CN110212308B - 一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其结构包括底层金属反射板，以及金属板上方的多层结构，所述多层结构，包括两层介质基板、每层介质基板上方涂覆有高阻表面的谐振单元以及每层谐振单元上方的玻璃容器。容器之间通过圆柱玻璃腔连接，且各容器可容纳液体体积和液态金属体积相等。该吸波器对于TE极化波和TM极化波都有很好的吸收效果，通过在介质基板上方的谐振单元涂覆高阻表面，可以实现吸波器的超宽带吸收，并通过翻转该吸波器，在重力场的作用下，液态金属汞在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，从而实现吸波器吸收频域的动态调控，工作频域可动态覆盖多个工作频段。该吸波器具有频带覆盖范围宽，应用范围广，调控手段便捷，设计灵活，功能性强等特点。

Description

一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器

技术领域

本发明涉及一种超宽带吸波器，尤其是一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，属于液态金属汞实用技术和可重构微波器件技术领域。

背景技术

电磁超材料作为一种新兴的人工电磁材料或复合结构，由亚波长单元结构周期性排列组合而成，通过在结构上对电磁超材料进行有序的设计，可以实现对入射电磁波的控制，从而实现自然界中的物质所不具备的异常物理特性，随着近年来科学技术的发展以及对超材料研究的不断深入，人们对超材料的探索也从最初的负折射率扩展到光学完美吸收、亚波长成像、开关效应等诸多应用，超材料的研究频域也从之前单一的微波波段拓展到太赫兹、近红外、远红外和可见光波段。此外，超材料也逐渐朝着平面化、可调谐、柔性等多功能方向发展。

超材料吸波器，是电磁超材料研究领域中迅速发展的一个重要分支，在电磁兼容、隐身技术、消除电磁干扰等方面有着光明的前景，由于其可以产生一些奇特的物理特性，引起了人们的广泛关注，超材料吸波器一般由谐振单元和介质基板构成，通过结构本身对入射电磁波的损耗实现吸波，把电磁波转化成其他形式的能量消耗掉，从而吸收电磁波。随着超材料吸波器研究的进一步深入，可调谐的吸波器越来越受到研究者的重视，研究发现，电磁特性可以动态调谐的超材料可用于某些特定频率的领域，而且在传感、调制、频率选择及窄带滤波等许多应用中也得到了很好的发展。然而，传统意义上的超材料吸波器很难得到可调谐的宽带吸收频谱，同时可调谐的超材料吸波器的调控手段较为复杂，且可能调控精度不够准确。重力场调控作为一种非接触式的新型调控手段，仅需旋转该吸波器，使得容器中液体的位置发生改变，吸收频域和吸收强度均可发生明显改变，以一种较为便捷的方式实现了吸波器的可调谐吸收。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，通过在介质基板上的部分谐振单元表面涂覆高阻表面，从而实现吸波器的超宽带吸收，并通过翻转该吸波器，在重力场的作用下，液态金属汞在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，以此来实现吸波器的可调谐吸收。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，包括置于底层的金属反射板，所述金属反射板上方具有多层结构；所述多层结构包括两层介质基板，介质基板是具有较大损耗角正切的FR-4，每层介质基板上方包括涂覆有高阻表面的谐振单元及各层谐振单元上方的玻璃容器，第一层谐振单元由一个圆环形谐振单元及其中心的圆形谐振单元构成，第一层谐振单元上层设有一个圆环形容器和一个内部形封装液态金属的方形容器，两者通过圆柱玻璃腔连接；第二层谐振单元由两个圆环形谐振单元组成，第二层谐振单元上方设有一个正方形容器，所述正方形容器通过圆柱玻璃腔与下层方形容器相连接，通过翻转该吸波器，在重力场的作用下，液态金属汞在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，从而实现吸波器吸收频域的动态调控。

本发明的进一步限定技术方案为：所述吸波器有具三种工作状态，

当吸波器未翻转时，第一层玻璃容器中，方形容器位于圆环形容器下方，此时，液态金属充满于方形容器中，圆环形容器及第二层正方形容器是空的；

当吸波器通过在xoy面翻转后，第一层玻璃容器中，圆环形容器位于方形容器下方，在重力场作用下，液态金属由方形容器流入且充满圆环形玻璃容器中，此时，方形容器及第二层正方形容器是空的；

当吸波器通过在yoz面翻转后，第二层正方形玻璃容器位于第一层下方，在重力场的作用下，液态金属由第一层的方形容器流入且充满第二层的正方形容器中，此时，第一层方形容器及圆环形容器均为空的；

