CN109873254A

CN109873254A - 一种宽带超材料吸波器

Info

Publication number: CN109873254A
Application number: CN201910225972.3A
Authority: CN
Inventors: 田丽华; 陈晨; 武帅
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-06-11

Abstract

本发明公开一种宽带超材料吸波器，包括平面延拓的若干吸波单元；所述吸波单元包括上层金属谐振层、中间介质基板层和下层金属底板反射层，所述中间介质基板层设置于所述上层金属谐振层和下层金属底板反射层之间；所述上层金属谐振层包括N²个金属圆片，所述金属圆片以N×N的形式周期性排列在所述中间介质基板层上从而形成周期阵列；本发明在周期阵列内通过多个半径不同的金属的组合，实现不同频率吸收峰的叠加，形成宽带吸收效果。

Description

一种宽带超材料吸波器

技术领域

本发明涉及电磁波吸波技术领域，具体涉及一种宽带超材料吸波器。

背景技术

吸波结构是有效吸收投射到它表面的电磁波，显著降低目标回波强度的一类功能材料，传统吸收材料例如铁氧体、金属微粉、碳化硅、导电纤维等存在厚、重、稳定性差的等缺点，应用范围受到限制。新型超材料吸波材料的出现，克服了衍射效应给传统吸波材料带来的厚度限制，具有厚度薄、质量轻、吸收强等优点。超材料是一种由亚波长微结构单元按照一定规律排列所构成的人工材料。可以通过调节结构单元的几何形状、尺寸和分布形式来调控材料的谐振特性。超材料可以呈现天然材料所不具备的超长物理性能，即负折射率、负磁导率、负介电常数等。因此，超材料吸波材料在雷达，电磁隐身等军事领域具有极大的应用价值。

目前基于超材料的吸波材料发展迅速，一些极化不敏感、宽入射角、多频带，宽频带的吸波结构不断被提出，但对于超材料吸波器的研究，在太赫兹频段目前相对较少，太赫兹频段本身有很多应用，包括太赫兹热成像，太赫兹热辐射测量，隐身技术和无损检测得等领域。现有的超材料吸波器大多应对单一频率或者多个频率，吸波频段窄，实际应用受限。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种宽带超材料吸波器，包括平面延拓的若干吸波单元；所述吸波单元包括上层金属谐振层、中间介质基板层和下层金属底板反射层，所述中间介质基板层设置于所述上层金属谐振层和下层金属底板反射层之间；所述上层金属谐振层包括N²个金属圆片，所述金属圆片以N×N的形式周期性排列在所述中间介质基板层上从而形成周期阵列。

较佳的，所述金属圆片设置为N种不同的半径尺寸，不同尺寸的所述金属圆片沿所述周期阵列上垂直的两边缘进行周期延拓。

较佳的，相同半径的所述金属圆片在所述周期阵列内沿与所述周期阵列边缘呈45°的方向进行排列。

较佳的，相邻所述金属圆片的间隔小于入射波长。

较佳的，所述金属圆片的直径均小于相邻所述金属圆片的间隔。

较佳的，所述吸波单元满足公式：p＝N×a，其中，p为所述吸波单元的边长；N为所述周期阵列单边上的所述金属圆片个数；a为相邻所述金属圆片的间隔。

较佳的，所述上层金属结构的厚度设置为0.1μm～10μm，所述中间介质基板层的厚度设置为40μm～60μm，所述下层金属底板反射层的厚度不小于1μm。

较佳的，所述中间介质基板层采用聚酰亚胺或FR4。

较佳的，所述上层金属谐振层和所述下层金属底板反射层采用金、银、铜、铝中的一种或几种。

较佳的，所述底层金属和所述中间介质基板层连为一体，所述金属圆片之间相互隔离。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明在周期阵列内通过多个半径不同的金属谐振单元的组合，实现不同频率吸收峰的叠加，形成宽带吸收效果；2，本发明结构简单，可以大批量生产，结构限制较小，所用材料皆为常规材料，易于实现；3，本发明采用的设计方法更为灵活，可以通过调整结构尺寸与周期内单元数量实现不同吸收频带的调控。

