CN113270725B - 基于人工表面等离激元的超宽带、大角度掠入射吸波体 - Google Patents
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Abstract
提供一种超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，形状为三维立体结构，整个单元自下而上看，第一部分是水平放置的正方形金属薄片，它的边长为ds；第二部分是由4个矩形薄片依次成45°夹角拼插而成的立体结构；第二部分的4个矩形薄片分为两种，分别标记为“PartI”和“PartII”，它们的短边长度、介质板厚度和介质板材料都相同。还提供一种由上述吸波体单元构成的n×n阵列。该吸波体单元和阵列采用正交弯折型人工表面等离激元结构，将空间入射的电磁波转换成表面波，并通过高损耗介质和加载电阻的综合作用吸波，拓宽吸波带宽，大大拓展入射电磁波的角度，吸波率对电磁波入射方向的垂直和水平方位角均具有良好的稳定性，可用于设计超宽带、大角度电磁波入射时的隐身材料。
Description
技术领域
本发明涉及电磁吸波材料的设计，具体涉及一种基于人工表面等离激元的超宽带、大角度掠入射的吸波体设计。
背景技术
雷达隐身技术是衡量武器装备在战场中生存能力的一个关键指标，在电磁隐身领域，通常用雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)来表征，低RCS的武器装备能减少目标被敌方发现、识别、跟踪和攻击的概率，同时为战术规避、电子对抗技术的应用创造条件。近年来，完美电磁超材料(Metamaterial)吸波体由于其频带宽、吸波强及电磁参数可调等诸多优势，受到广泛重视。完美吸波体最早由Landy教授于2008年首次提出，文献(N.I.Landy，S.Sajuyigbe，J.J.Mock，et al.，“Perfect metamaterial absorber，”Physical Review Letters，vol.100，No.20，pp.207402，2008)利用超材料的电磁耦合特性设计出在窄带内能实现完美吸波的超材料，此后，研究者在拓展吸波体带宽上做了诸多探索，如采用磁性介质基板、多级谐振相连，以及加载电阻、电容等元器件的方法，均可以拓展吸波体的吸收带宽。然而，目前已有的电磁吸波体，在电磁波垂直入射时，吸收效果最好，而实际应用中电磁波绝少有垂直入射的情况，当电磁波倾斜入射时，电磁吸波体的吸收性能急剧恶化。
人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPP)是在微波频段模拟光波频段表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)传输的结构，它能将电磁波束缚在其表面附近，以表面波的形式进行传播，在截止频率附近处，电磁波在SSPP结构中传输的群速度近似于0，电磁波“停滞”在SSPP结构中，此时，采用高损耗介质或者加载吸收电阻，可以对电磁波进行有效吸收，这方面的研究目前还较少，尤其当电磁波入射角度增大到60°以上，甚至入射角更大接近掠入射时，目前公开报道的吸波体吸波性能会显著恶化，此外，对不同方位角的来波均在带宽内保持高效的吸波率稳定性也是当前应用中亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，在保持吸波体吸波效果的同时，为了进一步提高吸波体对大入射角、全方位角电磁波的吸波稳定性，同时拓展吸波体的吸波带宽，本发明提出一种超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，形状为三维立体结构，由两部分组成；整个单元自下而上看，第一部分是水平放置的正方形金属薄片，它的边长为ds；第二部分是由4个矩形薄片依次成45°夹角拼插而成的立体结构；第二部分的4个矩形薄片分为两种，分别标记为“PartI”和“PartII”，它们的短边长度、介质板厚度和介质板材料都相同；
“PartI”包括两片完全相同的矩形薄片，这两片矩形薄片在其长边中间沿平行于短边方向开槽，通过像拼插玩具那样，将两片矩形薄片通过槽进行拼插，使两片矩形薄片相互垂直，也就是长边方向呈90°，这两片矩形薄片的长边分别放置在正方形金属薄片的两条对角线上，因此其长边dl和正方形金属薄片的对角线长度大致相同，取值为
“PartII”亦包括两片完全相同的矩形薄片，这两片矩形薄片亦在其长边中间沿平行于短边方向开槽，通过像拼插玩具那样，将两片矩形薄片通过槽进行拼插，使两片矩形薄片相互垂直，也就是长边方向呈90°，这两片矩形薄片的长边分别放置在正方形金属薄片的两条中线上，因此其长边就是正方形金属薄片的边长ds；之后，将“PartI”和“PartII”两部分通过上述槽继续进行拼插，形成一个整体，由此必然是，两片“PartI”和两片“PartII”间隔均匀拼插放置，相邻两片之间呈45°间隔；
