满足这一需求所设计的一类微波器件，在通信领域得到了越来越广泛的应用。而且随着军事科技以及无线通信系统的迅猛发展，最初单一频点的吸波已经不能满足复杂电磁环境下的应用需求，多频、窄带电磁超材料吸波器受到越来越多工程研究人员的重视。在军事领域，提高武器装备的电磁隐身特性，降低被敌侦测概率，是夺取现代战争胜利的前提。而在民用领域，无线通信中基本器件，医疗、保健以及常用消费级的电子产品都对电子器件有电子兼容的需求，都需要额外的屏蔽“不需要的”电磁信号。低剖面和小型化的吸波器在民用领域也有着强大的需求。

但是目前吸波器领域内的大多数吸波器都工作在GHz波段，很少有吸收性能较好的THz吸波器，随着THz科技的发展，它在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐、等多个重要领域具有的独特优越性和巨大的应用前景逐渐显露。太赫兹波的传输是太赫兹波通信系统研究中的一个重要组成部分，由于太赫兹波在自由空间中的传输损耗很大，从某种意义上说很难对它加以引导和控制。为了克服这个困难，急需可以传播太赫兹波的波导。

太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。太赫兹泛指频率在0.1～10太赫兹波段内的电磁波，处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域。频率上它要高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间。由于此交叉过渡区，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波的理论来研究。所以，上世纪九十年代以前，一度被人“遗忘”，也因此被称为“太赫兹空白”。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，通过用金属设计谐振单元，来达到吸收电磁波的目的，并利用多层特性，对每一层的介质进行适当的裁剪，由于金属与空气更加容易匹配，且3层金属谐振单元之间的相互谐振最终达到了良好的吸收效果。

本发明提供一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，包括底层反射板及其上方设置的经过裁剪的介质基板，所述介质基板上方设置有由一层金属贴片组成的第一谐振单元，所述介质基板内部镶嵌有由两层金属贴片组成的第二谐振单元。

作为本发明的进一步技术方案，所述第一、二谐振单元为周期性排列的单元阵列，所述单元阵列采用的是一种对称的多层结构。

进一步的，所述第一谐振单元为由正方环形及其内部对称设置的T字形结构组成的第一层金属谐振单元，所述正方环形的置于第一层金属谐振单元的中心，其宽度为c＝4mm，边长为x＝70mm；所述正方形环内设有呈中心对称的T字形结构，所述T字形结构距离正方形环的边长中心偏右l1＝11.6mm，其长度为e＝15mm宽度为c＝4mm，其半开回形的长度为f＝16mm，半开回形的宽度b＝4，半开回形的枝节长度为g＝1.2mm；所述T字形结构的右边的边长比左边的边长小d＝0.9mm；所述正方形环外侧对称分布有3条长度分别为g1＝8mm、g2＝10mm和g3＝12mm的长方形条，左侧的长方形条距离该边的中心l3＝17.6mm，中间的长方形条位于边长的中点位置，右侧的长方形条位于边长中心l4＝16.8mm。

进一步的，所述第二谐振单元包括第二层金属谐振单元及第三层金属谐振单元；所述第二层金属谐振单元的形状与第一层的金属谐振单元相同，其尺寸为第一层金属谐振单元的i＝0.98倍，并且正方形环内的类‘T’结构距离中心点右侧l2＝22mm；所述第三层金属谐振单元则是将T字形结构进行顺时针依次旋转7次，每次45度，最后后形成一个由八个类‘T’结构组成的对称图形。其中类‘T’结构的长度为t2＝30mm，宽度为t1＝8.6mm，“回”形枝节长度u1＝30mm，“回”形枝节宽度为u2＝9mm，“回”形枝节长度为u3＝3mm。

进一步的，每相邻的两层金属谐振单元通过金属圆柱进行相连。

进一步的，所述第一层与第二层金属谐振单元通过4个金属圆柱连接，第二层与第三层金属谐振单元通过8个金属圆柱连接。

进一步的，在微波波段，所述底层反射板的反射面采用全金属板；在太赫兹及光波以上频段，所述底层反射板的反射板采用多层介质反射板或具有反射特性的人工结构阵列。

进一步的，所述介质基板是电导率为4.3，损耗角正切为0.025的FR-4，所述谐振单元所用金属为金。

进一步的，所述吸波器工作的吸收波段在THz波段，其通过每一层金属谐振单元的单独谐振和层与层之间的相互谐振来实现吸收电磁波的功能。

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)本发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，通过用特定的材料和适当的尺寸，可以使其工作在THz波段。

(2)本发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，通过中心对称的特性，使得其吸收效果在TM极化模式和TE极化模式下几乎是相同的。

(3)本发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，通过其多层结构的设计，通过层与层之间的谐振，达到超宽带吸收的效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意正视图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明的第一层金属谐振单元图。

图4为本发明的第二层金属谐振单元图。

图5为本发明的第三层金属谐振单元图。

图6为本发明的(3×3)九个单元结构图正视图

图7为本发明在TE极化模式下的吸收曲线。

图8为本发明在TM极化模式下的吸收曲线。

图9为本发明在TE极化模式和TM极化模式下的吸收曲线对比。

具体实施方式

本实施例提供一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，包括底层反射板，所述的底层反射板上设置有经过裁剪的介质基板，介质基板的最上层设置有一层金属组成的谐振单元，并且介质内部也镶嵌了两层金属组成的谐振单元。本发明主要依靠金属谐振单元的谐振来达到对电磁波吸收的效果，该吸波器总共有三层的谐振单元。每一层的谐振单元都有自身的谐振效果，但是单层的谐振单元的谐振效果并不是很明显，但是将图3、图4、图5的三个谐振单元进行了垂直方向的排列后，通过每一层之间的相互谐振，就可以到达超宽带的吸收效果。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

