CN110402073B - 多频段微波可调吸收的超材料吸收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，旋转控制框架底座、旋转控制龙骨框架和旋转控制框架顶盖固定安装后形成上下两层框架；微波吸收器组由数个圆柱型微波吸收器组成，每个微波吸收器从旋转控制框架顶盖上的圆孔插入到对应的旋转控制框架底座孔槽中，使得一个个微波吸收器紧挨竖直一字排在空间；旋转控制旋钮通过齿条带动微波吸收器组中的每个微波吸收器同步旋转；每个微波吸收器内部设计的基于谐振环的非对称结构，并由液态或固态金属材料填充每个微波吸收器内部空余空间。装置不仅可通过旋转角度进行频率切换，还可通过改变谐振环开口的个数和位置来实现单频段和多频段的完美吸收，解决现有的超材料吸收器只能对特定频段响应的问题。

Description

多频段微波可调吸收的超材料吸收装置
技术领域
本发明涉及一种微波超材料领域，特别涉及一种多频段微波可调吸收的超材料吸收装置。
背景技术
超材料是一种人工设计制造的复合结构或复合材料，具有自然材料没有的独特性质。超材料可构造的奇异特性包括负折射现象、逆多普勒效应、完美透镜效应等，由于这些新奇特性，使得超材料在诸多领域有着很多前所未有的新应用，如在天线、相位成像、吸收器、光谱检测以及隐身技术等领域。
完美超材料吸收器由Landy等人首次提出，可对特定频率实现近乎100％的完美吸收，其单元结构包括顶层的金属谐振环，中间的介质隔离层，还有底部的窄带金属。其中底部的窄带金属可以减少器件对电磁波的透射，再通过调节顶层的金属谐振环结构和底部的窄带金属结构，使整个吸收器的表面阻抗和空气阻抗匹配，从而减少整个结构对电磁波的反射，进而实现器件对入射电磁波的完美吸收。之后，人们在此基础上对超材料吸收器进行改进，出现了单频带、双频带、三频带以及宽频带等吸收器。但这些大都只能固定吸收特定频段的电磁波，大大限制了超材料吸收器的应用领域，特别是那些需要动态切换功能的地方。后来人们又研究出频带可调的吸收器，主要通过电调、液晶控、热控、光控等方式来实现对电磁波的动态调制，但这些器件制作成本及工艺复杂度都较高。
发明内容
本发明是针对现有的超材料吸收器只能对特定频段完美响应，对多频响应成本高、工艺复杂的问题，提出了一种多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，通过简单的旋转器件角度，可实现对入射电磁波的动态调控，并且制作简单、成本低廉、操作方便。
本发明的技术方案为：一种多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，，包括旋转控制框架底座、齿条、旋转控制旋钮、旋转控制龙骨框架、旋转控制框架顶盖、旋转控制的微波吸收器组；旋转控制框架底座、旋转控制龙骨框架和旋转控制框架顶盖固定安装后形成上下两层框架；微波吸收器组由数个圆柱型微波吸收器组成，每个微波吸收器从旋转控制框架顶盖上的圆孔插入到对应的旋转控制框架底座孔槽中，使得一个个微波吸收器紧挨竖直一字排在空间；旋转控制旋钮带动齿条直线运动，齿条带动微波吸收器组中的每个微波吸收器同步旋转；每个微波吸收器内部设计有基于谐振环的非对称结构，非对称结构由一个或多个几何参数不同的开口谐振环结构组成，并由液态或固态金属材料填充入每个微波吸收器内部非对称结构中。
所述微波吸收器组与初始入射平面电磁波极化方向垂直，或将微波吸收器组转动到相对应角度以适配入射电磁波的偏振态；再通过微波吸收器组转动改变其面向入射电磁波的角度时，调整对微波的吸收频率。
所述微波吸收器组中各个微波吸收器内部谐振环非对称结构由单个或两个以上几何参数不同的开口谐振环结构组成，在微波吸收器组排列时保证每个微波吸收器中开口谐振环结构中有一个开口与其他微波吸收器内对应谐振环开口朝向保持一致。
所述微波吸收器组内部谐振环开口的数量实现对应数目的吸收频段数；谐振环腔体大小确定吸收频段位置；谐振环开口正对入射电磁波时，谐振环对电磁波吸收强度最大。
所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，当谐振环结构的数个开口同时进入入射电磁波照射范围时，可同时激活对应吸收频段。
所述微波吸收器外壳选择PLA、TPU、PMMA中的一种材料，通过3D打印的方式制作而成，打印后的空余空间形成非对称结构。
所述微波吸收器内部谐振环非对称结构用电导率大于1×104S/m/m的液态金属材料填充。
本发明的有益效果在于：本发明多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，本发明的超材料吸收器采用电磁波从介质侧面入射的方式，金属结构被很好的保护在结构内部。本发明不仅可以通过旋转角度进行频率切换，还可以通过改变谐振环开口的个数和位置来实现单频段和多频段的完美吸收，而且结构简单，可由3D打印的方法制备，易于加工且成本低廉。