附图说明

图1为所述吸波单元的三维结构示意图；

图2为所述吸波单元的结构主视图；

图3为所述宽带超材料吸波器的结构俯视图；

图4为本发明所述宽带超材料吸波器在正入射情况下的S11参数仿真结果图；

图5为本发明所述宽带超材料吸波器对入射不同偏振态电磁波的S11参数仿真结果图。

图中数字表示：

1-上层金属谐振层；2-中间介质基板层；3-下层金属底板反射层。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1、2、3所示，本发明所述宽带超材料吸波器包括平面延拓的若干吸波单元。图1为所述吸波单元的三维结构示意图，沿电磁波传播方向，所述吸波单元包括上层金属谐振层1、中间介质基板层2和下层金属底板反射层3，所述中间介质基板层2设置于所述上层金属谐振层1和下层金属底板反射层3之间。所述中间介质基板层2采用聚酰亚胺、FR4等损耗介质，所述上层金属谐振层1和所述下层金属底板反射层3均采用金、银、铜、铝等常见金属材料。

所述上层金属谐振层1包括N²个金属圆片(N为整数，且N≥3)，所述金属圆片以N×N的形式周期性排列在所述中间介质基板层2上从而形成周期阵列。较佳的，所述金属圆片设置为N种不同的半径尺寸，不同尺寸的所述金属圆片沿所述周期阵列上垂直的两边缘进行周期延拓。相邻所述金属圆片的间隔a小于入射波长，所述金属圆片的直径均小于相邻所述金属圆片的间隔a。每个尺寸的所述金属圆片分别在不同频率处发生谐振，通过吸收峰的叠加达到宽带吸收效果。

一般的，所述吸波单元满足公式：p＝N×a，其中，p为所述吸波单元的边长；N为所述周期阵列单边上的所述金属圆片个数；a为相邻所述金属圆片的间隔。根据设计的工作频段不同，相邻所述金属圆片间隔a的大小也相应变化。

其中，所述底层金属3和所述中间介质基板层2连为一体，而所述金属圆片之间则相互隔离，各个所述吸波单元独立工作。所述上层金属结构1的厚度h₁设置为0.1μm～10μm，所述中间介质基板层2的厚度h₂设置为40μm～60μm，所述下层金属底板反射层3的厚度h₃不小于1μm。

本发明所述宽带超材料吸波器采用金属-介质-金属三层结构，所述上层金属谐振层1形成N×N结构的共振单元周期阵列，每个所述周期阵列内的N种不同半径的所述金属圆片按照45°方向排列，从而保证在所述周期阵列内每一行每一列都是由不同半径的所述金属圆片组成，相互之间干扰降低。

本发明所述的超材料吸波器的吸收率A的计算公式为A＝1-R-T，

其中，R为反射率，T为透射率。

为了使所述吸收率A最大化，故要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的所述吸波单元中所述下层金属底板反射层3为全金属，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此所述吸收率A的计算公式可简化为A＝1-R。

与现有技术相比，本发明结构简单便于加工，可以大批量生产，结构限制较小，所用材料皆为常规材料，易于实现。本发明采用的设计方法更为灵活，可以通过调整结构尺寸与周期内单元数量实现不同吸收频带的调控。

实施例二

如图2所示，图2为所述吸波单元的结构主视图；在本实施例中，所述上层金属结构1选用材料为铜，电导率σ设置为5.8×10⁷s/m，厚度h₁设置为1μm；所述中间介质基板层2采用聚酰亚胺0，厚度h₂设置为50μm；所述下层金属底板反射层3采用光滑的铜板作为衬底，厚度h₃设置为20μm，所述下层金属底板反射层3采用金属基底可极大减小电磁波的透射，仿真计算时透射率可忽略不计。

