CN112332108B

CN112332108B - 一种超材料吸波体

Info

Publication number: CN112332108B
Application number: CN202011063755.8A
Authority: CN
Inventors: 邓光晟; 吕坤; 孙寒啸; 杨军; 尹治平
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112332108A

Abstract

本发明涉及一种超材料吸波体，包括多个吸波单元；吸波单元包括金属背板、介质基板和电阻膜三维结构；金属背板设置于介质基板的一面；电阻膜三维结构内嵌于介质基板中；电阻膜三维结构包括四个第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、四个第二电阻膜片和第二方环电阻膜片；相邻两个第一电阻膜片垂直交叉连接形成三维空间的第一井字结构；第一方环电阻膜片穿设于第一井字结构与各第一电阻膜片交叉连接，第一方环电阻膜片所在平面与各第一电阻膜片所在平面垂直；同理得第二井字结构，第二井字结构设置于第一井字结构的井口中。本发明的吸波体能实现良好的宽频带吸收效果，具有良好的宽入射角稳定性和极化不敏感特性。

Description

一种超材料吸波体

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种超材料吸波体。

背景技术

超材料是一种新型的人工电磁材料，由亚波长周期排列的超分子结构组成，具有天然材料所不具备的超常电磁特性。通过在单元结构设计和周期排列的基础上，利用单元结构的电磁响应，获得一系列奇异的电磁特性，如负折射率、完美成像和隐形斗篷等。

目前，超材料已在从微波到可见光等不同的电磁频段得到实现。超材料吸波体作为超材料的一个重要应用领域，近几年得到了全世界各国学者的广泛关注。目前研究的大多数的超材料吸波体大多是二维结构，即使是三维结构的吸波体也是基于金属材料的，基于金属的超材料吸波体存在吸收频带窄的缺点。此外，传统的超材料吸波体还存在着对于斜入射的吸波效果差等问题，大大的降低了吸波材料或吸波结构在实际应用中的价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种超材料吸波体，能实现良好的宽频带吸收效果，还具有良好的宽入射角稳定性以及极化不敏感特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超材料吸波体，所述超材料吸波体包括多个吸波单元；每个所述吸波单元包括金属背板、介质基板以及电阻膜三维结构；

所述金属背板设置在所述介质基板的一面；所述电阻膜三维结构内嵌于所述介质基板中；

所述电阻膜三维结构包括四个第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、四个第二电阻膜片和第二方环电阻膜片；所述第一电阻膜片的尺寸大于所述第二电阻膜片的尺寸；所述第一方环电阻膜片的尺寸大于所述第二方环的尺寸；

相邻两个所述第一电阻膜片垂直交叉连接形成三维空间的第一井字结构；所述第一方环电阻膜片穿设于所述第一井字结构与各所述第一电阻膜片交叉连接，所述第一方环电阻膜片所在平面与各所述第一电阻膜片所在平面垂直；

相邻两个所述第二电阻膜片垂直交叉连接形成三维空间的第二井字结构；所述第二方环电阻膜片穿设于所述第二井字结构与各所述第二电阻膜片交叉连接，所述第二方环电阻膜片所在平面与各所述第二电阻膜片所在平面垂直；

所述第二井字结构设置于所述第一井字结构的井口中。

可选的，所述电阻膜三维结构内嵌于所述介质基板正中间。

可选的，所述第二井字结构设置于所述第一井字结构的井口正中间。

可选的，所述第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、第二电阻膜片和第二方环电阻膜片中的电阻膜的方阻阻值均为80Ω/□。