所述调控方式通过翻转该吸波器实现，在重力场的作用下，液态金属在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，以非接触式的方式实现吸波器吸收频域的动态调控。

进一步的，所述第一层谐振单元的圆环谐振单元内径为7mm，外径为10mm，环中心的圆形谐振单元半径为4mm。

进一步的，所述第二层谐振单元的外层圆环谐振单元外径为12mm，内径为10mm，内层圆环谐振单元外径为6mm，内径为4mm。

进一步的，所述第一层方形容器的长为24mm，宽为6.8mm，厚度为4.53mm，圆环形容器的外径为8.2mm，内径为2.8mm，厚度为4.0101mm，第二层正方形容器的边长为24mm，厚度为1.52mm，所述各容器壁的厚度均为e＝0.2mm，各容器可容纳液态金属的体积相等。

进一步的，所述第一层圆环形容器和方形容器，以及第一层的方形容器和第二层的正方形容器均通过一个直径为1mm，容器壁厚度为0.2mm的圆柱玻璃腔连通，通过翻转的形式，可以实现液态金属汞在各容器中进行转移的目的。

进一步的，第一层和第二层谐振单元上涂覆的高阻表面均为导电碳浆，第一层导电碳浆的方阻为300ohm/sq，第二层导电碳浆的方阻为400ohm/sq。

进一步的，第一层介质基板的厚度为2.6mm，第二层介质基板的厚度为0.5mm。

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)本发明基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，通过在介质基板上的部分谐振单元表面涂覆高阻表面，从而实现吸波器的超宽带吸收。

(2)本发明基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，通过翻转该吸波器可以实现三种不同的吸收状态，以获得可调谐的吸收频谱。

(3)本发明可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，具有频带覆盖范围宽，应用范围广，调控手段便捷，设计灵活，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为本发明的吸波器的第一层结构单元图。

图2为本发明的吸波器的第二层结构单元图。

图3为本发明的吸波器的第一层结构单元示意图。

图4为本发明的吸波器的第二层结构单元示意图。

图5为本发明的吸波器的玻璃容器结构单元正视图。

图6为本发明的吸波器的玻璃容器结构单元侧视图。

图7为本发明的吸波器的侧视图。

图8为本发明的吸波器的状态一玻璃容器结构单元图。

图9为本发明的吸波器的状态一玻璃容器侧视图。

图10为本发明的吸波器的状态二玻璃容器结构单元图。

图11为本发明的吸波器的状态二玻璃容器侧视图。

图12为本发明的吸波器的状态三玻璃容器结构单元图。

图13为本发明的吸波器的状态三玻璃容器侧视图。

图14为本发明的吸波器的单元阵列(3×3)图。

图15为本发明的吸波器电磁波垂直入射时状态一的吸收曲线。

图16为本发明的吸波器电磁波垂直入射时状态二的吸收曲线。

图17为本发明的吸波器电磁波垂直入射时状态三的吸收曲线。

附图标记解释：1-第一层谐振单元，2-第二层谐振单元，3-第一层介质基板，4-第二层介质基板，5-第一层圆环形玻璃容器，6-第一层方形玻璃容器，7-第二层正方形玻璃容器，8-底层金属反射板，9、10-圆柱玻璃腔，11-液态金属汞。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，可以通过在介质基板上的部分谐振单元表面涂覆导电碳浆达到拓宽吸波器吸收带宽的目的，从而实现吸波器的超宽带吸收，并通过翻转该吸波器，在重力场的作用下，液态金属汞在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，实现对吸波器吸收性能的动态调控。所述的超材料吸波器由结构单元周期排列而成。

本实施例提出的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其结构如图1至14所示，由底层反射板8、第一层和第二层介质基板3、4，第一层和第二层介质基板上的涂覆高阻表面的谐振单元1、2，第一层圆环形容器5和方形容器6，第二层正方形容器7，连接各容器的圆柱玻璃腔体9、10以及液态金属汞11组成。