如图3所示，图3为所述宽带超材料吸波器的结构俯视图；半径为80μm～120μm、厚度为1μm的所述金属圆片周期性排列在聚酰亚胺材质的所述中间介质基板层2上。在图3中虚线范围表示一个所述吸波单元的范围，作为优选，所述吸波单元的边长p设置为1.5mm，25个所述金属圆片以5x5形式排列，相邻所述金属圆片间隔a设置为0.3mm，即晶格常数为0.3mm。

在图3中，按半径从大到小依次设置有金属圆片I、金属圆片II、金属圆片III、金属圆片IV、金属圆片V，在每一行所述金属圆片半径从大到小分别为r₁＝0.12mm、r₂＝0.11mm、r₃＝0.10mm、r₄＝0.09mm、r₅＝0.08mm。相同半径的所述金属圆片在所述周期阵列内沿45°方向排列，从而保证在同一所述周期阵列中每一行和每一列均包含5个不同半径的所述金属圆片。

图4为电磁波垂直入射到本实施例设置的所述超材料吸波器表面的S11参数仿真结果图。从图4可以看出厚度1μm、半径分别为r₁＝0.12mm、r₂＝0.11mm、r₃＝0.10mm、r₄＝0.09mm、r₅＝0.08mm的所述金属圆片组成的周期阵列的S11参数，在太赫兹工作频段0.76THz～0.98THz中，S11小于-10dB。

一般的，基于所述吸收率A的计算公式，在整个频谱范围内透射率忽略不计，可以得出在太赫兹工作频段的吸收率大于90％，平均吸收率为94％，具有很好的吸收效果，而且本发明实现了宽带吸收。同时可以看出，通过调整所述周期阵列内所述金属圆片的半径、增加或者减少所述周期阵列内金属圆片的个数，可以实现吸收带宽的调控。

图5是本实施例以不同偏振角度入射电磁波时对应的S11参数仿真结果图。偏振角度从0°增加到90°，从图中可以看出本发明的宽带超材料吸波器在0°和90°偏振入射情况下吸收效果一致，在其它角度的偏振光入射时，平均吸收率仍然在90％以上，而且对带宽不影响，说明本发明具有偏振非依赖特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种宽带超材料吸波器，其特征在于，包括平面延拓的若干吸波单元；所述吸波单元包括上层金属谐振层、中间介质基板层和下层金属底板反射层，所述中间介质基板层设置于所述上层金属谐振层和下层金属底板反射层之间；所述上层金属谐振层包括N²个金属圆片，所述金属圆片以N×N的形式周期性排列在所述中间介质基板层上从而形成周期阵列。

2.如权利要求1所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述金属圆片设置为N种不同的半径尺寸，不同尺寸的所述金属圆片沿所述周期阵列上垂直的两边缘进行周期延拓。

3.如权利要求2所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，相同半径的所述金属圆片在所述周期阵列内沿与所述周期阵列边缘呈45°的方向进行排列。

4.如权利要求3所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，相邻所述金属圆片的间隔小于入射波长。

5.如权利要求4所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述金属圆片的直径均小于相邻所述金属圆片的间隔。

6.如权利要求5所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述吸波单元满足公式：p＝N×a，其中，p为所述吸波单元的边长；N为所述周期阵列单边上所述金属圆片的个数；a为相邻所述金属圆片的间隔。

7.如权利要求1所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层金属结构的厚度设置为0.1μm～10μm，所述中间介质基板层的厚度设置为40μm～60μm，所述下层金属底板反射层的厚度不小于1μm。

8.如权利要求1所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述中间介质基板层采用聚酰亚胺或FR4。

9.如权利要求1所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层金属谐振层和所述下层金属底板反射层采用金、银、铜、铝中的一种或几种。

10.如权利要求1所述的宽带超材料吸波器，其特征在于，所述底层金属和所述中间介质基板层连为一体，所述金属圆片之间相互隔离。