CN110416742A - 一种轻薄宽频吸波超材料的设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轻薄宽频吸波超材料的设计，所述宽频吸波超材料结构包括底层铜金属板、中间FR4介质基板和表层具有周期构型的铜金属膜层，金属膜层的单胞结构由裁剪后的方形金属片和两个圆形金属片构成，可分别在X(8～12GHz)波段、Ku(12～18GHz)波段的响应波段内在垂直极化及水平极化下均实现全频段电磁波吸收率高于90％，并且对于X波段内高达40°的斜入射电磁波的吸收率均超过80％，具有宽入射角度高效吸收特性。本发明具有设计方法简单、吸波性能易于调节、厚度小且对极化和宽入射角不敏感等特点，实际应用可行性大，在X、Ku微波波段宽频隐身材料、吸波蒙皮及吸波器件等领域具有广泛的用途。

Description

一种轻薄宽频吸波超材料的设计

技术领域

本发明属于电磁功能材料领域，具体涉及一种轻薄宽频吸波超材料结构及设计方法。

背景技术

雷达吸波材料可以有效吸收入射电磁波，降低目标回波强度，是武器、装备及特殊器件雷达波隐身的重要技术途径。雷达吸波材料要实现优异的吸波性能，必须同时满足两个条件：一是吸波材料的表面阻抗要与自由空间波阻抗相匹配，以确保电磁波能够进入材料内部；二是吸波材料要具有合适的损耗，从而有效耗散电磁能量。但这两个要求往往是相互矛盾的，损耗较大的材料阻抗较低，而阻抗高的材料往往损耗很小。

传统的吸波结构大都基于Salisbury吸收屏、Jaumman吸收体和多层阻抗匹配吸波材料，存在的典型问题是厚度大、吸收频带窄等缺点。拓展吸收频带的主要方法是增加厚度或者提高吸收剂含量，但受材料电磁参数频散特性或谐振电厚度的影响，很难实现小厚度情况下的宽频吸波性能。

超材料的出现和发展使人们能够从宏观尺寸层面控制材料的电磁性能，从而显著影响材料与电磁波的相互作用关系，其在电磁吸波技术中的应用是已成为一个热门的研究方向。超材料的电磁性能主要取决于其人工结构单元的形式和排布，通过结构参数的调整可以方便的调控材料等效电磁参数以及阻抗特性。与传统吸波材料相比，可以摆脱其宽频吸波性能对材料本征电磁参数频散特性的依赖性，并具有厚度薄、吸收频带宽等有点。

超材料基于电磁谐振来实现对电磁波的单频或者多频吸收，但宽带的吸收仍存在一定的难度，通常需采用多层结构分别实现阻抗匹配和高效吸收，使得材料制备难度增加。因此，研究利用简单超材料结构实现宽频、高效吸收有着巨大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是解决目前微波吸波超材料难以在较薄厚度，特别是采用单层超材料吸波结构无法实现宽频高效吸波，以及多层吸波超材料制备工艺复杂的技术问题。

本发明提供一种轻薄宽频吸波超材料，

(1)包括底层金属板、中间介质基板和表层具有周期构型的金属膜层，所述周期金属膜层由多个单胞结构周期性重复排列组成；

(2)底层金属板与表层金属膜层材质为铜，厚度为0.035mm，中间介质板为FR4，介电常数为3.8～4.2，厚度为2.2～3.0mm。

(3)单胞结构由裁剪后的方形金属片和两个圆形金属片构成，单胞结构呈现二维阵列分布，单胞周期大小为8.0～10.0mm。

(4)方形金属片的长度L为8.0～8.3mm，方形金属片的对角分别采用不同半径的圆进行切割，其半径为2.0～3.5mm，圆心分别位于方形金属片的对角线上，所述单胞结构的两个圆形金属片对称分布于单胞结构的对角线位置，其半径为1.0～2.5mm。

本发明的有效收益如下：

1、本发明提出的一种轻薄宽频吸波超材料，通过采用本方法设计出由铜金属周期分布组成的宽频超材料吸波结构，可以调节实现不同频段宽带吸波，在目标频段内，吸波超材料结构的表面阻抗与自由空间之间具有良好的匹配性。

2、本发明提出的一种轻薄宽频吸波超材料，通过周期性结构参数的调节，可以实现X、Ku等不同频段的全频段强吸收，而传统的谐振式吸波超材料通常只能在较窄的频带内实现强吸收，本发明提出的吸波超材料结构在宽频吸收方面具有明显的优势。

3、本发明提出的一种轻薄宽频吸波超材料，由于吸波超材料结构具有良好的对称性，具有极化不敏感和大入射角不敏感特性。在X/Ku目标吸波频段，吸波超材料在垂直极化和水平极化下均可实现全频段90％以上的电磁波吸收率，且吸收峰频率位置比较稳定；对于斜入射电磁波，也可在0～40°的角度范围内保持吸收频带宽度基本不发生变化的情况下，吸收率仍然高于80％，具有很好的吸收稳定性。

