CN113224539B - 一种可重构电磁超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可重构电磁超材料，包括若干个周期性排布的单元结构，所述单元结构包括底板、若干不同形状的导电积木，所述导电积木拼搭在底板上，所述导电积木上设置有导电层，且拼搭在底板上导电积木的形状根据电磁特性确定，所述导电层的形状与导电积木表面一致。本发明通过在底板上拼搭不同图案形状的导电积木，可以很容易实现具有不同电磁特性的电磁超材料，即实现可重构的电磁特性，且无需额外的器件及外部激励源。

Description

一种可重构电磁超材料
技术领域
本发明属于电磁超材料技术领域，具体为一种可重构电磁超材料。
背景技术
超材料(Metamaterial)是由人工设计的新型复合材料，能够呈现出天然材料所不具备的超常物理特性。近年来，超材料在电磁学、声学、力学和热力学等不同的学科都产生了很大的影响。其中，电磁超材料因其超常的电磁特性而被广泛地应用于雷达天线罩、吸波器和电磁兼容/屏蔽等众多应用领域。
在电磁超材料设计流程中，首先需要使用计算电磁算法或相应的电磁仿真软件来进行理论设计和分析，然后加工实物样件并进行实验验证。传统的加工技术主要包括印刷电路板和3D打印等，通常在电磁超材料加工完成之后，其电磁特性就基本固定了，电磁特性不可重构。此外，采用传统加工方式来制作大尺寸电磁超材料实物样件通常成本较高且耗时。
发明内容
本发明提出了一种可重构电磁超材料。
实现本发明的技术解决方案为：一种可重构电磁超材料，包括若干个周期性排布的单元结构，所述单元结构包括底板、若干不同形状的导电积木，所述导电积木拼搭在底板上，所述导电积木上设置有导电层，且拼搭在底板上导电积木的形状根据电磁特性确定，所述导电层的形状与导电积木表面一致。
优选地，所述底板上设置有周期性排列的圆柱阵列，所述导电积木通过圆柱阵列拼搭在底板上。
优选地，根据电磁特性确定拼搭在底板上导电积木的形状的具体方法为：
选择非谐振结构形式实现低通或者高通滤波特性，选择谐振结构形式实现带通或者带阻滤波特性。
优选地，所述导电积木为方环、方形、十字形或耶路撒冷十字形。
优选地，所述底板和导电积木的材料为ABS、PVC或者PC。
优选地，所述导电层为铜箔、铝箔或者导电银浆。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明通过在底板上拼搭不同图案形状的导电积木，可以很容易实现具有不同电磁特性的电磁超材料，即实现可重构的电磁特性，且无需额外的器件及外部激励源；
本发明具有设计周期短、可重复使用、实现简单、成本较低和组装方便的特点，并且所有导电积木可以被重复拆卸、收集以用于下一次使用。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是实施例基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料的单元结构侧视图。
图2是实施例基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料的单元结构主视图。
图3是实施例基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料的单元结构三维示意图。
图4是实施例基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料的阵列示意图。
图5是实施例基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料的实物图。
图6是实施例基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料的单元结构侧视图。
图7是实施例基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料的单元结构主视图。
图8是实施例基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料的单元结构三维示意图。
图9是实施例基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料的阵列示意图。
图10是实施例基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料的实物图。
图11是实施例基于可重用导电积木的可重构电磁超材料的透射系数曲线图。
具体实施方式
如图1～图4所示，一种可重构电磁超材料，包括若干个周期性排布的单元结构(6)，所述单元结构(6)包括底板(1)、若干不同形状的导电积木(2)，所述底板(1)上设置有周期性排列的圆柱阵列(3)，所述导电积木(2)通过圆柱阵列(3)拼搭在底板(1)上，所述导电积木(2)上设置有导电层(4)，所述导电层(4)的形状与导电积木(2)表面一致，拼搭在底板(1)上导电积木(2)的形状根据电磁特性确定。
本发明中，所有的导电积木(2)都能够被重复使用，可以被重复拆卸、收集并且在下次重新拼搭使用。通过在底板上拼搭不同图案形状的导电积木，可以获得低通、高通、带通或带阻等多种类型的可重构空间滤波特性，实现多频段、高阶或宽频带等更高要求的设计，进一步该设计思想还能够被拓展用于实现波束偏折、极化选择和状态切换等不同的电磁功能。
进一步的实施例中，根据电磁特性确定拼搭在底板(1)上导电积木(2)的形状的具体方法为：
首先，根据需要实现的滤波特性来确定导电积木的结构类型，例如选择非谐振结构形式可实现低通或者高通滤波特性，选择谐振结构形式可实现带通或者带阻滤波特性。特别地，对于谐振结构形式，通过在单元结构内拼搭不同尺寸或者图案形状的导电积木，可以改变通带或者阻带的谐振频率和工作带宽，例如增大或减小单元结构内导电积木尺寸能够降低或提高谐振频率；选择不同图案形状的导电积木，例如，方环、十字形和耶路撒冷十字形等，可以改变通带或者阻带的工作带宽，不同图案形状与工作带宽的对应关系可以通过仿真获得。
进一步的实施例中，底板(1)和导电积木(2)的材料可选择ABS、PVC和PC等材料。
进一步的实施例中，导电层的材料可选择导电性好、性质稳定和价格便宜的金属材料，如使用铜箔、铝箔或者导电银浆等。
实施例1
如图1～5所示，本实施例提供了一种基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料的实物模型，具有带阻滤波特性。
在本实施例中，基于谐振型十字形可重用导电积木的可重构电磁超材料工作在微波波段，阵列总尺寸为380mm×380mm，包括9×9个单元结构(6)，每个单元结构包括底板(1)以及设置在底板(1)上的十字形导电积木(2)，底板(1)和十字形导电积木(2)的材料均为ABS工程塑料，底板的厚度为1.3mm，底板上的圆柱高度为1.7mm，半径为2.4mm，通过在十字形导电积木(2)上雕刻导电铜箔胶带实现十字形导电层(4)，十字形导电积木厚度为3.235mm，十字形导电积木几何参数如图2所示，十字形导电积木两端为正方形，其具体尺寸为：l＝23.4mm，w＝7.8mm。
实施例2
如图6～10所示，本实施例提供了一种基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料的实物模型，具有低通滤波特性。
在本实施例中，基于非谐振型方形可重用导电积木的可重构电磁超材料工作在微波波段，阵列总尺寸为380mm×380mm，包括12×12个单元结构(6)，每个单元结构包括底板(1)以及设置在底板(1)上的方形导电积木(2)，底板(1)和方形导电积木(2)的材料均为ABS工程塑料，底板的厚度为1.3mm，底板上的圆柱高度为1.7mm，半径为2.4mm，通过在方形导电积木(2)雕刻导电铜箔胶带实现方形导电层(4)，方形导电积木厚度为3.235mm，方形导电积木几何参数如图7所示，具体如下：d＝15.6mm。
图11给出了基于可重用导电积木的可重构电磁超材料的仿真透射系数曲线图，包括底板、底板上拼搭谐振型十字形导电积木和底板上拼搭非谐振型方形导电积木三种情况的结果。当底板上没有拼搭导电积木时，电磁波几乎能够完全透射；当在底板上拼搭谐振型十字形导电积木时，可以在5.63GHz实现良好的带阻特性；当在底板上拼搭非谐振型方形导电积木时，可以获得低通滤波特性。这体现了本发明的基于可重用导电积木的可重构电磁超材料可实现传统超材料类似的空间滤波特性，且具有设计周期短、可重复使用、实现简单、成本较低和组装方便等优点。

