CN110289499B

CN110289499B - 一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器

Info

Publication number: CN110289499B
Application number: CN201910116390.1A
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 马宇; 刘婷; 李文煜
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: CN110289499A

Abstract

本发明公开了一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，通过使用不同碰撞频率的固态等离子体和铅玻璃组成的多层结构序列，实现了相对带宽为61.4%的超宽带单向吸收。该结构为八层，由两种固态等离子体按特定顺序排列，且每层的大小形状相同，都为长方体。每个长方体中轴线上都被挖掉一个小长方体，并在其中填充形状为圆柱体的铅玻璃。长方体的边缘被挖掉四个对称的空心圆柱体，铅玻璃的四周被挖掉四个对称的更小的长方体。本发明通过编程控制方式可实现对每层固态等离子体的频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。并且通过挖槽的方法减少了材料的使用。

Description

一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器

技术领域

本发明涉及一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，属于微波器件技术、射频系统前端技术和等离子体实用技术等领域。

背景技术

电磁吸波材料是指能有效吸收入射电磁波从而使目标回波强度显著衰减的一类功能材料，它的出现源于军事目标的雷达隐身需求。电磁吸波材料作为一种有效的隐身手段已经成为当今世界各国重点开发的军事高新技术之一，同时在无线电通讯、电磁兼容与屏蔽，微波辐射防护等民用方面也有着十分广泛的应用前景。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。随着相关领域研究工作的逐渐深入，传统吸波材料性能的提升空间越来越小，而超材料的出现及快速发展为电磁吸波材料的突破提供了一个新契机。电磁超材料能够产生一些十分有趣的物理现象，如负折射、“完美”成像和“隐身衣”等。通过构建周期性的亚波长尺度的超材料基本单元结构就能得到物理尺度较小的吸波器结构。等离子体不仅可以看作为一种超材料，而且还能看作为一种非线性介质，尤其等离子体在外加磁场的条件下不仅能够体现出很强的各向异性，而且其复杂的磁光效应能够使其构成的结构能够用于设计有用的非互易、或单向功能性器件。但这往往需要静态偏置磁场，所以结构显得庞大、笨重。

在本发明中，设计了一种特定的序列结构，该结构仅用固态等离子体和铅玻璃实现，仅仅通过调控每一层等离子体的碰撞频率来实现不同的介质排布，相比于传统几种材料的拼接以及外加磁场实现单向吸收，这种结构加工制作方便，可用一整块等离子体去实现，不需要外加磁场偏置。通过编程控制的方式可实现对每层固态等离子体层激励电压的控制，以实现对每层固态等离子体层的等离子体频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。并且可以对结构进行挖孔，节省原材料。

发明内容

本发明提出了一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，使入射电磁波以51°通过该结构时实现了相对带宽为61.4% 的超宽带单向吸收。本发明的优势是仅用整块等离子体和铅玻璃实现，加工制作方便，且通过挖槽的方式节省原料，又能达到一定的单向吸收效果。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，由多层固态等离子体结构组成，所述多层固态等离子体机构由八层大小形状相同的长方体结构相互贴合而成，所述长方体结构由碰撞频率不同的固态等离子体和铅玻璃按顺序排列；各长方体结构沿其中轴线上均挖有大小相同的长方体槽，所述长方体槽中填充有圆柱体状的铅玻璃，所述长方体槽的四边对称挖有小长方体结构，所述各长方体结构的上下两端沿四角位置挖有相互对称的空心圆柱体结构；所述多层固态等离子体的序列顺序是第一、四、六、七层为碰撞频率为25.56×π×1010 rad/s的第一种固态等离子体，第二、三、五、八层为撞频率为28.4×π×107 rad/的第二种固态等离子体，两种固态等离子体的频率都为28.4×π×1010 rad/s，通过不同碰撞频率的固态等离子体组成特定结构序列，实现了相对带宽为61.4% 的超宽带单向吸收。

由于传统方式是通过超材料层与介质层组成的多层结构实现单向吸收，需要一定的温度和磁场条件。本发明的优势是仅采用整块固态等离子体和结构中轴线上的介质圆柱体实现超宽带的单向吸收，制作方便，通过编程控制方式可实现对每层固态等离子体的频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。并且通过挖槽的方法减少了材料的使用。

进一步的，所述每层长方体的高为1.8mm，长和宽为2mm。

进一步的，所述每层长方体中轴线上被挖掉的小长方体的高度为1.8mm，长和宽为0.6mm。

进一步的，所述每层填充的圆柱体铅玻璃的半径为0.2mm，高度为1.8mm，铅玻璃的介电常数为6。

进一步的，所述长方体层的边缘被挖掉四个对称的空心圆柱体，其圆心的平面坐标分别为(0.6, 0.6)、(-0.6, 0.6)、(-0.6, -0.6)、(0.6, -0.6)，其外半径为0.2mm，内半径为0.13mm，空心圆柱体的高为1.8mm。