附图说明

图1是本发明方法的吸波超材料结构；

图2是吸波超材料表层单胞结构图案；

图3是实施例1中不同极化波正入射时超材料的吸波率；

图4是实施例1中电磁波正入射时超材料与大气阻抗的匹配情况；

图5是实施例1中电磁波正入射时超材料等效介电常数的变化情况；

图6是实施例1中电磁波正入射时超材料等效磁导率的变化情况；

图7是实施例1中水平极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况；

图8是实施例1中垂直极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况；

图9是实施例2中不同极化波正入射时超材料的吸波率；

图10是实施例2中电磁波正入射时超材料与大气阻抗的匹配情况；

图11是实施例2中水平极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况；

图12是实施例2中垂直极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况；

图13是实施例3中不同极化波正入射时超材料的吸波率；

图14是实施例3中电磁波正入射时超材料与大气阻抗的匹配情况。

具体实施方式

本发明旨在提供一种轻薄宽频吸波超材料，通过介质基板厚度、周期单元结构的形状、尺寸和排布方式设计，调控超材料结构与电磁波的耦合响应机制，实现结构形式简单、材料成本低廉、厚度薄、吸波带宽大的宽频吸波超材料。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的解释和说明。

本发明提供一种轻薄宽频吸波超材料，其结构如图1所示，包括底层金属板、中间介质基板和表层具有周期构型的金属膜层，所述周期金属膜层由多个单胞结构周期性重复排列组成。

其中，底层金属板与表层金属膜层材质为铜，厚度为0.035mm，中间介质板为FR4，介电常数为3.8～4.2，厚度为2.2～3.0mm。

其中，吸波超材料表层单胞结构图案如图2所示，单胞结构由裁剪后的方形金属片和两个圆形金属片构成，单胞结构呈现二维阵列分布，单胞周期大小为8.0～10.0mm。

具有这种结构的超材料，电磁波入射时上层周期性铜金属图案产生感应电流，同时在入射波磁场作用下，吸波超材料结构的上层铜金属周期图案与底层金属构成磁谐振器，在超材料结构的底层金属产生反向电流，使得入射电磁波的电磁能量在中间FR4介质层中被损耗和衰减。

本发明所示的宽频吸波超材料结构的单胞结构由裁剪后的方形金属片和两个圆形金属片构成，方形金属片的长度L为8.0～8.3mm，方形金属片的对角分别采用不同半径的圆进行切割，其半径为2.0～3.5mm，圆心分别位于方形金属片的对角线上，所述单胞结构的两个圆形金属片对称分布于单胞结构的对角线位置，其半径为1.0～2.5mm。

现有技术中，超材料的结构有三层结构组成的金字塔结构，或者十字型、方型框结构，而本发明设计的超材料，采用裁剪贴片式的结构，仅一层结构就能达到技术要求，比现有技术中超材料的结构更简单，达到的效果更理想。

本发明提出的这种轻薄宽频吸波超材料，经参数优化后在8～12GHz波段内的吸收率均高于90％，吸波效果覆盖整个X频段；经参数优化后在6～12GHz波段内的吸收率均高于90％；在12～18GHz波段内的吸收率均高于90％，吸波效果覆盖整个Ku频段。

本发明提出的轻薄宽频吸波超材料结构，具有极化不敏感特性，在垂直极化和水平极化下，对于X波段内高达40°的斜入射电磁波的吸收率均超过80％，可实现宽角度高效吸收。

本发明的吸波超材料结构仅包含铜金属板、FR4中间介质基板和表层铜周期构型膜层，结构简单，材料易得，表层铜周期构型参数的调节范围大、吸波设计效果好，宽频斜入射吸波性能优于传统谐振吸波超材料。下面给出利用本发明具体实施的三个例子。

实施例1

参照图1的吸波超材料结构，包括底层金属板、中间介质基板和表层具有周期构型的金属膜层。底层金属板和表层金属膜层采用铜金属，厚度均为0.035mm，其电导率为5.96×107S/m；中间介质基板采用FR4，厚度为2.8mm，介电常数为4.3(1+0.025i)。

表层周期单元的形貌参照图2所示，单元的周期P为9.2mm。表层金属膜层由裁剪后的方形金属片和两个圆形金属片构成，方形金属片的长度L为8.28mm，用圆心位于对角线上的两对圆对方形金属片进行裁剪，圆心O1与单胞中心O的相对位置为(-2.42mm，2.42mm)，半径r1为3.3mm；圆心O2与单胞中心O的相对位置为(-3.63mm，-3.63mm)，半径r2为2.0mm。另外，单元中两个圆形金属片位于裁剪后方形金属片的对角线上，圆心也在O1位置，半径r3为1mm。