该发明基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，该吸波器可以通过翻转的方式，在重力场的作用下，使液态金属汞在第一层方形容器、圆环形容器和第二层正方形容器之间流动，由于第一层方形容器6、圆环形容器5、和第二层正方形容器7内部总体积相等，通过翻转该吸波器，液态金属恰好能充满对应的容器，从而产生三种工作状态：状态一其结构单元包括底层金属反射板8，介质基板3、4和涂覆高阻表面的谐振单元1、2，圆环形容器5、方形容器6和正方形容器7以及充满方形容器6的液态金属汞11，其玻璃容器以及液态金属的结构示意图如图8、9所示；状态二其结构单元包括底层金属反射板8，介质基板3、4和涂覆高阻表面的谐振单元1、2，圆环形容器5、方形容器6和正方形容器7以及充满圆环形容器5的液态金属汞11，其玻璃容器以及液态金属的结构示意图如图10、11所示；状态三其结构单元包括底层金属反射板8，介质基板3、4和涂覆高阻表面的谐振单元1、2，圆环形容器5、方形容器6和正方形容器7以及充满正方形容器7的液态金属汞11，其玻璃容器以及液态金属的结构示意图如图12、13所示。

所述涂覆的高阻表面为导电碳浆，可以只涂覆谐振单元的某一些部分，也可以对谐振单元全部涂覆，每层谐振单元涂覆的导电碳浆方阻不同，第一层导电碳浆的方阻为300ohm/sq，第二层导电碳浆的方阻为400ohm/sq。

本发明基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器的产生方法，当电磁波沿-z方向入射时，该吸波器的状态一吸收是由充满液态汞的方形容器6和涂覆高阻表面的谐振单元1、2引起的，此时圆环形容器5和正方形容器7是空的，底层是完整的金属板，用于全反射；该吸波器的状态二吸收是由充满液态汞的圆环形容器5和涂覆高阻表面的谐振单元1、2引起的，此时方形容器6和正方形容器7是空的，底层是完整的金属板，用于全反射；该吸波器的状态三吸收是由充满液态汞的正方形容器7和涂覆高阻表面的谐振单元1、2引起的，此时方形容器6和圆环形容器5是空的，底层是完整的金属板，用于全反射。

该发明基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器在能够实现超宽带吸收的同时，灵活使用重力场改变液态金属汞的位置，实现工作频带可调谐的目的。

该液态金属为汞，所述玻璃容器和玻璃腔材料为玻璃，相对介电常数为4.82。

该吸波器的反射板，在不同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。

所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，第一层谐振单元由一个圆环谐振单元和环中心的圆形谐振单元构成，圆环谐振单元内径为7mm，外径为10mm，环中心的圆形谐振单元半径为4mm，第二层谐振单元由两个圆环谐振单元组成，外层圆环外径为12mm，内径为10mm，内层圆环外径为6mm，内径为4mm，第一层玻璃容器由一个圆环形容器和一个方形容器组成，所述的第一层方形容器的长为24mm，宽为6.8mm，厚度为4.53mm，圆环形容器的外径为8.2mm，内径为2.8mm，厚度为4.0101mm，第二层玻璃容器为正方形玻璃容器，所述正方形容器的边长为24mm，厚度为1.52mm，所述各容器壁的厚度均为e＝0.2mm，各容器可容纳液态金属的体积相等，所述第一层的圆环形容器和方形容器，以及第一层的方形容器和第二层的正方形容器均通过一个直径为1mm，容器壁厚度为0.2mm的圆柱玻璃腔连通，该吸波器的相关参数如表1所示。

表1吸波器的相关参数

参数	h<sub>1</sub>	h<sub>2</sub>	k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>	k<sub>3</sub>	w	w<sub>1</sub>
								数值(mm)	2.6	0.5	4.53	4.0101	1.52	0.1	0.25
参数	e	r<sub>1</sub>	r<sub>2</sub>	r<sub>3</sub>	r<sub>4</sub>	r<sub>5</sub>	r<sub>6</sub>
								数值(mm)	0.2	4	7	10	4	6	10
参数	r<sub>7</sub>	r<sub>8</sub>	r<sub>9</sub>	c	l	d
								数值(mm)	12	2.8	8.2	6.8	24	1
参数	R<sub>1</sub>	R<sub>2</sub>
								数值(Ω)	300	400