“PartI”的两个矩形薄片，对于平行于纸面放置的矩形薄片而言：建立相对坐标系1，坐标系的原点是水平放置正方形金属薄片的几何中心，+z方向和吸波体单元中自下而上看的方向一致；+x方向和矩形薄片的长边dl的方向一致，且指向左；+y方向垂直于纸面指向正在阅读本发明文本的个体；“PartI”矩形薄片由三层结构组成，自上而下沿-y方向看，依次是第一层加载电阻的金属条形结构、第二层矩形介质、第三层加载电阻的金属条形结构；第一层加载电阻的金属结构有两个，标记为“M1”和“M2”，它们关于z轴对称，均包含P条渐变的正交弯折金属条；对于“M1”而言：每条正交弯折金属条形分解为两个相互正交的分量，分别沿x和z方向放置，分别记为沿x方向金属条分量和沿z方向金属条分量，相应的周期性延展方向分别为+z和+x方向，长度从第1条到第P条渐变的依次线性变短；对沿x方向金属条分量而言，其沿x方向放置、沿+z方向周期型延展，第1条最长金属条最靠近水平放置的正方形金属薄片，其长度为l，它和x轴的距离为ha，和z轴的距离为ldl，第P条最短金属条的长度为ls，金属条的宽度为a，相紧邻两条金属条之间的延展周期为p，这P条金属条的中心在一条轴线m上，轴线m与z轴平行且与z轴的距离为ldl+l；对沿z方向金属条分量而言，其z方向放置、沿+x方向周期型延展，第1条最长金属条最靠近z轴，其与z轴平行并保持一定间距，第P条最短金属条的长度为hs，这P条金属条最靠近x轴的初始端点分别和沿x方向放置的P条金属条的相应端点重合；这P条金属条的宽度为a*(l-ls)/[(2*P-2)*p+2*a]，相紧邻两条金属条之间的延展周期为p*(l-ls)/[(2*P-2)*p+2*a]同上，两部分正交的2P条金属通过重合端点相结合就成了正交弯折金属条形结构；在P条正交弯折的金属条上分别刻蚀P个矩形小缝隙，P个缝隙的中点均在轴线m上，缝隙宽度为s；在这P个缝隙上焊接P个电阻；
对“M1”进行关于z轴的轴对称变换就得到“M2”；
第三层加载电阻的金属结构也有两个，标记为“M3”和“M4”，它们也关于z轴对称，对第一层的“M1”进行关于轴线m的轴对称变换并平移至第三层就得到“M3”，再对“M3”进行关于z轴的轴对称变换就得到“M4”；
“PartII”类型的矩形薄片，对于与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片而言：建立相对坐标系2，以相对坐标系1的z轴为旋转轴，把相对坐标系1顺时针旋转45°，就得到相对坐标系2；“PartII”类型薄片的建模过程，只需改变“PartI”薄片建模过程中的两个参数取值，一个是薄片长边的取值改为ds，另一个是对沿x方向放置，朝+z方向周期型延展的第1条最长金属条和z轴的距离从ldl改为lds，“PartII”矩形薄片的其余建模过程、参数设置均和“PartI”矩形薄片的建模过程相同。
在本发明的一个实施例中，
水平放置的正方形金属薄片，它的边长ds在18-22mm范围；
“PartI”和“PartII”的短边he在15-25mm范围；
对“PartI”的两个矩形薄片，对于平行于纸面放置的矩形薄片：对沿x方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度l在6.0-9.0mm范围，它和x轴的距离ha在0.5-4mm范围，和z轴的距离ldl在0.5-2.8mm范围，第P条最短金属条的长度ls在0.5-2.0mm范围，金属条的宽度a在0.3-0.8mm范围，相紧邻两条金属条之间的延展周期p在0.7-1.2mm范围；对沿z方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度h在8.0-11.0mm范围，第P条最短金属条的长度hs在0.4-1.0mm范围；P个矩形缝隙的缝隙宽度s在0.2-0.5mm范围；
对“PartII”类型的矩形薄片，对于与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片：lds在0.5-1.3mm范围。
在本发明的一个具体实施例中，
水平放置的正方形金属薄片，它的边长ds为20mm；
“PartI”和“PartII”的短边he为20mm；介质板厚度t在0.5-1.6mm范围；介质板的介电常数在2.2-4.6范围；
对“PartI”的两个矩形薄片，对于平行于纸面放置的矩形薄片：对沿x方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度l为8.0mm，它和x轴的距离ha为3mm，和z轴的距离ldl为2.5mm，第P条最短金属条的长度ls为1.0mm，金属条的宽度a为0.6mm，相紧邻两条金属条之间的延展周期p为0.9mm；对沿z方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度h为9.9mm，第P条最短金属条的长度hs为0.5mm；P个矩形缝隙的缝隙宽度s为0.4mm；在这P个缝隙上焊接的P个电阻的阻值Ri在10-500Ω范围；
