CN109546352A - 一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料 - Google Patents

一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料 Download PDF

Info

Publication number
CN109546352A
CN109546352A CN201811518468.4A CN201811518468A CN109546352A CN 109546352 A CN109546352 A CN 109546352A CN 201811518468 A CN201811518468 A CN 201811518468A CN 109546352 A CN109546352 A CN 109546352A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal copper
copper sheet
upper layer
medium
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811518468.4A
Other languages
English (en)
Inventor
胡晓俊
叶德信
冉立新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201811518468.4A priority Critical patent/CN109546352A/zh
Publication of CN109546352A publication Critical patent/CN109546352A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种由次波长谐振结构成的双波段超匹配吸波材料。多个材料单元以阵列形式排布，每个材料单元主要由自下而上依次布置的金属铜板、下层FR‑4介质、固化片、下层方环金属铜片、上层FR‑4介质和上层方环金属铜片五层材料组成，五层材料的中心均位于同一直线上。本发明结构简单、厚度较薄、吸波效率高、与空气完美匹配，可用于隐身材料以及雷达等领域。

Description

一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料
技术邻域
本发明涉及电磁波吸波材料，具体涉及一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料。特别适用于涉及各种飞机、雷达隐身等领域，
背景技术
对电磁吸波材料的研究已经过去了许多年，Salisbury吸收体作为经典的谐振吸波体，对其的研究至今已有70多年，它是在离金属面前λ0/4处放置电阻层，中间用有耗材料隔开，这样在λ0/4处，入射波与从金属面反射回来的反射波相位相反，起到了吸波效果。将Salisbury吸收体的前端电阻层替换成频率选择表面(FSS)就构成了电路模拟吸收体(CA)，FSS的存在使吸波体对吸波效果以及吸波频率的调节更为灵活。而Dallenbach吸波体的工作原理与之前的提到的吸波体不同，该吸波体由渐变有耗介质和背底金属构成。这一关键的思想是通过找到合适的有耗媒质使得吸波体与自由空间尽可能实现阻抗匹配，即ε＝μ。通过该方法，可以使入射电磁波的反射达到最小且能量在反射前就被渐变有耗介质材料所吸收。超材料完美吸波体的结构类似于FSS，但是，超材料完美吸波体的特点是它们允许构建具有指定ε和μ的复合材料，吸收机理是通过是调制媒质参数达到谐振(磁谐振或者电谐振)，从而使其与自由空间达到阻抗匹配，使反射波达到最小。从这一点上来说超材料完美吸波体类似于Dallenbach吸波体，但其具有Dallenbach吸波体所不具备的优点。
Salisbury吸波体与Dallenbach吸波体由于其结构影响，其吸波频率都局限于低频段。虽然这两种吸波体与频率选择表面吸波体在微波领域已取得了较大的成就，但对于更高的频段，如太赫兹与可见光频段，其起的作用较小。
发明内容
本发明提供了一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料。本发明利用电磁波进入次波长谐振结构会发生电谐振与磁谐振的特征，通过改变次波长谐振结构的尺寸，实现在工作频段的等效相对介电常数与等效相对磁导率的实部与虚部相等，从而实现了与空气的阻抗匹配，入射电磁波在介质层以热量的形式耗散。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
包括至少一个材料单元，每个主要由自下而上依次布置的金属铜板、下层FR-4介质、半固化片、下层方环金属铜片、上层FR-4介质和上层方环金属铜片六层材料组成，半固化片位于下层FR-4介质和上层FR-4介质之间并将下层FR-4介质和上层FR-4介质粘连在一起，下层方环金属铜片布置于固化片和上层FR-4介质的中部之间，上层方环金属铜片布置于上层FR-4介质上表面的中部，而形成双层结构，下层方环金属铜片的尺寸比上层方环金属铜片的尺寸小，双层结构对应的工作频段不同，调节谐振结构的形状与尺寸使双层结构在两个工作频段实现等效相对介电常数与等效相对磁导率具有相同的实部与虚部，从而实现与空气的完美匹配，入射电磁波的能量在介质层中转化成热能消耗吸收。