该发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，我们将入射的电磁波约束在仅有垂直入射的电磁波，也就是让电磁波平行于Z轴方向入射。经过测试，我们将介质设置为FR4，将谐振单元的材料设置为gold(金)，以达到最好的吸收效果。并且由于金属谐振单元与空气的阻抗匹配比FR4要好，所以将三层谐振单元之间的介质进行适当的裁剪。

该发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的。

该吸波器的反射板，在不频段所用反射板不同，如在微波波段反射面可用全金属板，如铜、铝等；而在太赫兹及光波以上频段，反射板可采用多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。

该发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，由若干个谐振单元周期排列而成。底层是完整的金属板，用于全反射，金属板上方是介质基板以及三层金属谐振单元。其中第一层的金属谐振单元如图3所示，第二层的金属谐振单元如图4所示，第二层的金属谐振单元基本与第一层相似，总体的比例为第一层的i＝0.98倍。第三层的金属谐振单元如图5所示，且第一层与第二层的金属谐振单元用4个金属圆柱连接，第二层与第三层的金属谐振单元用8个金属圆柱连接。

该THz吸波器的相关结构参数如表1所示。

参数	a	h	w	x
					参数值(mm)	120	20	1	70
参数	l1	l2	l3	l4
					参数值(mm)	11.6	22	17.6	16.8
参数	b	d	1e	c
					参数值(mm)	4	0.9	15	4
参数	z	z1	i	f
					参数值(mm)	1.9	9	0.98	16
参数	σ	g1	g2	g3
					参数值(mm)	1.2	8	10	12
参数	t1	t2	u1	u2
					参数值(mm)	8.6	30	30	9
参数	u3	r	r1	p1
					参数值(mm)	3	1.5	1	1.9
参数	p2
					参数(mm)	22

表1

该发明一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，经过参数优化后，该吸波器在频带4.904THz到6.632THz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，绝对对带宽达到了1.728THz，相对带宽达到了30％。在频带5.683THz到5.882THz内反射率低于-20dB，吸收率高于99％。

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)

1.一种多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：包括底层反射板及其上方设置的经过裁剪的介质基板，所述介质基板上方设置有由一层金属贴片组成的第一谐振单元，所述介质基板内部镶嵌有由两层金属贴片组成的第二谐振单元。

2.根据权利要求1所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述第一、二谐振单元为周期性排列的单元阵列，所述单元阵列采用的是一种对称的多层结构。

3.根据权利要求1所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：每相邻的两层金属谐振单元通过金属圆柱进行相连。

4.根据权利要求1所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述第一谐振单元为由正方环形及其内部对称设置的T字形结构组成的第一层金属谐振单元，所述正方环形的置于第一层金属谐振单元的中心，其宽度为c＝4mm，边长为x＝70mm；所述正方形环内设有呈中心对称的T字形结构，所述T字形结构距离正方形环的边长中心偏右l1＝11.6mm，其长度为e＝15mm宽度为c＝4mm，其半开回形的长度为f＝16mm，半开回形的宽度b＝4，半开回形的枝节长度为g＝1.2mm；所述T字形结构的右边的边长比左边的边长小d＝0.9mm；所述正方形环外侧对称分布有3条长度分别为g1＝8mm、g2＝10mm和g3＝12mm的长方形条，左侧的长方形条距离该边的中心l3＝17.6mm，中间的长方形条位于边长的中点位置，右侧的长方形条位于边长中心l4＝16.8mm。

5.根据权利要求1所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述第二谐振单元包括第二层金属谐振单元及第三层金属谐振单元；所述第二层金属谐振单元的形状与第一层的金属谐振单元相同，其尺寸为第一层金属谐振单元的i＝0.98倍，并且正方形环内的类‘T’结构距离中心点右侧l2＝22mm，所述第三层金属谐振单元则是将T字形结构进行顺时针依次旋转7次，每次45度，最后形成一个由八个类‘T’结构组成的对称图形。其中类‘T’结构的长度为t2＝30mm，宽度为t1＝8.6mm，“回”形枝节长度u1＝30mm，“回”形枝节宽度为u2＝9mm，“回”形枝节长度为u3＝3mm。

6.根据权利要求4或5所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述第一层与第二层金属谐振单元通过4个金属圆柱连接，第二层与第三层金属谐振单元通过8个金属圆柱连接。

7.根据权利要求1所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：在微波波段，所述底层反射板的反射面采用全金属板；在太赫兹及光波以上频段，所述底层反射板的反射板采用多层介质反射板或具有反射特性的人工结构阵列。

8.根据权利要求3所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述介质基板是电导率为4.3，损耗角正切为0.025的FR-4，所述谐振单元所用金属为金。

9.根据权利要求3所述的多层结构的极化不敏感的超宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述吸波器工作的吸收波段在THz波段，其通过每一层金属谐振单元的单独谐振和层与层之间的相互谐振来实现吸收电磁波的功能。