对“PartII”类型的矩形薄片，对于与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片：lds为1.0mm；
刻蚀在介质两面的条形金属条厚度在0.01-0.1mm范围。、
在本发明的另一个具体实施例中，P＝10。
在本发明的又一个具体实施例中，其开槽、拼插方式如下：
开槽的槽宽有两种，其中细槽的宽度为0.9mm，粗槽的宽度为1.95mm；
组成阵列的边长1方向的13条长条结构相同，将其中一条记为条形种类1，条形种类1由13个“PartII”矩形薄片周期性延展形成，在每个“PartII”的长边中间位置，由z＝5mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，对条形种类1上的每个“PartII”薄片都进行相同的开槽处理；
组成阵列的边长2方向的13条长条结构相同，将其中一条记为条形种类2，条形种类2由13个“PartII”矩形薄片周期性延展形成，在每个“PartII”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，对条形种类2上的每个“PartII”薄片都进行相同的开槽处理；
组成阵列对角线1方向的25条长条结构的长度依次线性增加，到最大值之后，再依次线性减小，由对角线1方向看，这渐变的25条长条分别由1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，12个，11个，10个，9个，8个，7个，6个，5个，4个，3个，2个，1个“PartI”矩形薄片周期性延展形成，对于阵列对角线上最长的由13个“PartI”矩形薄片组成的长条结构而言，将其记为条形种类3，在每个“PartI”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，紧接着，由z＝15mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽1，此外，在细槽1距离dl/2处，由z＝10mm处开始，沿+z方向开长10mm的细槽2，细槽1和细槽2的宽度均为0.9mm，对条形种类3上的每个“PartI”薄片都进行相同的开槽处理，其余24条长条结构开槽方式一样，随着“PartII”矩形薄片个数的减少，开槽数量相应减少；
组成阵列对角线2方向的25条长条结构长度依次线性的增加，到最大值之后，再依次线性减小，由对角线2方向看，这渐变的25条长条分别由1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，12个，11个，10个，9个，8个，7个，6个，5个，4个，3个，2个，1个“PartI”矩形薄片周期性延展形成，对阵列对角线上最长的由13个“PartI”矩形薄片组成的长条结构而言，将其记为条形种类4，在每个“PartI”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽1，此外，在距离粗槽dl/2处，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的细槽2，细槽1和细槽2的宽度均为0.9mm，对条形种类4上的每个“PartI”薄片都进行相同的开槽处理，其余24条长条结构开槽方式一样，随着“PartI”矩形薄片个数的减少，开槽数量相应减少；
拼插时，按照条形种类1，条形种类2，条形种类3，条形种类4的顺序，按照图6所示的方向进行拼插，就得到13×13的吸波阵列。
还提供一种超宽带、大角度掠入射的吸波体单元阵列，由权利要求1-5的任何一项所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元组成，将所述吸波体单元在二维方向进行周期性延展就得到阵列，阵列由n×n的吸波体单元周期性组成，n的取值在7-150的范围。
在本发明的一个具体实施例中，n＝13。
本发明的吸波体单元和阵列能够极大拓展吸收带宽，在电磁波大角度、甚至是近似掠入射时仍对本领域所熟知的TE和TM模式电磁波均具有良好的吸波功能，并对入射方向水平方位角具有良好的稳定性，可用于设计超宽带、大角度电磁波入射时的隐身材料，大幅减缩隐身材料的双站RCS，实际工程应用中电磁波极少会有垂直入射至隐身材料表面的情况，本发明设计的这种吸波体在隐身的工程应用中更能满足实际需求。
附图说明
图1示出本发明提出的吸波体单元，其中图1(a)是单元的立体结构图，图1(b)是“PartI”的矩形薄片，图1(c)是“PartI”矩形薄片的正面示意图；图1(d)是“PartII”的矩形薄片，图1(e)是“PartII”矩形薄片的正面示意图；