Claims (5)

1.一种可重构电磁超材料，其特征在于，包括若干个周期性排布的单元结构（6），所述单元结构（6）包括底板（1）、若干不同形状的导电积木（2），所述导电积木（2）拼搭在底板（1）上，所述导电积木（2）上设置有导电层（4），且拼搭在底板（1）上的导电积木（2）的形状根据电磁特性确定，所述导电层（4）的形状与导电积木（2）表面一致；所述底板（1）上设置有周期性排列的圆柱阵列（3），所述导电积木（2）通过圆柱阵列（3）拼搭在底板（1）上。
2.根据权利要求1所述的可重构电磁超材料，其特征在于，根据电磁特性确定拼搭在底板（1）上的导电积木（2）的形状的具体方法为：
选择非谐振结构形式实现低通或者高通滤波特性，选择谐振结构形式实现带通或者带阻滤波特性。
3.根据权利要求1所述的可重构电磁超材料，其特征在于，所述导电积木（2）为方环、方形、十字形或耶路撒冷十字形。
4.根据权利要求1所述的可重构电磁超材料，其特征在于，所述底板（1）和导电积木（2）的材料为ABS、PVC或者PC。
5.根据权利要求1所述的可重构电磁超材料，其特征在于，所述导电层为铜箔、铝箔或者导电银浆。
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