图3为电磁波正入射时超材料的吸波率，可以看出该吸波材料吸波率小于-10dB(吸波率>90％)的频率范围覆盖了8～12GHz的整个X波段，吸波频带宽超过4GHz，并且该吸波超材料对极化方式不敏感，在水平极化和垂直极化下的吸收率较为接近。图4是电磁波正入射时超材料与自由空间阻抗的匹配情况，由于引入了周期性亚波长结构单元，等效阻抗的实部和虚部分别接近于1和0，说明超材料表面与自由空间有着良好的电磁匹配。图5和图6分别是电磁波正入射时超材料等效介电常数和等效磁导率的变化情况。图7是水平极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况，该超材料的吸波带宽(吸波率>90％时)随着入射角的增加而有所减小，到入射角为40°时带宽宽度仍大于3GHz，若考虑吸波率>80％，则在入射角为40°时仍然可覆盖整个X波段。图8是垂直极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况，可见超材料在垂直极化情况下随入射角增加其吸波带宽的减小程度要低于水平极化情况，即超材料对垂直极化波的吸波性能更为稳定。

实施例2

参照图1的吸波超材料结构形式，底层金属板和表层金属膜层采用铜金属，厚度均为0.035mm；中间介质基板采用FR4，厚度为2.9mm；表层周期单元的周期P为9.18mm，方形金属片的长度L为8.26mm，用圆心位于对角线上的两对圆对方形金属片进行裁剪，圆心O1与单胞中心O的相对位置为(-2.42mm，2.42mm)，半径r1为3.3mm；圆心O2与单胞中心O的相对位置为(-3.63mm，-3.63mm)，半径r2为2.0mm。单元中两个圆形金属片位于裁剪后方形金属片的对角线上，圆心也在O1位置，半径r3为2.5mm。

图9为电磁波正入射情况下超材料的吸波率，可以看出该吸波材料吸波率小于-10dB的频率范围覆盖6～12GHz，吸波频带宽超过6GHz。图10电磁波正入射时超材料与大气阻抗的匹配情况，说明在6～12GHz内超材料具有宽频的阻抗匹配特性。图11和图12分别为水平极化波和垂直极化波斜入射时超材料吸波率的变化情况，该超材料在入射角为40°时在6-12GHz频率范围内吸波率均大于80％。

实施例3

参照图1的吸波超材料结构形式，底层金属板和表层金属膜层采用铜金属，厚度均为0.035mm；中间介质基板采用FR4，厚度为2.4mm；表层周期单元的周期P为9mm。方形金属片的长度L为8.1mm，用圆心位于对角线上的两对圆对方形金属片进行裁剪，圆心O1与单胞中心O的相对位置为(-2.42mm，2.42mm)，半径r1为3.3mm；圆心O2与单胞中心O的相对位置为(-3.63mm，-3.63mm)，半径r2为2.0mm。单元中两个圆形金属片位于裁剪后方形金属片的对角线上，圆心也在O1位置，半径r3为1.3mm。

图13为电磁波正入射情况下超材料的吸波率，可以看出该吸波材料吸波率小于-10dB的频率范围覆盖12～18GHz，吸波频带宽超过6GHz。图14电磁波正入射时超材料与大气阻抗的匹配情况，说明在12～18GHz内超材料具有宽频的阻抗匹配特性。

综上所述，本发明之吸波超材料结构的吸波频段、吸波率及不同极化斜入射吸波性能可设计特点明显，可通过FR4介质层厚度、表层周期性结构参数的调节适应不同的应用环境和性能需求；吸波超材料结构仅采用铜和FR4两种成本低、易得的原材料，具有良好的经济可承受性，可广泛应用于X、Ku微波波段的宽频隐身材料、吸波蒙皮及吸波器件等领域。

Claims (1)

1.一种轻薄宽频吸波超材料的设计，其特征在于：

(1)包括底层金属板、中间介质基板和表层具有周期构型的金属膜层，所述金属膜层由多个单胞结构周期性重复排列组成；

(2)底层金属板与表层金属膜层材质为铜，厚度为0.035mm，中间介质板为FR4，介电常数为3.8～4.2，厚度为2.2～3.0mm；

(3)单胞结构由裁剪后的方形金属片和两个圆形金属片构成，单胞结构呈现二维阵列分布，单胞周期大小为8.0～10.0mm；

(4)方形金属片的长度L为8.0～8.3mm，方形金属片的对角分别采用不同半径的圆进行切割，其半径为2.0～3.5mm，圆心分别位于方形金属片的对角线上，所述单胞结构的两个圆形金属片对称分布于单胞结构的对角线位置，其半径为1.0～2.5mm。