CN111180897B - 一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器 - Google Patents

一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，该吸波器由上至下包括损耗型超表面、SSPPs吸收体和金属底板。其中SSPPs层采用了一种新型渐变金属条结构，在中轴上垂直附有周期性、镜像对称、平行排列的渐变金属条。通过调节金属条的数目和尺寸可以调控结构的色散曲线，进而调控吸波性能，此为一种吸波机制；损耗型超表面对进入其自身的电磁波能产生明显的电阻损耗，这种吸波机制有效拓展了由SSPPs引起的吸收带宽，使得其性能更为优异。本发明通过合理设计微波宽带吸波器的SSPPs和损耗性超表面，使得这两种吸波机制能被很好的组合，最终实现了宽带吸波。而且，该吸波器充分利用了三维空间，具有结构简单、加工容易、质量轻的特点。

Description

一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器
技术领域
本发明涉及电磁波吸收技术领域，特别涉及人工表面等离激元(Spoof SurfacePlasmon Polaritons，SSPPs)型宽带吸波器和损耗型超表面。
背景技术
在国防军事领域，吸波材料能避开敌方雷达的跟踪和探测，使武器装备消失在敌方雷达探测器的视野中，从而提升武器装备的战场生存能力；在日常生活方面，吸波材料可用于减少各种电子设备的电磁泄露现象，减轻电磁波对人体和环境的负面影响。因此，吸波材料在军民领域均有广泛用途。
SSPPs具有与表面等离激元类似的色散曲线，可以在金属结构表面激起一种表面波，其群速度小于真空中光速，成为慢波模式的激发。人们可以通过调节人工结构的参数来调控SSPPs的色散特性，从而在指定频段激发慢波，再通过引入损耗性介质实现对电磁波的吸收，此为吸收机制一。
超表面是一种二维平面周期结构，其厚度小于波长。损耗型油墨超表面在不增大吸波材料厚度的基础上，可实现对电磁波的电阻损耗吸收，此为吸收机制二。
理想的吸波材料应具有厚度薄、重量轻、吸收频带宽、结构简单等特点，三维立体吸波结构能更好地利用空间，实现性能更好的电磁波吸收。
目前，已有基于SSPPs的电磁波吸收研究，如文献(Pang Y Q，Wang J F，Qu S B，etal.Spatial k-dispersion engineering of spoof surface plasmon polaritons forcustomized absorption[J].Scientific Reports,2016,6:29429.)提出了一种可定制化吸收的宽频带电磁波吸收器，但是该吸波器的吸收带宽较窄，仍有提升的空间。
目前，也有SSPPs吸波器与其他吸波结构组合的研究，如文献(Yang S，Zhang J Q，Qu S B，et al.Tailoring multi-order absorptions of a Salisbury screen based ondispersion engineering of spoof surface plasmon polariton[J].J.Phys.D:Appl.Phys,2018,6:315103.)提出了一种集成Salisbury屏的欧姆损耗和SSPPs的宽带吸波器，实现了对电磁波的定制化多阶吸收，但是该吸波器的多个吸收峰不连续，吸波带宽间存在缝隙，且该吸波器未能很好利用欧姆损耗带来的吸收带宽。
发明内容
发明目的：针对现有技术的上述不足，本发明目的在于提供一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，通过对吸波器三维结构进行优化设计，较好地结合了两种电磁波吸收机制实现宽带吸收，且吸收峰连续，吸波带宽内无缝隙，还具有厚度薄、重量轻、结构简单等特点。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，所述吸波器由上至下依次包括损耗型超表面，SSPPs吸收体和金属底板；所述损耗型超表面用于实现对电磁波的电阻损耗吸收；所述SSPPs吸收体利用其色散效应实现某一频段的慢波传输，再引入损耗性电介质实现对电磁波的吸收；所述金属底板提供反射面，使透射为零；所述SSPPs吸收体包括多个结构相同的第一吸波体和第二吸波体；所述第一吸波体和第二吸波体包括电介质层和附在其上的金属贴片，所述金属贴片包括中轴和垂直附于其上的周期性、镜像对称、平行排列的渐变金属条；两两相交的两个第一吸波体和第二吸波体形成的封闭结构是SSPPs的一个吸波单元。
进一步地，所述损耗型超表面包括油墨层和电介质层；油墨层采用栅格形电阻膜结构，油墨层贴在电介质层之上；一个油墨层的周期结构对应一个SSPPs的吸波单元。
进一步地，所述渐变金属条的长度由上至下依次增大，记底边为第一条，则各金属条长度采用以下的函数关系实现排列：
Figure BDA0002356487250000021
式中Lw为第w条金属条长度，L1为底金属条长度，g为梯度系数。通过调节金属条的数目和尺寸可以调控结构的色散曲线，进而调控吸波性能。
进一步地，所述第一吸波体和第二吸波体都与损耗型超表面或金属底板保持垂直关系。
进一步地，所述第一吸波体和第二吸波体两两垂直相交。
进一步地，所述金属底板采用具有全反射电磁波的导电材料。
有益效果：本发明的集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器中，渐变金属条结构和油墨层结构分别引入了两种不同类型的吸波机制，通过对两种结构的设计，可以将这两种吸波机制很好地组合起来，实现宽带吸波。该材料具有厚度薄、重量轻、吸收频带宽、结构简单等特点。
附图说明
图1为本发明实施例中集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器的单元结构立体图；
图2为本发明实施例中损耗型油墨超表面的结构示意图和等效电路图；其中(a)为立体图，(b)为平面图，(c)为等效电路图；
图3为本发明实施例中SSPPs吸收体的结构示意图；其中(a)为平面图，(b)为立体图。
图4为本发明实施例中集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器的实物图；其中(a)未覆盖油墨超表面，(b)覆盖油墨超表面；
图5为本发明实施例中集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器仿真的反射系数曲线图；其中(a)为损耗型超表面和SSPPs的反射系数曲线，(b)为两者结合的反射系数曲线；
图6为本发明实施例中集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器仿真与实测的反射系数曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施例公开了一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，其每个吸波单元的立体结构如图1所示。该吸波器采用三层结构，高度为h，由上至下看，第一层为损耗型超表面1，用于实现对电磁波的电阻损耗吸收；第二层为SSPPs吸收体2，利用其色散效应实现某一频段的慢波传输，再引入损耗性电介质实现对电磁波的吸收；第三层为金属底板3，提供反射面，使透射为零。其中，损耗型超表面经人工表面等离激元吸收体与金属底板连接。
如图2所示，损耗型超表面包括油墨层和电介质层。油墨层采用栅格形电阻膜结构，其面电阻为100Ω/sq，厚度符合面电阻测试要求，一般不大于数十微米。油墨层附着在电介质层上，该电介质层仅起到支撑作用。油墨层线宽为w0。
SSPPs吸收体包括两两垂直相交的多个第一吸波体和第二吸波体。第一吸波体和第二吸波体结构完全相同，包括电介质层和附在其上的金属贴片，其中的电介质层提供损耗来源，而金属贴片能激发SSPPs；金属贴片包括中轴和垂直附于其上的周期性、镜像对称、平行排列的渐变金属条。两两相交的两个第一吸波体和第二吸波体形成一个封闭结构，是SSPPs的一个吸波单元。如图3所示，本例中一个金属贴片的金属条结构数目为20，单根金属条的线宽为w。渐变金属条长度由上到下依次增大，记底边为第一条，则各金属条长度应采用函数关系
Figure BDA0002356487250000041
实现排列，式中Lw为第w条金属条长度，L1为底部金属条长度，g为梯度系数。本例中材料结构参数如下:w0＝1mm，w＝0.175mm，h＝7.5mm，L1＝12mm，L20＝6.4mm，d＝1mm。
如图4，根据设计的结构制作了实物样品。如图5，展示了实验和仿真的反射系数结果曲线，特殊设计的损耗型超表面起到了扩展带宽的作用，实现了5.1-14.4GHz的宽带吸收。
采用CST STUDIO SUITE软件对模型进行理论计算，如图6所示，仿真结果显示此材料能在6.5-14.4GHz的波段内实现反射系数|S11|<-10dB(即吸收率大于90％)。
采用相对介电常数为4.3，损耗正切角为0.025的FR-4板材作为高损耗性电介质，采用电导率为5.8*107S/m的铜作为金属贴片，金属贴片厚度为0.2mm。金属底板可采用铜、铁、铝等金属。制作实物样品，在弓形架系统中进行测量。如图6所示，实验结果显示此材料能在5.1-14.4GHz的波段内实现反射系数|S11|<-10dB(即吸收率大于90％)。

Claims (5)

1.一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，其特征在于，所述吸波器由上至下依次包括损耗型超表面，SSPPs吸收体和金属底板；所述损耗型超表面用于实现对电磁波的电阻损耗吸收；所述SSPPs吸收体利用其色散效应实现某一频段的慢波传输，再引入损耗性电介质层实现对电磁波的吸收；所述金属底板提供反射面，使透射为零；所述SSPPs吸收体包括多个结构相同的第一吸波体和第二吸波体；所述第一吸波体和第二吸波体包括电介质层和附在其上的金属贴片，所述金属贴片包括中轴和垂直附于其上的镜像对称、平行排列的渐变金属条，所述渐变金属条的长度由上至下依次增大；每个第一吸波体的两端分别垂直连接一个第二吸波体，两个第一吸波体和两个第二吸波体围成的一个封闭结构是SSPPs的一个吸波单元，该封闭结构的中心轴线位于竖直方向上，且该封闭结构的中心轴线与损耗型超表面、金属底板均垂直。
2.根据权利要求1所述的一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，其特征在于，所述损耗型超表面包括油墨层和电介质层；油墨层采用栅格形电阻膜结构，油墨层贴在电介质层之上；一个油墨层的周期结构对应一个SSPPs的吸波单元。
3.根据权利要求1所述的一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，其特征在于，记所述渐变金属条底边为第一条，则各金属条长度采用以下的函数关系实现排列：
Figure FDA0002940670940000011
式中Lw为第w条金属条长度，L1为底金属条长度，g为梯度系数。
4.根据权利要求3所述的一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，其特征在于，通过调节金属条的数目和尺寸可以调控结构的色散曲线，进而调控吸波性能。
5.根据权利要求1所述的一种集成损耗型超表面和SSPPs吸收体的微波宽带吸波器，其特征在于，所述金属底板采用全反射电磁波的导电材料。
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