优选的，每个材料单元的长宽均为15mm，下层方环金属铜片的外正方形的边长为7.805mm，内正方形的边长为6.705mm，下层方环金属铜片的厚度为0.035mm；上层方环金属铜片的外正方形边长为14.627mm，内正方形边长为13.527mm，上层方环金属铜片的厚度为0.035mm。优选的，下层FR-4介质和上层FR-4介质的厚度分别为1mm和0.2mm，两个FR-4介质相对介电常数为4.5、损耗正切角为0.02，相对磁导率为1。优选的，半固化片2116HR厚度为0.125mm，介电常数取3.9，损耗正切角为0.013。
优选的，上层方环金属铜片的工作频段为2.4GHz，下层方环金属铜片的工作频段为5.8GHz，上层方环金属铜片和下层方环金属铜片的工作频段由两个金属铜片的尺寸与两个FR-4介质的厚度调节。
优选的，调节上层方环金属铜片和下层方环金属铜片形状与尺寸，使两金属铜片阻抗匹配。
优选的，包括多个材料单元，材料单元以阵列形式排布。
为了在双波段实现吸波效果，本发明设置两层不同工作频率的方环金属铜片，每层的方环金属铜片作为一个次波长谐振结构，对于垂直入射的电磁波，本材料单元双层结构配合能同时实现完美吸收，吸波率高达99％，接近于完全吸收，实现了对双波段频率的完美吸收。同时，本材料单元的厚度较薄，远远小于工作波长，本材料单元在厚度较薄的情况下，两层的方环金属铜片可以共同工作且互不干扰，同时实现与空气的超匹配。
本发明具有的有益效果如下：
本发明在目前已经可以实现任何频段的吸收，从微波频段至可见光频段，并且与之前提到的吸波体相比有其独有的灵活性。另外本发明与其他吸波体不同，对材料本身的性质要求不高，而是通过改变谐振结构的形状与调节周期单元的尺寸来取得想要的吸波效果。
综上，本发明结构简单、厚度较薄、吸波效率高、与空气完美匹配，可用于隐身材料以及雷达等领域。
附图说明
图1为本发明自上而下的俯视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为多个材料单元阵列排布的示意图。
图中，1.金属铜板，2.下层FR-4介质，3.半固化片，4.下层方环金属铜片，5.上层FR-4介质，6.上层方环金属铜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明包括至少一个材料单元，每个主要由自下而上依次布置的金属铜板1、下层FR-4介质2、半固化片3、下层方环金属铜片4、上层FR-4介质5和上层方环金属铜片6六层材料组成，半固化片3位于下层FR-4介质2和上层FR-4介质5之间并将下层FR-4介质2和上层FR-4介质5粘连在一起。下层方环金属铜片3布置于上层FR-4介质4中部下表面，上层方环金属铜片6布置于上层FR-4介质5中部上表面，而形成双层结构，下层方环金属铜片4的尺寸比上层方环金属铜片6的尺寸小，双层结构对应的工作频段不同，下层方环金属铜片对应较高的工作频段。调节谐振结构的形状与尺寸使双层结构在两个工作频段实现等效相对介电常数与等效相对磁导率具有相同的实部与虚部，从而实现与空气的完美匹配，入射电磁波的能量在介质层中转化成热能消耗吸收。
具体实施中，如图3所示，本发明还可以包括多个材料单元，材料单元以阵列形式排布。
本发明的工作原理为：本发明利用次波长谐振结构在某些特定频段内会同时出现电谐振与磁谐振的特性，通过分别调节两个次谐振波长谐振结构的形状与尺寸，即可使该结构在两个工作频段内的等效相对介电常数与等效相对磁导率具有相等的实部与虚部，从而在两个频段实现与空气的超匹配，其中通过的能量在介质层以热量消耗吸收，这样就使得电磁波被完全吸收。
所述双波段超匹配吸波材料接收垂直入射的电磁波，即电磁波从垂直于上层方环金属铜片6表面方向入射。当电磁波自上而下垂直入射到材料单元上，电磁波依次经过上层方环金属铜片6和下层方环金属铜片4，双层方环金属铜片4、6分别会产生不同的电谐振与磁谐振，使得材料单元可以等效为均匀介质。
等效的相对介电常数ε(ω)与相对磁导率μ(ω)可以表示为：ε(ω)＝ε′(ω)+ε″(ω)和μ(ω)＝μ′(ω)+iμ″(ω)，其中ε′与μ′分别代表吸波材料在外加电磁场的作用下产生的极化或者磁化程度的现象；ε″与μ″分别代表了电损耗与磁损耗，i表示虚部。对于吸波材料来说，为了在基层较薄的情况下取得较好的吸波效果，ε″与μ″虚数应该接近或者大于15。
改变两个方环金属铜片4、6的尺寸，使该金属单元结构在两个频率(f1，f2)上分别达到阻抗匹配，即
ε1(ω1)＝ε′1(ω1)+ε″1(ω1)＝μ1(ω1)＝μ′1(ω1)+iμ″1(ω1)
ε2(ω2)＝ε′2(ω2)+ε″2(ω2)＝μ2(ω2)＝μ′2(ω2)+iμ″2(ω2)
其中ε1(ω1)与μ1(ω1)为在频率f1处材料的等效相对介电常数与等效相对磁导率，ε2(ω2)与μ2(ω2)为在频率f2处材料的等效相对介电常数与等效相对磁导率。
通过调节下层、上层方环金属铜片4、6的尺寸，即可实现在两个频率工作的方环金属铜片4、6的等效相对介电常数与等效相对磁导率相等，即可使该结构在两个工作频段内的等效相对介电常数与等效相对磁导率具有相等的实部与虚部，从而在两个频段实现与空气的阻抗匹配，其中通过的能量在介质层以热量消耗吸收，这样就使得电磁波被完全吸收。
本发明的具体实施例如下：
如图3所示，本发明以长宽a＝15mm的材料单元得到阵列排布的吸波材料。
本实施例中，上层方环金属铜片6的工作频段为2.4GHz，下层方环金属铜片4的工作频段为5.8GHz，工作波长为125mm与51.7mm，上层方环金属铜片6和下层方环金属铜片4的工作频段根据工作波长由两个金属铜片的尺寸与两个FR-4介质的厚度调节。调节上层方环金属铜片6和下层方环金属铜片4形状与尺寸来使两金属铜片阻抗匹配。