图2示出本发明提出的吸波体单元在TE模式电磁波入射下，入射方向水平方位角
入射角θ取值不同时的吸波率，其中图2(a)是入射角θ取0°-40°时的吸波率，图2(b)是入射角θ取60°-70°时的吸波率；
图3示出本发明提出的吸波体单元在TE模式电磁波入射下，吸波率随入射方向水平方位角
的变化趋势，其中图3(a)是入射角θ＝0°时的吸波率，图3(b)是入射角θ＝60°时的吸波率；
图4示出本发明提出的吸波体单元在TM模式电磁波入射下，入射方向水平方位角
入射角θ取值不同时的吸波率，其中图4(a)是入射角θ取0°-40°时的吸波率，图4(b)是入射角θ取60°-80°时的吸波率；
图5示出本发明提出的吸波体单元在TM模式电磁波入射下，吸波率随入射方向水平方位角
的变化趋势，其中图5(a)是入射角θ＝0°时的吸波率，图5(b)是入射角θ＝60°时的吸波率，图5(c)是入射角θ＝70°时的吸波率。
图6示出由13×13的吸波体单元组成的阵列实例。
图7示出组成13×13阵列时的开槽、拼接方式，其中图7(a)和图7(b)是阵列边长方向长条结构的开槽示意图，图7(c)和图7(d)是阵列对角线方向长条结构的开槽示意图。
具体实施方式
本发明提出一种超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，如图1所示，形状为三维立体结构，由两部分组成。整个单元自下而上看，第一部分是水平放置的正方形金属薄片，它的边长ds在18-22mm范围，优选值为20mm；第二部分是由4个矩形薄片依次成45°夹角拼插而成的立体结构。第二部分的4个矩形薄片分为两种，分别标记为“PartI”和“PartII”，它们的短边(即图1(a)中的竖直边)长度、介质板厚度和介质板材料都相同。“PartI”和“PartII”的短边he在15-25mm范围，优选值为20mm；介质板厚度t在0.5-1.6mm范围，优选值为0.8mm；介质板的介电常数在2.2-4.6范围，优选值为4.4，损耗角正切在0.02-0.034范围，优选值为0.034。“PartI”包括两片完全相同的矩形薄片，这两片矩形薄片在其长边中间沿平行于短边方向开槽，通过像拼插玩具那样，将两片矩形薄片通过槽进行拼插(开槽、拼插方式在后文组成阵列时详细介绍)，使两片矩形薄片相互垂直(长边方向呈90°)，这两片矩形薄片的长边分别放置在正方形金属薄片的两条对角线上，因此其长边dl和正方形金属薄片的对角线长度大致相同，取值为
“PartII”亦包括两片完全相同的矩形薄片，这两片矩形薄片亦在其长边中间沿平行于短边方向开槽，通过像拼插玩具那样，将两片矩形薄片通过槽进行拼插(开槽、拼插方式在后文组成阵列时详细介绍)，使两片矩形薄片相互垂直(长边方向呈90°)，这两片矩形薄片的长边分别放置在正方形金属薄片的两条中线上，因此其长边就是正方形金属薄片的边长ds。之后，将“PartI”和“PartII”两部分通过上述槽继续进行拼插，形成一个整体，由此必然是，两片“PartI”和两片“PartII”间隔均匀拼插放置，相邻两片之间呈45°间隔。
对“PartI”的两个矩形薄片，以平行于纸面放置的矩形薄片为例进行说明：如图1(b)所示，建立相对坐标系1，坐标系的原点是水平放置正方形金属薄片的几何中心，+z方向和吸波体单元中自下而上看的方向一致；+x方向和矩形薄片的长边dl的方向一致，且指向左；+y方向垂直于纸面指向正在阅读本发明文本的个体；在图1(b)中，自上而下沿-y方向看就是图1(c)的正面视图。“PartI”矩形薄片由三层结构组成，自上而下沿-y方向看，依次是第一层加载电阻的金属条形结构、第二层矩形介质、第三层加载电阻的金属条形结构。第一层加载电阻的金属结构有两个，标记为“M1”和“M2”，它们关于z轴对称，均包含10条渐变的正交弯折金属条。以“M1”为例进行说明：每条正交弯折金属条形分解为两个相互正交的分量，分别沿x和z方向放置，可分别记为沿x方向金属条分量和沿z方向金属条分量，相应的周期性延展方向分别为+z和+x方向，长度从第1条到第10条渐变的依次线性变短。对沿x方向金属条分量而言，其沿x方向放置、沿+z方向周期型延展，第1条最长金属条最靠近水平放置的正方形金属薄片，其长度l在6.0-9.0mm范围，优选值为8.0mm，它和x轴的距离ha在0.5-4mm范围，优选值为3mm，和z轴的距离ldl在0.5-2.8mm范围，优选值为2.5mm，第10条最短金属条的长度ls在0.5-2.0mm范围，优选值为1.0mm，金属条的宽度a在0.3-0.8mm范围，优选值为0.6mm，相紧邻两条金属条之间的延展周期p在0.7-1.2mm范围，优选值为0.9mm，这10条金属条的中心在一条轴线m上，轴线m与z轴平行且与z轴的距离为ldl+l。对沿z方向金属条分量而言，其z方向放置、沿+x方向周期型延展，第1条最长金属条最靠近z轴，其与z轴平行并保持一定间距，其长度h在8.0-11.0mm范围，优选值为9.9mm，第10条最短金属条的长度hs在0.4-1.0mm范围，优选值为0.5mm，这10条金属条最靠近x轴的初始端点分别和沿x方向放置的10条金属条的相应端点重合。这10条金属条的宽度为a*(l-ls)/(18*p+2*a)，相紧邻两条金属条之间的延展周期为p*(l-ls)/(18*p+2*a)，两部分正交的20条金属通过重合端点相结合就成了正交弯折金属条形结构。在10条正交弯折的金属条上分别刻蚀10个矩形小缝隙，10个缝隙的中点均在轴线m上，缝隙宽度s在0.2-0.5mm范围，优选值为0.4mm；在这10个缝隙上焊接10个0201型电阻，电阻的封装尺寸为0.6×0.3mm，阻值Ri在10-500Ω范围，优选值为200Ω。矩形小缝隙及焊接0201型电阻的技术为本领域技术人员熟知，不再累述。
对“M1”进行关于z轴的轴对称变换就得到“M2”。
第三层加载电阻的金属结构也有两个，标记为“M3”和“M4”，它们也关于z轴对称，对第一层的“M1”进行关于轴线m的轴对称变换并平移至第三层就得到“M3”，再对“M3”进行关于z轴的轴对称变换就得到“M4”。
对“PartII”类型的矩形薄片，以与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片为例进行说明：如图1(d)，建立相对坐标系2，以相对坐标系1的z轴为旋转轴，把相对坐标系1顺时针旋转45°，就得到相对坐标系2，在图1(d)中，自上而下沿-y方向看就是图1(e)的正面视图。“PartII”类型薄片的建模过程，只需改变“PartI”薄片建模过程中的两个参数取值，一个是薄片长边的取值改为ds，另一个是对沿x方向放置，朝+z方向周期型延展的第1条最长金属条和z轴的距离从ldl改为lds，lds在0.5-1.3mm范围，优选值为1.0mm，“PartII”矩形薄片的其余建模过程、参数设置均和“PartI”矩形薄片的建模过程相同。
刻蚀在介质两面的条形金属条厚度在0.01-0.1mm范围，优选值为0.035mm。
还提出一种由上述吸波体单元构成的阵列，将上述设计的吸波体单元在二维方向进行周期性延展就得到阵列，阵列由n×n的吸波体单元周期性组成，n的取值在7-150的范围。在本发明的一个具体实施例中，吸波体阵列的n＝13，阵列如图6所示。下面详细介绍组成13×13阵列时的开槽、拼插方式：开槽的槽宽有两种，其中细槽的宽度为0.9mm，粗槽的宽度为1.95mm。
组成如图6所示阵列的边长1方向的13条长条结构相同，取其中一条进行说明，记为条形种类1，如图7(a)所示，条形种类1由13个“PartII”矩形薄片周期性延展形成，在每个“PartII”的长边中间位置，由z＝5mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，图7(a)中局部放大的图形是进行上述开槽之后的“PartII”矩形薄片，对条形种类1上的每个“PartII”薄片都进行相同的开槽处理。
组成如图6所示阵列的边长2方向的13条长条结构相同，取其中一条进行说明，记为条形种类2，如图7(b)所示，条形种类2由13个“PartII”矩形薄片周期性延展形成，在每个“PartII”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，图7(b)中局部放大的图形是进行上述开槽之后的“PartII”矩形薄片，对条形种类2上的每个“PartII”薄片都进行相同的开槽处理。
组成如图6所示阵列对角线1方向的25条长条结构的长度依次线性增加，到最大值之后，再依次线性减小，由图6所示的对角线1箭头方向看，这渐变的25条长条分别由1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，12个，11个，10个，9个，8个，7个，6个，5个，4个，3个，2个，1个“PartI”矩形薄片周期性延展形成，取阵列对角线上最长的由13个“PartI”矩形薄片组成的长条结构进行说明，记为条形种类3，在每个“PartI”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，紧接着，由z＝15mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽1，此外，在细槽1距离dl/2处，由z＝10mm处开始，沿+z方向开长10mm的细槽2，细槽1和细槽2的宽度均为0.9mm，图7(c)中局部放大的图形是进行上述开槽之后的“PartI”矩形薄片，对条形种类3上的每个“PartI”薄片都进行相同的开槽处理，其余24条长条结构开槽方式一样，随着“PartII”矩形薄片个数的减少，开槽数量相应减少。
组成如图6所示阵列对角线2方向的25条长条结构长度依次线性的增加，到最大值之后，再依次线性减小，由图6所示的对角线2箭头方向看，这渐变的25条长条分别由1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，12个，11个，10个，9个，8个，7个，6个，5个，4个，3个，2个，1个“PartI”矩形薄片周期性延展形成，取阵列对角线上最长的由13个“PartI”矩形薄片组成的长条结构进行说明，记为条形种类4，在每个“PartI”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽1，此外，在距离粗槽dl/2处，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的细槽2，细槽1和细槽2的宽度均为0.9mm，图7(d)中局部放大的图形是进行上述开槽之后的“PartI”矩形薄片，对条形种类4上的每个“PartI”薄片都进行相同的开槽处理，其余24条长条结构开槽方式一样，随着“PartI”矩形薄片个数的减少，开槽数量相应减少。
拼插时，按照条形种类1，条形种类2，条形种类3，条形种类4的顺序，按照图6所示的方向进行拼插，就得到13×13的吸波阵列。
也可以用本领域技术人员熟知的其他方法开槽，只要能达到如图1和如图6所示的拼插效果即可，具体开槽方式很多，不再一一累述。
对本发明的吸波体单元进行模拟仿真，仿真软件采用CST STUDIO SUITE 2018，在Flouquet模式的边界条件下对模型进行仿真计算。如图1(a)，电磁波入射方向的垂直方位角为θ，水平方位角为
当电磁波以本领域熟知的TE模式入射，且
时，图2给出吸波体单元在θ取0-70°时的吸波率，从图2可以看出，在4-40GHz频带范围内，θ取0-40°时吸波率都能达到90％以上，在θ取60°时吸波率稳定在80％以上，当θ取70°时，吸波率也能在4-40GHz的大部分保持在80％以上。图3给出在θ固定时，吸波率随
的变化，可以看出，电磁波垂直入射时(θ＝0°)，
改变时吸波率不变，电磁波以θ＝60°大角度入射时，
改变时吸波率均保持在80％以上，吸波率对
具有良好的稳定性。
当电磁波以本领域熟知的TM模式入射且
时，图4给出吸波体单元在θ取0-80°时的吸波率，从图4可以看出，在4-40GHz的频带范围内，θ取0-40°时吸波率都能达到90％以上，在θ取60-70°时吸波率能在6-40GHz稳定在90％以上，在θ取75°时吸波率能在6-40GHz稳定在80％以上，甚至当θ取80°时，吸波率也能在7.3-15.8GHz保持在80％以上。图5给出在θ固定时，吸波率随
的变化，可以看出，电磁波垂直入射时(θ＝0°)，
改变时吸波率不变，电磁波以θ＝60°入射时，
改变时吸波率也几乎不变，稳定在90％以上，在电磁波以θ＝70°大角度入射时，吸波率仍对
具有很好的稳定性，吸波率均稳定在80％以上。
本发明的超宽带、大角度掠入射吸波体，采用正交弯折型人工表面等离激元结构，将空间入射的电磁波转换成表面波，并通过高损耗介质和加载电阻的综合作用进行吸波，克服了吸波带宽窄、电磁波入射角度小的缺点，拓宽了吸波带宽，特别是极大的拓展了入射电磁波的角度，同时吸波率对电磁波入射角和水平方位角均具有良好的稳定性，可用于设计超宽带、大角度电磁波入射时的隐身材料，在电磁隐身领域具有较高的工程应用价值。
Claims (7)
1.一种超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，其特征在于，形状为三维立体结构，由两部分组成；整个单元自下而上看，第一部分是水平放置的正方形金属薄片，它的边长为ds；第二部分是由4个矩形薄片依次成45°夹角拼插而成的立体结构；第二部分的4个矩形薄片分为两种，分别标记为“PartI”和“PartII”，它们的短边长度、介质板厚度和介质板材料都相同；
“PartI”包括两片完全相同的矩形薄片，这两片矩形薄片在其长边中间沿平行于短边方向开槽，通过像拼插玩具那样，将两片矩形薄片通过槽进行拼插，使两片矩形薄片相互垂直，也就是长边方向呈90°，这两片矩形薄片的长边分别放置在正方形金属薄片的两条对角线上，因此其长边dl和正方形金属薄片的对角线长度相同，取值为
“PartII”亦包括两片完全相同的矩形薄片，这两片矩形薄片亦在其长边中间沿平行于短边方向开槽，通过将两片矩形薄片通过槽进行拼插，使两片矩形薄片相互垂直，也就是长边方向呈90°，这两片矩形薄片的长边分别放置在正方形金属薄片的两条中线上，因此其长边就是正方形金属薄片的边长ds；之后，将“PartI”和“PartII”两部分通过上述槽继续进行拼插，形成一个整体，由此必然是，两片“PartI”和两片“PartII”间隔均匀拼插放置，相邻两片之间呈45°间隔；
“PartI”的两个矩形薄片，对于平行于纸面放置的矩形薄片而言：建立第一坐标系，第一坐标系的原点是水平放置正方形金属薄片的几何中心，+z方向和吸波体单元中自下而上看的方向一致；+x方向和矩形薄片的长边dl的方向一致，且指向左；+y方向垂直于纸面指向正在阅读本发明文本的个体；“PartI”矩形薄片由三层结构组成，自上而下沿-y方向看，依次是第一层加载电阻的金属条形结构、第二层矩形介质、第三层加载电阻的金属条形结构；第一层加载电阻的金属结构有两个，标记为“M1”和“M2”，它们关于z轴对称，均包含P条渐变的正交弯折金属条；对于“M1”而言：每条正交弯折金属条形分解为两个相互正交的分量，分别沿x和z方向放置，分别记为沿x方向金属条分量和沿z方向金属条分量，相应的周期性延展方向分别为+z和+x方向，长度从第1条到第P条渐变的依次线性变短；对沿x方向金属条分量而言，其沿x方向放置、沿+z方向周期型延展，第1条最长金属条最靠近水平放置的正方形金属薄片，其长度为l，它和x轴的距离为ha，和z轴的距离为ldl，第P条最短金属条的长度为ls，金属条的宽度为a，相紧邻两条金属条之间的延展周期为p，这P条金属条的中心在一条轴线m上，轴线m与z轴平行且与z轴的距离为ldl+l；对沿z方向金属条分量而言，其z方向放置、沿+x方向周期型延展，第1条最长金属条最靠近z轴，其与z轴平行并保持一定间距，第P条最短金属条的长度为hs，这P条金属条最靠近x轴的初始端点分别和沿x方向放置的P条金属条的相应端点重合；这P条金属条的宽度为a*(l-ls)/[(2*P-2)*p+2*a]，相紧邻两条金属条之间的延展周期为p*(l-ls)/[(2*P-2)*p+2*a]同上，两部分正交的2P条金属通过重合端点相结合就成了正交弯折金属条形结构；在P条正交弯折的金属条上分别刻蚀P个矩形小缝隙，P个缝隙的中点均在轴线m上，缝隙宽度为s；在这P个缝隙上焊接P个电阻；
对“M1”进行关于z轴的轴对称变换就得到“M2”；
第三层加载电阻的金属结构也有两个，标记为“M3”和“M4”，它们也关于z轴对称，对第一层的“M1”进行关于轴线m的轴对称变换并平移至第三层就得到“M3”，再对“M3”进行关于z轴的轴对称变换就得到“M4”；
“PartII”类型的矩形薄片，对于与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片而言：建立第二坐标系，以第一坐标系的z轴为旋转轴，把第一坐标系顺时针旋转45°，就得到第二坐标系；“PartII”类型薄片的建模过程，只需改变“PartI”薄片建模过程中的两个参数取值，一个是薄片长边的取值改为ds，另一个是对沿x方向放置，朝+z方向周期型延展的第1条最长金属条和z轴的距离从ldl改为lds，“PartII”矩形薄片的其余建模过程、参数设置均和“PartI”矩形薄片的建模过程相同。
2.如权利要求1所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，其特征在于，
水平放置的正方形金属薄片，它的边长ds在18-22mm范围；
“PartI”和“PartII”的短边he在15-25mm范围；
对“PartI”的两个矩形薄片，对于平行于纸面放置的矩形薄片：对沿x方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度l在6.0-9.0mm范围，它和x轴的距离ha在0.5-4mm范围，和z轴的距离ldl在0.5-2.8mm范围，第P条最短金属条的长度ls在0.5-2.0mm范围，金属条的宽度a在0.3-0.8mm范围，相紧邻两条金属条之间的延展周期p在0.7-1.2mm范围；对沿z方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度h在8.0-11.0mm范围，第P条最短金属条的长度hs在0.4-1.0mm范围；P个矩形缝隙的缝隙宽度s在0.2-0.5mm范围；
对“PartII”类型的矩形薄片，对于与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片：lds在0.5-1.3mm范围。
3.如权利要求2所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，其特征在于，
水平放置的正方形金属薄片，它的边长ds为20mm；
“PartI”和“PartII”的短边he为20mm；介质板厚度t在0.5-1.6mm范围；介质板的介电常数在2.2-4.6范围；
对“PartI”的两个矩形薄片，对于平行于纸面放置的矩形薄片：对沿x方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度l为8.0mm，它和x轴的距离ha为3mm，和z轴的距离ldl为2.5mm，第P条最短金属条的长度ls为1.0mm，金属条的宽度a为0.6mm，相紧邻两条金属条之间的延展周期p为0.9mm；对沿z方向金属条分量而言，第1条最长金属条的长度h为9.9mm，第P条最短金属条的长度hs为0.5mm；P个矩形缝隙的缝隙宽度s为0.4mm；在这P个缝隙上焊接的P个电阻的阻值Ri在10-500Ω范围；