附图说明
图1为本发明多频段微波可调吸收的超材料吸收装置结构示意图；
图2为本发明装置中旋转控制框架底座结构示意图；
图3为本发明装置中微波吸收器示意图；
图4为本发明搭配液态金属装填装置的微波吸收器示意图；
图5为本发明微波吸收器内部3种不同类型谐振环结构截面示意图；
图6为本发明内部仅有单开口谐振环结构在不同电磁波入射角度下的微波吸收率示意图；
图7为本发明内部仅有双开口谐振环结构不同电磁波入射角度下的微波吸收率示意图。
具体实施方式
如图1所示多频段微波可调吸收的超材料吸收装置结构示意图，包括旋转控制框架底座1、齿条2、旋转控制旋钮3、旋转控制龙骨框架4、旋转控制框架顶盖5、旋转控制的微波吸收器组6，对照如图2所示旋转控制框架底座结构示意图，旋转控制框架底座1与旋转控制框架顶盖5均为矩形板状，矩形板边一侧分别有槽口，两个两根旋转控制龙骨框架4嵌入旋转控制框架底座1与旋转控制框架顶盖5的边侧槽口，形成上下两层框架。微波吸收器组6由数个圆柱型微波吸收器组成，每个微波吸收器从旋转控制框架顶盖5上的圆孔插入到对应的旋转控制框架底座1孔槽中，使得一个个微波吸收器紧挨竖直一字排在空间。如图2所示，旋转控制框架底座1上一排紧挨着的孔槽为缺口一致的圆槽1-3，圆槽1-3内部侧壁有齿牙，除了一排紧挨着的圆槽外，还有一个独立的与一排圆槽有间距的相同缺口方向的旋钮槽1-2，旋钮槽1-2内部侧壁有与圆槽1-3内部角度间距相同的齿牙，旋转控制旋钮3下部有与旋钮槽1-2对应的齿槽，旋转控制旋钮3插入此旋钮槽1-2中，通过扭转旋转控制旋钮3上部的转手可使得这个旋转控制旋钮3在旋钮槽1-2中有阻力的旋转。圆槽1-3和旋钮槽1-2缺口对着旋转控制框架底座1竖直的挡板1-4，齿条2置于缺口和挡板1-4之间的条形槽中，挡板1-4上有旋转控制定位刻度尺7。
如图3所示微波吸收器示意图，微波吸收器包括外部圆柱形外壳6-1和圆柱底部设计有控制旋转的齿轮结构6-2，齿轮结构6-2的高度与旋转控制框架底座1孔槽深度匹配，扭转旋转控制旋钮3可带动齿条2前后移动，齿条2带动微波吸收器组6中的每个微波吸收器同步旋转，挡板1-4上的旋转控制定位刻度尺7标识旋转控制旋钮3每旋转一个齿牙的直线距离。
如图4所示搭配液态金属装填装置的微波吸收器示意图，在圆柱形微波吸收器圆形两个断面通过软管通入微波吸收器内部，在微波吸收器内部填充液态(或固态)金属。
如图5所示微波吸收器内部3种不同类型谐振环结构截面示意图，每个微波吸收器内部设计的基于谐振环的非对称结构6-3，非对称结构，由一个或多个几何参数不同的开口谐振环结构组成，并由液态(或固态)金属材料填充入非对称结构6-3。图5为从左到右作为样例的单个，两个，以及三个开口谐振环结构的微波吸收器的截面示意图，在微波吸收器组6排列时保证每个微波吸收器中开口谐振环结构中有一个开口与组内其他微波吸收器内对应谐振环开口朝向保持一致。
微波吸收器外壳6-1可由PLA、TPU、PMMA等材料，通过3D打印的方式制作而成；打印后的空余空间形成的非对称结构，用液态金属(如稼铟锡)等电导率大于1×104西门子每米(S/m)的材料填充入空余空间。
在本装置工作之前，可使用螺丝，将旋转控制框架底座1固定在应用现场。
在本装置工作之前，需确认每一根微波吸收器上方的对准标记(缺口处)朝向一致。当转动控制旋钮3时，齿条2带动每一根圆柱形微波吸收器同时朝一个方向旋转。
在本装置工作之前，需将入射平面电磁波极化方向调整至与微波吸收器组6垂直(即水平极化)，或将装载有微波吸收器组6的多频段微波可调吸收的超材料吸收装置(图1)转动到相对应角度以适配入射电磁波的偏振态。
转动控制旋钮3，带动齿条2移动，将齿条2上的点位标志(箭头)与旋转控制框架底座1上的刻度对齐，即可读出所旋转的角度。
需要指出的是，转动控制旋钮3可经由皮带连接至皮带轮，进而通过电机控制整个装置，来提高自动化程度及旋转控制精度。
需要指出的是，微波吸收器组6可搭配液态金属装填装置(图4)，通过将微波吸收器组6中的液态金属填入与挤出，可实现对电磁波吸收的动态切换，类似开关或调制器功能，此模式下其切换速率由填充速率决定。
如图5所示位置为初始位置，设为0度，入射电磁波方向如图中箭头方向，此时因为微波吸收器放置在多频段微波可调吸收的超材料吸收装置中，所以基本上只有前180度被入射，后面一半被阻挡，后面一半微波吸收器与入射电磁波的相互作用将比较弱，随着扭转旋转控制旋钮3改变非对称结构6-3与入射电磁波的角度位置，吸收率会不断变化。