可选的，所述介质基板的介电常数为2。

可选的，所述介质基板的材料为聚四氟乙烯，所述聚四氟乙烯的损耗为0.02。

可选的，所述第一电阻膜片的尺寸为L1×h1，所述第二电阻膜片的尺寸为L2×h2；其中，L1＞L2，h1＝h2。

可选的，所述第一方环电阻膜片的尺寸为b1×b2，所述第二方环电阻膜片的尺寸为c1×c2；其中，b1＞b2＞c1＞c2。

可选的，所述金属背板的厚度为0.017mm。

可选的，所述介质基板为长方体，其中，长方体的高为h，宽和长均为a。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种超材料吸波体，包括多个吸波单元；每个所述吸波单元包括金属背板、介质基板以及电阻膜三维结构。该电阻膜三维结构由两个方环电阻膜片结构以及两个立体的井字结构组成。具有低成本、结构简单的优点，同时采用电阻膜三维结构设计方法有助于增加吸收带宽，在大角度入射波下也有很高的吸收率，同时具有极化不敏感特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的吸波单元三维结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的吸波单元的剖面图；

图3为本发明实施例所提供的吸波单元的俯视图；

图4为本发明实施例所提供的的电阻膜三维结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的在不同极化角情况下的吸收率仿真结果图；

图6为本发明实施例所提供的在TE极化波的不同斜入射角情况下的吸收率仿真结果图；

图7为本发明实施例所提供的不同方阻下的吸收率仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1-图4，本发明一种超材料吸波体，包括多个吸波单元；每个所述吸波单元包括金属背板、介质基板以及电阻膜三维结构。所述金属背板设置在所述介质基板的一面，本发明实施例中金属背板设置在介质基板的底面。所述电阻膜三维结构内嵌于所述介质基板中。具体的，吸波单元三维结构如图1所示。

所述电阻膜三维结构包括四个第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、四个第二电阻膜片和第二方环电阻膜片；所述第一电阻膜片的尺寸大于所述第二电阻膜片的尺寸；所述第一方环电阻膜片的尺寸大于所述第二方环的尺寸；相邻两个所述第一电阻膜片垂直交叉连接形成三维空间的第一井字结构；所述第一方环电阻膜片穿设于所述第一井字结构与各所述第一电阻膜片交叉连接，所述第一方环电阻膜片所在平面与各所述第一电阻膜片所在平面垂直；相邻两个所述第二电阻膜片垂直交叉连接形成三维空间的第二井字结构；所述第二方环电阻膜片穿设于所述第二井字结构与各所述第二电阻膜片交叉连接，所述第二方环电阻膜片所在平面与各所述第二电阻膜片所在平面垂直；所述第二井字结构设置于所述第一井字结构的井口中。具体的，电阻膜三维结构如图4所示。

具体的，所述超材料吸波体包括沿着平面连续设置的多个吸波单元。其工作原理是：通过三维立体排布的电阻膜片即电阻膜三维结构，在宽频带内满足入射电磁波的阻抗匹配条件下，利用电阻膜片对电磁波的损耗实现完美吸收。所述的每个吸波单元包括有一层金属背板，一层介质基板，以及基于电阻膜的三维结构内嵌于介质基板。该电阻膜三维结构由两个方环电阻膜片以及两个立体的井字结构组成。

作为一种可选的实施方式，本发明所述电阻膜三维结构内嵌于所述介质基板正中间。

作为一种可选的实施方式，本发明所述第二井字结构设置于所述第一井字结构的井口正中间。

作为一种可选的实施方式，本发明所述第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、第二电阻膜片和第二方环电阻膜片中的电阻膜的方阻阻值均为80Ω/□。具体的，第一电阻膜片中电阻膜的方阻阻值为80Ω/□；第二电阻膜片中电阻膜的方阻阻值为80Ω/□；第一方环电阻膜片中电阻膜的方阻阻值为80Ω/□；第二方环电阻膜片中电阻膜的方阻阻值为80Ω/□。