对“PartII”类型的矩形薄片，对于与平行于纸面放置的矩形薄片沿顺时针方向旋转45°的矩形薄片：lds为1.0mm；
刻蚀在介质两面的条形金属条厚度在0.01-0.1mm范围。
4.如权利要求1至3的任何一项所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，其特征在于，P＝10。
5.如权利要求4所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元，其特征在于，其开槽、拼插方式如下：
开槽的槽宽有两种，其中细槽的宽度为0.9mm，粗槽的宽度为1.95mm；
组成阵列的边长1方向的13条长条结构相同，将其中一条记为第一条形种类，第一条形种类由13个“PartII”矩形薄片周期性延展形成，在每个“PartII”的长边中间位置，由z＝5mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，对第一条形种类上的每个“PartII”薄片都进行相同的开槽处理；
组成阵列的边长2方向的13条长条结构相同，将其中一条记为第二条形种类，第二条形种类由13个“PartII”矩形薄片周期性延展形成，在每个“PartII”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，对第二条形种类上的每个“PartII”薄片都进行相同的开槽处理；
组成阵列对角线1方向的25条长条结构的长度依次线性增加，到最大值之后，再依次线性减小，由对角线1方向看，这渐变的25条长条分别由1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，12个，11个，10个，9个，8个，7个，6个，5个，4个，3个，2个，1个“PartI”矩形薄片周期性延展形成，对于阵列对角线上最长的由13个“PartI”矩形薄片组成的长条结构而言，将其记为第三条形种类，在每个“PartI”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，紧接着，由z＝15mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽1，此外，在细槽1距离dl/2处，由z＝10mm处开始，沿+z方向开长10mm的细槽2，细槽1和细槽2的宽度均为0.9mm，对第三条形种类上的每个“PartI”薄片都进行相同的开槽处理，其余24条长条结构开槽方式一样，随着“PartII”矩形薄片个数的减少，开槽数量相应减少；
组成阵列对角线2方向的25条长条结构长度依次线性的增加，到最大值之后，再依次线性减小，由对角线2方向看，这渐变的25条长条分别由1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，12个，11个，10个，9个，8个，7个，6个，5个，4个，3个，2个，1个“PartI”矩形薄片周期性延展形成，对阵列对角线上最长的由13个“PartI”矩形薄片组成的长条结构而言，将其记为第四条形种类，在每个“PartI”的长边中间位置，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的粗槽，紧接着，由z＝10mm处开始，沿+z方向开一条长5mm的细槽1，此外，在距离粗槽dl/2处，由z＝0处开始，沿+z方向开一条长10mm的细槽2，细槽1和细槽2的宽度均为0.9mm，对第四条形种类上的每个“PartI”薄片都进行相同的开槽处理，其余24条长条结构开槽方式一样，随着“PartI”矩形薄片个数的减少，开槽数量相应减少；
拼插时，按照第一条形种类，第二条形种类，第三条形种类，第四条形种类的顺序，按照图6所示的方向进行拼插，就得到13×13的吸波阵列。
6.一种超宽带、大角度掠入射的吸波体单元阵列，其特征在于，由权利要求1-5的任何一项所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元组成，将所述吸波体单元在二维方向进行周期性延展就得到阵列，阵列由n×n的吸波体单元周期性组成，n的取值在7-150的范围。
7.如权利要求6所述的超宽带、大角度掠入射的吸波体单元阵列，其特征在于，n＝13。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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