下层方环金属铜片4的外正方形的边长为7.805mm，内正方形的边长为b2＝6.705mm，下层方环金属铜片4的厚度为0.035mm；上层方环金属铜片6的外正方形边长为14.627mm，内正方形边长为b1＝13.527mm，上层方环金属铜片6的厚度为0.035mm。下层方环金属铜片4的中心与上层方环金属铜片6的中心横纵坐标相同。如图2所示，a＝15mm，b1＝13.527mm，c1＝0.55mm，d1＝0.2mm；b2＝6.705mm，c2＝0.55mm，d2＝1mm；e＝0.125mm。
下层FR-4介质2和上层FR-4介质5的厚度分别为1mm和0.2mm，两个FR-4介质相对介电常数为4.5、损耗正切角为0.02，相对磁导率为1，两个介质板2、5的主要作用为支撑方环金属铜片以及将入射的电磁波转化成热量消耗。
实验结果表明，该吸波材料在2.396GHz处吸波率高达99.995％，在5.809GHz处吸波率达到了99.946％，都接进去完全吸收。而本材料的厚度仅有1.325mm，远远小于工作波长，具有厚度较薄的优点。
本发明在2.4GHz与5.8GHz这两个频段具有非常良好的吸波效果，如果使本发明在其他频率工作，则需要根据工作波长适当调整下层、上层方环金属铜片4、6的尺寸与两个FR-4介质2、5的厚度。但不可避免的就是高、低频段所需要的材料性质可能不同。最重要的是，所有波段的设计理念都相同，即通过调节等效介电常数与等效磁导率来达到阻抗匹配，使ε＝μ。
以上的实施例并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料，其特征在于包括至少一个材料单元，每个主要由自下而上依次布置的金属铜板(1)、下层FR-4介质(2)、半固化片(3)、下层方环金属铜片(4)、上层FR-4介质(5)和上层方环金属铜片(6)六层材料组成，半固化片(3)位于下层FR-4介质(2)和上层FR-4介质(5)之间并将下层FR-4介质(2)和上层FR-4介质(5)粘连在一起，下层方环金属铜片(4)布置于固化片(3)和上层FR-4介质(5)的中部之间，上层方环金属铜片(6)布置于上层FR-4介质(5)上表面的中部，而形成双层结构，下层方环金属铜片(4)的尺寸比上层方环金属铜片(6)的尺寸小，双层结构对应的工作频段不同，调节谐振结构的形状与尺寸使双层结构在两个工作频段实现等效相对介电常数与等效相对磁导率具有相同的实部与虚部，从而实现与空气的完美匹配，入射电磁波的能量在介质层中转化成热能消耗吸收。
2.根据权利要求1所述的一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料，其特征在于：
所述的每个材料单元的长宽均为15mm，下层方环金属铜片(4)的外正方形的边长为7.805mm，内正方形的边长为6.705mm，下层方环金属铜片(4)的厚度为0.035mm；上层方环金属铜片(6)的外正方形边长为14.627mm，内正方形边长为13.527mm，上层方环金属铜片(6)的厚度为0.035mm。
3.根据权利要求2所述的一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料，其特征在于：所述的下层FR-4介质(2)和上层FR-4介质(5)的厚度分别为1mm和0.2mm，两个FR-4介质相对介电常数为4.5、损耗正切角为0.02，相对磁导率为1；半固化片2116HR厚度为0.125mm，介电常数为3.9，损耗正切角为0.013。
4.根据权利要求1所述的一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料，其特征在于：上层方环金属铜片(6)的工作频段为2.4GHz，下层方环金属铜片(4)的工作频段为5.8GHz，上层方环金属铜片(6)和下层方环金属铜片(4)的工作频段由两个金属铜片的尺寸与两个FR-4介质的厚度调节。
5.根据权利要求1所述的一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料，其特征在于：调节上层方环金属铜片(6)和下层方环金属铜片(4)形状与尺寸，使两金属铜片阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料，其特征在于：包括多个材料单元，材料单元以阵列形式排布。
CN201811518468.4A 2018-12-12 2018-12-12 一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料 Pending CN109546352A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811518468.4A CN109546352A (zh) 2018-12-12 2018-12-12 一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811518468.4A CN109546352A (zh) 2018-12-12 2018-12-12 一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109546352A true CN109546352A (zh) 2019-03-29