作为一种可选的实施方式，本发明所述介质基板的介电常数为2。

作为一种可选的实施方式，本发明所述介质基板的材料为聚四氟乙烯，所述聚四氟乙烯的损耗为0.02。

作为一种可选的实施方式，本发明所述第一电阻膜片的尺寸为L1×h1，所述第二电阻膜片的尺寸为L2×h2；其中，L1＞L2，h1＝h2。

作为一种可选的实施方式，本发明所述第一方环电阻膜片的尺寸为b1×b2，所述第二方环电阻膜片的的尺寸为c1×c2；其中，b1＞b2＞c1＞c2。

作为一种可选的实施方式，本发明所述金属背板的厚度为0.017mm。

作为一种可选的实施方式，本发明所述介质基板为长方体，其中，长方体的高为h，宽和长均为a。

如图4所示，本发明实施例中介质基板的宽和长均为a＝8mm，介质基板的高为h＝3.5mm，金属背板厚度t＝0.017mm。电阻膜三维结构尺寸为b1＝6mm，b2＝4mm，c1＝3mm，c2＝2mm，h1＝h2＝1.6mm，w1＝3.5mm，w2＝2.5mm，L1＝6mm，L2＝4mm。电阻膜三维结构内嵌于所述介质基板正中间，即ht＝h/2。

如图5所示，为通过仿真软件得到的吸波体在不同极化角情况下的吸收率仿真结果图，从图中可以得到，不同极化角下的吸波率曲线图一致，因此该超材料吸波体具有极化不敏感特性。

如图6所示，为通过仿真软件得到的在TE极化波的不同斜入射角情况下的吸收率仿真结果图。从图中可以得到，在10-50GHz频率范围内，入射角达到45°时，吸收率高于0.8。即使入射角高达60°，吸收率也高于0.7。因此，在大角度斜入射的情况下，该超材料吸波体具有良好的宽带吸收性能。

如图7所示，为通过仿真软件得到的不同方阻下的吸收率仿真结果图。从图中可以得到，随着方阻的增加，低频处的吸收率增加。吸收带宽随着方阻的增大先增加后减小。

本发明具有以下的优点：

1、现有的基于金属的超材料吸波体存在吸收频带窄的缺点，而本发明的超材料吸波体能采用电阻膜三维结构从而克服了这一缺点。本发明的超材料吸波体吸收频率带宽范围大，采用电阻膜的设计方法有助于增加吸收带宽。本发明中吸波体的吸收频率带宽覆盖9.6GHz到50.8GHz，相对带宽为136.4％。

2、传统的超材料吸波体存在着对于斜入射的吸波效果差等问题，本发明的超材料吸波体在大角度斜入射波下的吸收良好。本发明在10-50GHz频率范围内，入射角达到45°时，吸收率高于0.8。即使入射角高达60°，吸收率也高于0.7。且吸收频率稳定性良好。

3、本发明的超材料吸波体，具有结构简单、低成本的优点，在大角度入射波下也有很高的吸收率，同时具有极化不敏感特性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种超材料吸波体，其特征在于，所述超材料吸波体包括多个吸波单元；每个所述吸波单元包括金属背板、介质基板以及电阻膜三维结构；

所述电阻膜三维结构包括四个第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、四个第二电阻膜片和第二方环电阻膜片；所述第一电阻膜片的尺寸大于所述第二电阻膜片的尺寸；所述第一方环电阻膜片的尺寸大于所述第二方环电阻膜片的尺寸；

所述第二井字结构设置于所述第一井字结构的井口中；

所述第一方环电阻膜片所在平面与所述第二方环电阻膜片所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述电阻膜三维结构内嵌于所述介质基板正中间。

3.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述第二井字结构设置于所述第一井字结构的井口正中间。

4.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述第一电阻膜片、第一方环电阻膜片、第二电阻膜片和第二方环电阻膜片中的电阻膜的方阻阻值均为80Ω/□。

5.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述介质基板的介电常数为2。

6.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述介质基板的材料为聚四氟乙烯，所述聚四氟乙烯的损耗为0.02。

7.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述第一电阻膜片的尺寸为L1×h1，所述第二电阻膜片的尺寸为L2×h2；其中，L1＞L2，h1＝h2。

8.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述第一方环电阻膜片的尺寸为b1×b2，所述第二方环电阻膜片的尺寸为c1×c2；其中，b1＞b2＞c1＞c2。

9.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述金属背板的厚度为0.017mm。

10.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于，所述介质基板为长方体，其中，长方体的高为h，宽和长均为a。