进一步的，所述铅玻璃圆柱体的四周被挖掉四个对称的更小的长方体，其长和宽都为0.15mm，高为1.8mm。其平面起始位置坐标分别为(0.425，-0.075)、(-0.075，0.425)、(-0.575，-0.075)、(-0.075，-0.575)。

进一步的，当电磁波的入射角度为51°通过该多层结构时，可以产生带宽为20.8GHz，相对带宽为61.4%的超宽带单向吸收。。

进一步的，通过编程控制的方式可实现对每层固态等离子体层激励电压的控制，以实现对每层固态等离子体层的等离子体频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

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）本发明设计了特定的结构，并且仅用整块固态等离子体和铅玻璃实

现，加工制作方便，不需要涉及复杂的技术，以及提供外加磁场去产生单向吸收，仅用本发明设计的八层结构就能产生超宽带的单向吸收。

（2）本发明可以通过挖孔的方式节省材料，达到一定的单向吸收效果，

并且还可调节单向吸收的频率范围。

（3）本发明可以通过编程控制的方式来实现对每层固态等离子体层激励电压的控制，以实现对每层固态等离子体层的等离子体频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

（4）本发明还可以改变固态等离子体层的尺寸，可以实现在THz频段实现类似功能的单向吸收吸波器的设计，具有通用性和普适性好的特点。

附图说明

图1为基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器的结构示意图，其中，（a）为整体示意图，（b）为单层结构示意图；

图2为基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器的单层结构俯视图；

图3为基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器的单层结构侧视图；

图4为当入射电磁波以51°入射，等离子体频率为28.4×π×10¹⁰ rad/s时，多层结构单向吸收吸波器的反射率和透射率曲线。

图5为当入射电磁波以51°入射，等离子体频率为28.4×π×10¹⁰ rad/s时，多层结构单向吸收吸波器的吸收率曲线。

图6为当入射电磁波以51°入射，等离子体频率为20×π×10¹⁰ rad/s时，多层结构单向吸收吸波器的反射率和透射率曲线。

图7为当入射电磁波以51°入射，等离子体频率为20×π×10¹⁰ rad/s时，多层结构单向吸收吸波器的吸收率曲线。

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多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器。如图1至图3所示，多层结构由八层固态等离子体实现，且每层的大小形状相同，都为长方体。每层长方体的高为1.8mm，长和宽为2mm。每层长方体中轴线上被挖掉一个小长方体，其高度为1.8mm，长和宽为0.6mm。被挖掉的小长方体中填充有铅玻璃圆柱体，其半径为0.2mm，高度为1.8mm，铅玻璃的介电常数为6。长方体层的边缘被挖掉有四个对称的空心圆柱体，其圆心的平面坐标分别为(0.6, 0.6)、(-0.6, 0.6)、(-0.6, -0.6)、(0.6, -0.6)，其外半径为0.2mm，内半径为0.13mm，空心圆柱体的高为1.8mm。铅玻璃圆柱体的四周被挖掉有四个对称的更小的长方体，其长和宽都为0.15mm，高为1.8mm。其平面起始位置坐标分别为(0.425，-0.075)、(-0.075，0.425)、(-0.575，-0.075)、(-0.075，-0.575)。多层结构的序列顺序是第一、四、六、七层为第一种固态等离子体，其碰撞频率为25.56×π×10¹⁰ rad/s，第二、三、五、八层为第二种固态等离子体，其撞频率为28.4×π×10⁷ rad/s，两种固态等离子体的频率都为28.4×π×10¹⁰ rad/s。当电磁波通过该结构时，由于布拉格衍射的作用将会产生吸收和反射，又因为结构的不对称性，将会产生非互易现象，在本文表现为入射电磁波的单向吸收，即从前向入射时表现出反射特性，后向入射时表现出吸收特性。

参数	<i>a</i>	<i>b</i>	<i>c</i>	<i>R1</i>	<i>R2</i>	<i>R3</i>	<i>h</i>
								参数的值（mm）	2	0.6	0.15	0.2	0.13	0.2	1.8