如图15、图16和图17所示，是该吸波器在三种状态工作时的吸收曲线，工作时电磁波沿-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)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。图15该吸波器状态一(吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的)的吸收曲线，该吸波器在TE模式下工作时，在频带1.49-56.2GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，其相对带宽达到189.66％，而且具有四个较高的吸收峰，分别位于4.32GHz、17.56GHz、25.14GHz和45.21GHz，其吸收率分别为99.51％、99.74％、99.98％和99.9％；该吸波器在TM模式下工作时，在频带1.49-56.2GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，其相对带宽达到168.42％，而且具有五个较高的吸收峰，分别位于0.75GHz、8.02GHz、16.3GHz、28.21GHz和45.22GHz，其吸收率分别为98.23％、99.37％、99.99％、99.16％和99.69％。图16是该吸波器状态二(吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的)的吸收曲线，该吸波器在TE模式下工作时，在频带1.36-46.49GHz和频带48.76-53.71GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，而且具有四个较高的吸收峰，分别位于2.6GHz、15.37GHz、26.36GHz和41.05GHz，其吸收率分别为99.78％、99.91％、99.98％和99.63％；该吸波器在TM模式下工作时，在频带1.36-46.49GHz和频带49.48-54.07GHz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，而且具有四个较高的吸收峰，分别位于2.68GHz、15.63GHz、26.18GHz和41.11GHz，其吸收率分别为99.82％、99.94％、99.99％和99.99％。图17该吸波器状态三(吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的)的吸收曲线，该吸波器在TE模式和TM模式下工作时，在频带2.3-35GHz内吸收率低于1.85％，入射波损耗极小。因此，我们可以根据实际需求来选择工作状态，通过翻转该吸波器，实现对该吸波器吸收性能的可调控性。

在经过特定设计后，本发明可以实现吸波器的宽带可调谐吸收，主要吸收都是由涂覆高阻表面的谐振单元和充满液态金属汞的容器单元引起的，可以通过翻折的方式来利用重力场，使得液态金属在玻璃腔内改变位置和形状，从而实现该吸波器吸收的动态调控。可以在较小的物理尺寸下实现对电磁波的超宽带吸收，本发明具有应用范围广，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。

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 (8)

1.一种基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：包括置于底层的金属反射板，所述金属反射板上方具有多层结构；

所述多层结构包括两层介质基板，介质基板是具有损耗角正切的FR-4，每层介质基板上方包括涂覆有高阻表面的谐振单元及各层谐振单元上方的玻璃容器，第一层谐振单元由一个圆环形谐振单元及其中心的圆形谐振单元构成，第一层谐振单元上层设有一个圆环形容器和一个内部形封装液态金属汞的方形容器，两者通过圆柱玻璃腔连接；第二层谐振单元由两个圆环形谐振单元组成，第二层谐振单元上方设有一个正方形容器，所述正方形容器通过圆柱玻璃腔与下层方形容器相连接，通过翻转该吸波器，在重力场的作用下，液态金属汞在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，从而实现吸波器吸收频域的动态调控。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：所述吸波器有具三种工作状态，

当吸波器未翻转时，第一层玻璃容器中，方形容器位于圆环形容器下方，此时，液态金属汞充满于方形容器中，圆环形容器及第二层正方形容器是空的；

当吸波器通过在xoy面翻转后，第一层玻璃容器中，圆环形容器位于方形容器下方，在重力场作用下，液态金属汞由方形容器流入且充满圆环形玻璃容器中，此时，方形容器及第二层正方形容器是空的；

当吸波器通过在yoz面翻转后，第二层正方形玻璃容器位于第一层下方，在重力场的作用下，液态金属汞由第一层的方形容器流入且充满第二层的正方形容器中，此时，第一层方形容器及圆环形容器均为空的；

所述吸波器的调控方式通过翻转该吸波器实现，在重力场的作用下，液态金属汞在容器内会发生转移从而形成不同的谐振单元，以非接触式的方式实现吸波器吸收频域的动态调控。

3.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：所述第一层谐振单元的圆环谐振单元内径为7mm，外径为10mm，环中心的圆形谐振单元半径为4mm。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：所述第二层谐振单元的外层圆环谐振单元外径为12mm，内径为10mm，内层圆环谐振单元外径为6mm，内径为4mm。

5.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：所述第一层方形容器的长为24mm，宽为6.8mm，厚度为4.53mm，圆环形容器的外径为8.2mm，内径为2.8mm，厚度为4.0101mm，第二层正方形容器的边长为24mm，厚度为1.52mm，各容器壁的厚度均为e＝0.2mm，各容器可容纳液态金属汞的体积相等。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：所述第一层圆环形容器和方形容器，以及第一层的方形容器和第二层的正方形容器均通过一个直径为1mm，容器壁厚度为0.2mm的圆柱玻璃腔连通，通过翻转的形式，可以实现液态金属汞在各容器中进行转移的目的。

7.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：第一层和第二层谐振单元上涂覆的高阻表面均为导电碳浆，第一层导电碳浆的方阻为300ohm/sq，第二层导电碳浆的方阻为400ohm/sq。

8.根据权利要求1所述的基于液态金属的重力场可调谐超宽带吸波器，其特征在于：第一层介质基板的厚度为2.6mm，第二层介质基板的厚度为0.5mm。

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