如图6为内部仅有单开口谐振环结构不同电磁波入射角度下的微波吸收率示意图，开口在入射电磁波有效照射范围内时，谐振环对应的吸收频段属于激活状态，单开口谐振环当其开口位置正对入射方向时(0度)时，其电磁波吸收强度最大，当其开口方向逐渐转往后方时，其吸收强度逐渐减弱。特别是跃过了受照射半圆(截面图)后，其电磁波吸收能力将迅速减弱，直至开口转到正后方(180度)，电磁波吸收达到最小值，这段开口不在入射电磁波有效照射范围内，谐振环对应的吸收频段没有被激活。
如图7为内部仅有双开口谐振环结构不同电磁波入射角度下的微波吸收率示意图，由于两个谐振环背靠背贴合，当其中大谐振环的开口正对入射波方向的时候(针对大谐振环的4.93GHz波段，其时电磁波的吸收将处于最强状态)，而此时小谐振环的开口则正好处于正后方(它对电磁波的影响将被最小化，针对9.52GHz波段)，当转动吸收器时，大谐振环的开口将逐步转向后方，而小小谐振环的开口将逐渐转向正前方，其结果是吸收器针对4.93GHz波段的电磁波吸收将逐步减弱，而针对9.52GHz波段的电磁波吸收将逐渐增强。当小谐振环开口转到到入射波的正面，而大谐振环的刚好到达正后方，此时完成了两个吸收波段的完全切换。在此过程中，存在着两个波段都被吸收的情况，如吸收器转到90度的时候(即两开口都侧对着入射波)，两者的电磁波吸收能力相当。
从图中可以看出，当吸收器旋转0°、180°时，由于整体结构单元对于不同角度入射电磁波波段的选择性吸收，在不同角度，吸收率均达到70％以上的吸收率峰值所在的频率段各不相同。由此可证明，当通过旋转吸收器单元，改变其面向入射电磁波的角度时，该动态调节的微波吸收器可以调整其对微波的吸收频率，并且根据内部谐振环开口的数量实现对应数目的吸收频段的调控，例如单开口谐振环可实现单频吸收的强度调制；双开口谐振环可实现双频吸收的切换；根据需求三开口谐振环可各自开口进行特定间或布局，通过设计则可实现三频段同时吸收、以及单频段吸收切换或双频段吸收切换等功能，并且器件吸收率在70％以上。
本发明最大的一个特点是系统功能多样性且控制方法简便。其微波吸收器单元及系统控制模块的结构简单，易加工，材料环保、易获得。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，包括旋转控制框架底座、齿条、旋转控制旋钮、旋转控制龙骨框架、旋转控制框架顶盖、旋转控制的微波吸收器组；旋转控制框架底座、旋转控制龙骨框架和旋转控制框架顶盖固定安装后形成上下两层框架；微波吸收器组由数个圆柱型微波吸收器组成，每个微波吸收器从旋转控制框架顶盖上的圆孔插入到对应的旋转控制框架底座孔槽中，使得一个个微波吸收器紧挨竖直一字排在空间；旋转控制旋钮带动齿条直线运动，齿条带动微波吸收器组中的每个微波吸收器同步旋转；每个微波吸收器内部设计有单个或多个开口谐振环结构，多个开口谐振环结构中各个谐振环结构的几何参数不同，并由液态或固态金属材料填充入每个微波吸收器内部开口谐振环结构中。
2.根据权利要求1所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，所述微波吸收器组与初始入射平面电磁波极化方向垂直，或将微波吸收器组转动到相对应角度以适配入射电磁波的偏振态；再通过微波吸收器组转动改变其面向入射电磁波的角度时，调整对微波的吸收频率。
3.根据权利要求1或2所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，所述微波吸收器组排列时保证每个微波吸收器中开口谐振环结构中有一个开口与其他微波吸收器内对应谐振环开口朝向保持一致。
4.根据权利要求3所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，所述微波吸收器组内部谐振环开口的数量实现对应数目的吸收频段数；谐振环开口正对入射电磁波时，谐振环对电磁波吸收强度最大。
5.根据权利要求4所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，当谐振环结构的数个开口同时进入入射电磁波照射范围时，可同时激活对应吸收频段。
6.根据权利要求4所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，所述微波吸收器外壳选择PLA、TPU、PMMA中的一种材料，通过3D打印的方式制作而成，打印后的空余空间形成开口谐振环结构。
7.根据权利要求6所述多频段微波可调吸收的超材料吸收装置，其特征在于，所述微波吸收器内部开口谐振环结构用电导率大于1×104S/m的液态金属材料填充。
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