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

当入射电磁波以51°入射到该多层结构时，其反射率和透射率如图4所示，点划线代表的是前向传输的反射率，由图可知，随着频率的增加，前向传输的反射率基本维持在1附近，在高频段急剧变化。实线代表的是后向传输的反射率，由图可知随着入射电磁波频率的增加，反射率的值急剧减小，大致维持在0.1以下。划线和短点线分别代表前向传输和后向传输的透射率，由图可以清晰地看到两个的值都等于0，所以在本发明设计的多层结构不存在透射。图5为当入射电磁波以51°入射到该多层结构时的吸收率曲线。点划线代表的是前向传输的吸收率，由图可知其值随着频率的增加，基本维持在0.1以下不变，在高频段急剧增加。划线代表的是后向传输的吸收率，由图可知，随着频率的增加其值先急剧增加，后维持在0.9以上，大于0.9的频率范围从22.16GHz一直持续到50GHz。为了表征单向吸收的性能好坏，这里我们设定后向吸收减去前向吸收(实线曲线D)大于0.9的频率范围为单向吸收区域，图5中短点线的作用就是方便观察单向吸收区域，由图可知单向传输的频率范围为23.45GHz~44.26GHz，其带宽为20.81GHz，相对带宽为61.4%。由此可以得出，本发明设计的多层结构可以实现超宽带的单向吸收。

图6和图7为等离子体频率改变成25×π×10¹⁰ rad/s时，入射电磁波以51°入射到该结构时前向和反向的反射率、透射率和吸收率曲线，此时第一种固态等离子体的碰撞频率也相应的更改为22.5×π×10¹⁰ rad/s，第二种固态等离子体的碰撞频率更改为25×π×10⁷ rad/s。对比图4和图6可知，前向传输和后向传输的反射率整体变化的趋势相同，只是图6的曲线相比于图4向低频方向移动，前向传输和后向传输的透射率依旧为0。观察图5和图7，也可以发现单向吸收区域向低频方向移动，由图7具体可知，前向传输的吸收率大于0.9的范围是20.51GHz~50GHz，单向传输的频率范围为21.46GHz~39.12GHz，其带宽为17.66GHz，相对带宽为58.3%。由此可知，通过改变固态等离子体的频率和碰撞频率可以改变单向吸收的频带范围，如果再通过编程的方式来实现两个频率的变化，就能对单向吸波频域进行动态的调控。

由上述的结果可以得出，本发明设计的仅用不同碰撞频率的固态等离子体组成特定结构序列，实现了超宽带单向吸收。且不需要复杂加工和提供外加磁场，制作方便，通过挖槽的方式可以节省原料，又能达到一定的超宽带单向吸收效果。并且通过编程控制的方式可实现对每层固态等离子体层激励电压的控制，以实现对每层固态等离子体层的等离子体频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

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

1.一种基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：由多层固态等离子体结构组成，所述多层固态等离子体结构由八层大小形状相同的长方体结构相互贴合而成，所述长方体结构由碰撞频率不同的固态等离子体和铅玻璃按顺序排列；各长方体结构沿其中轴线上均挖有大小相同的长方体槽，所述长方体槽中填充有圆柱体状的铅玻璃，所述长方体槽的四边对称挖有小长方体结构，所述各长方体结构的上下两端沿四角位置挖有相互对称的空心圆柱体结构；

所述多层固态等离子体结构的序列顺序是第一、四、六、七层为碰撞频率为25.56×π×10¹⁰rad/s的第一种固态等离子体，第二、三、五、八层为碰撞频率为28.4×π×10⁷ rad/的第二种固态等离子体，两种固态等离子体的频率都为28.4×π×10¹⁰rad/s，当电磁波的入射角度为51°通过该多层结构时，产生带宽为20.8GHz，相对带宽为61.4%的超宽带单向吸收，实现了相对带宽为61.4% 的超宽带单向吸收。

2.根据权利要求1所述的基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：所述多层固态等离子体结构的每层长方体结构的高为1.8mm，长和宽为2mm。

3.根据权利要求1所述的基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：所述多层固态等离子体结构的每层长方体结构中轴线上被挖掉的长方体槽的高度为1.8mm，长和宽为0.6mm。

4.根据权利要求1所述的基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：所述圆柱体状的铅玻璃的半径为0.2mm，高度为1.8mm，铅玻璃的介电常数为6。

5.根据权利要求1所述的基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：所述空心圆柱体结构，其圆心的平面坐标分别为(0.6, 0.6)、(-0.6, 0.6)、(-0.6, -0.6)、(0.6, -0.6)，其外半径为0.2mm，内半径为0.13mm，空心圆柱体结构的高为1.8mm。

6.根据权利要求1所述的基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：所述小长方体结构，其长和宽都为0.15mm，高为1.8mm；其平面起始位置坐标分别为(0.425，-0.075)、(-0.075，0.425)、(-0.575，-0.075)、(-0.075，-0.575)。

7.根据权利要求1所述的基于多层固态等离子体结构的单向吸收吸波器，其特征在于：通过编程控制的方式可实现对每层固态等离子体层激励电压的控制，以实现对每层固态等离子体层的等离子体频率和碰撞频率的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。