Family

ID=65855197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811518468.4A Pending CN109546352A (zh) 2018-12-12 2018-12-12 一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109546352A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112821085A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 中南大学 一种基于afss的多频段可调谐宽带吸波体
CN113394569A (zh) * 2021-06-30 2021-09-14 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种应用于车载雷达测试环境的低剖面双频段吸波表面及其制作方法
CN113644444A (zh) * 2021-07-11 2021-11-12 南京理工大学 一种宽带毫米波超表面天线

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102026531A (zh) * 2010-12-22 2011-04-20 浙江大学 利用片状十字形金属单元结构构成的超匹配吸波材料
CN203708751U (zh) * 2013-10-18 2014-07-09 深圳光启创新技术有限公司 吸波超材料
US20170040711A1 (en) * 2015-07-07 2017-02-09 Cohere Technologies, Inc. Inconspicuous multi-directional antenna system configured for multiple polarization modes
CN106785477A (zh) * 2017-03-18 2017-05-31 电子科技大学 一种双频宽带吸波器
CN107394414A (zh) * 2017-07-18 2017-11-24 东南大学 基于双层磁介质实现低频段带宽展宽的吸波器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102026531A (zh) * 2010-12-22 2011-04-20 浙江大学 利用片状十字形金属单元结构构成的超匹配吸波材料
CN203708751U (zh) * 2013-10-18 2014-07-09 深圳光启创新技术有限公司 吸波超材料
US20170040711A1 (en) * 2015-07-07 2017-02-09 Cohere Technologies, Inc. Inconspicuous multi-directional antenna system configured for multiple polarization modes
CN106785477A (zh) * 2017-03-18 2017-05-31 电子科技大学 一种双频宽带吸波器
CN107394414A (zh) * 2017-07-18 2017-11-24 东南大学 基于双层磁介质实现低频段带宽展宽的吸波器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
万东: "多层复合宽带吸波结构的设计与制备", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
刘朝阳: "基于电磁超材料的太赫兹功能器件研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112821085A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 中南大学 一种基于afss的多频段可调谐宽带吸波体
CN113394569A (zh) * 2021-06-30 2021-09-14 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种应用于车载雷达测试环境的低剖面双频段吸波表面及其制作方法
CN113644444A (zh) * 2021-07-11 2021-11-12 南京理工大学 一种宽带毫米波超表面天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xiong et al. An ultrathin and broadband metamaterial absorber using multi-layer structures
CN106058483B (zh) 极化稳定的宽频带吸波材料
CN109546352A (zh) 一种由次波长谐振结构构成的双波段超匹配吸波材料
CN103700951A (zh) 复合介质双层fss结构srr金属层超轻薄吸波材料
CN103943967B (zh) 超薄型金属电阻复合多频吸波材料
CN109167181A (zh) 一种图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构
Costa et al. Electromagnetic Absorbers based on High-Impedance Surfaces: From ultra-narrowband to ultra-wideband absorption
CN109921192A (zh) 一种低频透波高频宽带吸波的频选装置
CN103647152B (zh) 一种宽带极化不敏感的超材料吸波体
CN105098374B (zh) 一种超宽带的电磁吸波结构
CN107093804A (zh) 一种加载水滴的新型宽带可调人工电磁吸波超材料
CN109742554B (zh) 一种双频Ku波段圆极化敏感吸波器
CN109830810A (zh) 一种宽带超薄微波吸波超材料
CN103682672A (zh) 基于频率选择表面的超轻薄宽带吸波材料
CN109560390A (zh) 一种金属电阻复合多层多频宽频吸波材料
CN102354811A (zh) 利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩
CN206236783U (zh) 一种天线和无线路由器
CN110416742A (zh) 一种轻薄宽频吸波超材料的设计
CN107342462A (zh) 具有隐身特性的阵列天线
CN106785468A (zh) 一种吸波‑透波一体化超材料
CN107706538A (zh) 一种耗散型宽频带吸波fss结构及制备方法
CN102931495B (zh) 一种单频/双频电磁超介质吸波材料
CN104347952A (zh) 超材料及天线
Ma et al. Ultra-wideband metamaterial absorber using three-layer ring and patch resonators
CN110429389A (zh) 一种吸波结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190329

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication