CN111367000A - 一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构 - Google Patents

一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，由全金属超表面阵列和超材料吸波器复合组成。其中全金属超表面阵列通过控制入射激光的反射方向，能有效的降低镜面反射率，结合金属材料自身固有的低红外辐射特性，同时实现激光低反射与红外低辐射。位于全金属超表面阵列下方的超材料吸波器，能实现宽带微波高吸收。本发明巧妙地结合了全金属超表面与超材料吸波器，能够有效的降低0.8‑1.2μm波段内的镜面反射率，并在红外大气窗口(3‑5μm和8‑14μm)保持很低的红外发射率，同时实现对6.5‑13.4GHz微波的高吸收，实现了多波段电磁特征调控。

Description

一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状 结构
技术领域
本发明涉及多波段电磁波调控的技术领域，具体涉及一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构
背景技术
随着多谱段探测技术的不断发展，主动式的探测器往往会与被动式的探测器如结合起来使用。对于主动式的探测器，通过捕捉物体的反射信号达到探测的目的，因此要求材料对电磁波具有高吸收、低反射的特性。激光探测设备的工作波长主要包括0.93μm，1.06μm，1.54μm，和10.6μm，其中1.06μm和10.6μm两个波长最为主要。而要实现对被动式探测器如热红外探测器的不可见，需要材料具有低吸收率、高反射率的特性。要同时实现对两种探测方式的不可见，就已经需要面对诸多矛盾，例如：要实现同时对微波和红外的不可见，其矛盾在于对材料在不同的电磁波段具有不同的性能需求；要实现同时对激光和红外的不可见，其矛盾在于在同一个电磁波段内，材料往往需要具有截然相反的性能。而要同时实现物体对三种探测器的不可见，其难度将会大幅增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构。通过所设计的全金属超表面控制激光的反射方向，能有效的降低镜面反射率，结合金属材料自身固有的低红外辐射特性，同时实现激光低反射与红外低辐射。位于超表面下方的超材料吸波器，能实现宽带微波高吸收。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，由全金属超表面阵列和超材料吸波器复合组成，所述全金属超表面阵列由呈周期性图案的全金属超表面组成，其作用是通过控制激光的反射方向从而降低其镜面低反射率，所述超材料吸波器从上到下依次包括金属型电容性频率选择表面层、介质层Ⅰ、薄膜电阻层、介质层Ⅱ、金属衬底，其中，金属型电容性频率选择表面层作为顶层，其作用有两方面，一方面它能够使得微波完全透过，另一方面它能够在红外大气窗口(3-5μm和8-14μm)实现低的辐射率；金属型电容性频率选择表面层下方依次为介质层Ⅰ、薄膜电阻层、介质层Ⅱ以及金属衬底；介质层Ⅰ和介质层Ⅱ的作用是调节吸波器的阻抗，实现阻抗匹配，使入射电磁波的反射率为零；薄膜电阻层位于介质层Ⅰ和介质层Ⅱ之间，其作用是最大化损耗微波，最终实现完美吸收；介质层Ⅱ下方为底层金属衬底，其作用是使电磁波无法透射，达到透过率为零的目的。
其中，所述全金属超表面的周期性图案是指呈正方形阵列式分布的正方形贴片图案，该正方形贴片的边长为120μm，该正方形贴片所在矩阵单元的周期为121μm。
其中，所述低红外辐射的全金属相位梯度超表面的金属材料选为金、银、铝、铜或铂。
其中，所述全金属超表面包含了一层亚波长金属正方体和金属衬底，所述亚波长正方体的高度为0.22μm，所述亚波长正方体的边长为0.64μm，所述正方体的周期为0.8μm，所述金属衬底的厚度为0.2μm。
其中，所述金属型电容性频率选择表面层由全金属超表面阵列的金属衬底组成。
其中，所述介质层Ⅰ和介质层Ⅱ均为FR4材料，所述FR4材料的的介电常数为4.4，损耗正切为0.02，所述介质层Ⅰ和介质层Ⅱ的厚度为1～3mm。
其中，所述薄膜电阻层的方阻Rs为34Ω/□。
其中，所述薄膜电阻层的边长为6.5mm，所述薄膜电阻层的周期为9.68mm
其中，所述金属衬底的金属材料为铜，所述金属衬底的厚度为15μm。
本发明具有的有益效果在于：
本发明巧妙地结合了全金属超表面与超材料吸波器，实现了对多谱段电磁波的磁控，能同时实现激光低反射、微波高吸收与红外低辐射。在现有技术的基础上增加了一个波段的兼容，能够有效的降低0.8-1.2μm波段内的镜面反射率，并在红外大气窗口(3-5μm和8-14μm)保持很低的红外发射率，还实现了对6.5-13.4GHz微波的高吸收，实现了多波段电磁调控，同时还具有结构简单，体积小等优点。
附图说明
图1为本发明的单元结构示意图；
图2为实施例1中超表面的超级单元结构示意图；
图3为实施例1中超表面两种单元结构正入射下的反射光相位及其差值仿真结果；
图4为实施例1中超表面正入射时在0.8-1.2μm波段内的反射率仿真结果；
图5为实施例1中超表面在1.06μm激光正入射下远场散射三维示意图仿真结果；
图6为实施例1中超表面正入射下在3-14μm波段内吸波率(发射率)仿真结果；
图7为实施例1中超材料吸波器单元结构示意图；
图8为实施例1中超材料吸波器TE和TM极化下不同入射角度的吸收率仿真结果；图8(a)和(b)分别为TE和TM两种极化极化下入射角在0°，20°和40°时超材料吸波器的吸波率的仿真结果。
图1、2、5中所标序号含义为：1为超表面结构层，2为金属型电容性频率选择表面层、3为介质层Ⅰ、4为薄膜电阻层、5为介质层Ⅱ、6为金属衬底。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示为该实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构的单元结构示意图：所述单元结构包括全金属超表面阵列和超材料吸波器。如图2所示为该超表面的超级单元结构示意图，该结构包括金属正方体和金属衬底，金属正方体周期为Λ，边长为d，高度为h。红外波段的电磁波以一定角度入射到该超表面结构后，反射光将被散射到四个离散的方向上。如图7所示为超材料吸波器的单元结构示意图，从上到下依次包括金属型电容性频率选择表面层2、介质层Ⅰ3、薄膜电阻层4、介质层Ⅱ5、金属衬底6。其中，金属型电容性频率选择表面层2作为顶层，其作用有两方面，一方面它能够使得微波完全透过，另一方面它能够在红外大气窗口(3-5μm和8-14μm)实现低的辐射率。金属型电容性频率选择表面层下方依次为介质层Ⅰ3、薄膜电阻层4、介质层Ⅱ5以及金属衬底6。介质层Ⅰ3和介质层Ⅱ5的作用是调节吸波器的阻抗，实现阻抗匹配，使入射电磁波的反射率为零。薄膜电阻层4位于介质层Ⅰ3和介质层Ⅱ5之间，其作用是最大化损耗微波，最终实现完美吸收。介质层Ⅱ下方为底层金属衬底，其作用是使电磁波无法透射，达到透过率为零的目的。金属型电容性频率选择表面层2由所述超表面的金属衬底组成，为金属贴片阵列，其中正方形贴片的边长为d1，正方形贴片所在矩阵单元的周期为p1。超材料吸波器单元结构的周期为p2，介质层Ⅰ3的厚度为t1，介质层Ⅱ5的厚度为t2，薄膜电阻层4的边长为d2，薄膜电阻层4的方阻为Rs，该超材料吸波器能实现宽带微波高吸收。
结合上述结构，首先说明本发明中超表面实现入射电磁波反射方向控制的基本原理，如下：
根据广义折反射定律，通过在超表面上构造梯度相位分布，可将入射光反射到指定的方向上，使入射能量不返回到原方向，极大的降低镜面反射率。超表面的超级单元结构包含了两种单元结构阵列，其中两种单元结构之间的反射相位差为ΔΦ＝π。当两种单元结构组成的n×n阵列按照棋盘的结构交错排布时，超表面在x和y方向的相位梯度均为dΦ＝π，此时反射光将会被散射到四个对称的方向上，以消除镜面反射，对应的反射场方向可以通过以下公式计算：
Figure BDA0002447404560000041
Figure BDA0002447404560000042
其中，θ和
Figure BDA0002447404560000043
分别表示反射场方向的仰角和方位角，λ为入射波长，dx和dy分别表示单元结构组成的n×n阵列在x和y方向的边长，满足dx＝dy＝nΛ。由于所设计的结构是中心对称的，因此该超表面是极化无关的。
接着说明本发明中超材料吸波器的吸波原理，如下：
要实现对微波的高吸收，需要满足三个条件：1)实现阻抗匹配，使反射率为零；2)金属衬底作为底层材料，使得透射率为零；3)通过最大化损耗实现完美吸收。超材料吸波器的表层是金属型电容性频率选择表面，能实现对特定波段的微波的全透，进入到结构内部的电磁波不会被反射回去，也不会直接透过材料，而是被薄膜电阻所损耗掉。处于共振波长处的电磁波，其电场分量和磁场分量会薄膜电阻的垂直和水平方向分别形成电容和电感，产生的表面电流流过电阻膜，形成欧姆损耗，实现对电磁波的吸收。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。
实施例1
本实施例针对波长0.8-1.2μm(中心波长1.06μm)的电磁波设计了一种超表面，材料选择为金，在对应波段内的介电常数从Palik光学手册中获得。超表面单元结构相关参数为Λ＝0.8μm，d＝0.64μm，h＝0.22μm。使用CST软件对超表面性能进行仿真验证，仿真结果如图3，4，5，6所示。从图3中可以看出，0.8-1.2μm的电磁波照射到两种单元结构的反射相位差为ΔΦ＝π。当这两种单元结构按照如图2所示的方式排列时，就得到了在x和y方向的相位梯度均为dΦ＝π的超表面。图4显示该超表面能够在0.8-1.2μm的宽带内保持低于5％的镜面反射率。图5为仿真得到的超表面的远场散射图样，显示反射光被散射到四个对称的方向上。图6为该超表面在3-14μm波段的红外吸收率和反射率，可以看到红外发射率接近0，根据基尔霍夫定律，红外发射率等于红外吸收率，因此，超表面在该波段内的红外辐射也很低。超表面阵列中金属的高占比使得整体结构也能保持很低的红外热辐射。
本实例针对频率6.5-13.4GHz的电磁波设计了超材料吸波器。所述超材料吸波器的单元结构相关参数优化为：p1＝121μm，d1＝120μm，p2＝9.68mm，d2＝6.mm，t1＝1.5mm，t2＝1.5mm，Rs＝34Ω/□。所述超材料吸波器中金属衬底的材料为铜，厚度为15μm。所述超材料吸波器中介质层Ⅰ和介质层Ⅱ均为FR4材料，所述FR4材料的的介电常数为4.4，损耗正切为0.02。图8(a)和(b)分别为TE和TM两种极化极化下，入射角在0°，20°和40°时超材料吸波器的吸波率的仿真结果。可以看到，对于TE极化，在6.5-13.4GHz波段内，该吸波器在不同角度下均能保持90％以上的吸波率；而对于TM极化，吸波带宽会随着入射角度的增大而出现略微减小，但即使在40°入射下仍能在7.5-11.4GHz波段内实现高于90％的吸波率。因此，该超材料吸波器能有效的实现对微波的高吸收。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：由全金属超表面阵列和超材料吸波器复合组成，所述全金属超表面阵列由呈周期性图案的全金属超表面组成，其作用是通过控制激光的反射方向从而降低其镜面低反射率，所述超材料吸波器从上到下依次包括金属型电容性频率选择表面层、介质层Ⅰ、薄膜电阻层、介质层Ⅱ、金属衬底，其中，金属型电容性频率选择表面层作为顶层，其作用有两方面，一方面它能够使得微波完全透过，另一方面它能够在红外大气窗口(3-5μm和8-14μm)实现低的辐射率；金属型电容性频率选择表面层下方依次为介质层Ⅰ、薄膜电阻层、介质层Ⅱ以及金属衬底；介质层Ⅰ和介质层Ⅱ的作用是调节吸波器的阻抗，实现阻抗匹配，使入射电磁波的反射率为零；薄膜电阻层位于介质层Ⅰ和介质层Ⅱ之间，其作用是最大化损耗微波，最终实现完美吸收；介质层Ⅱ下方为底层金属衬底，其作用是使电磁波无法透射，达到透过率为零的目的。
2.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述全金属超表面的周期性图案是指呈正方形阵列式分布的正方形贴片图案，该正方形贴片的边长为120μm，该正方形贴片所在矩阵单元的周期为121μm。
3.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述低红外辐射的全金属相位梯度超表面的金属材料为金、银、铝、铜或铂。
4.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述全金属超表面包含了一层亚波长金属正方体和金属衬底，所述亚波长正方体的高度为0.22μm，所述亚波长正方体的边长为0.64μm，所述正方体的周期为0.8μm，所述金属衬底的厚度为0.2μm。
5.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述金属型电容性频率选择表面层由所述的全金属超表面阵列的金属衬底组成。
6.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述介质层Ⅰ和介质层Ⅱ均为FR4材料，所述FR4材料的的介电常数为4.4，损耗正切为0.02，所述介质层Ⅰ和介质层Ⅱ的厚度为1～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述薄膜电阻层的方阻Rs为34Ω/□。
8.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述薄膜电阻层的边长为6.5mm，所述薄膜电阻层的周期为9.68mm。
9.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构，其特征在于：所述金属衬底的金属材料为铜，所述金属衬底的厚度为15μm。
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