CN113690626B - 一种大角度的宽带超材料吸波结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大角度的宽带超材料吸波结构及其设计方法，属于超材料技术领域。本发明根据宽带超材料吸波结构设计的近场耦合理论，考虑栅瓣效应，运用干涉相消原理，获得周期性的超材料吸波单元结构；通过采用同一行的第一谐振单元和第二谐振单元交错排布，相邻两行的第一谐振单元和第二谐振单元交错半个周期的排布方式，在拓宽吸收带宽的基础上，实现了吸波结构的大角度入射稳定性；通过调节周期单元结构尺寸参数以及介质层厚度可以调整吸波结构对应的吸收频率，不同结构的谐振单元的相互耦合也使得吸波结构在吸收率70％以上的频带得到拓宽。采用本发明设计出的超材料吸波结构制备简单，加工工艺要求较低，利于批量生产。

Description

一种大角度的宽带超材料吸波结构及其设计方法
技术领域
本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种大角度的宽带超材料吸波结构及其设计方法。
背景技术
吸波结构最早应用于军事领域，用于减少飞行武器系统的雷达散射截面，提高飞行武器的进攻性和安全性。随着吸波结构的深入研究，吸波结构的应用场景被拓宽到了更多的领域，例如：实现“隐身”功能的电磁斗篷；能够对可见光、红外线、激光或者微波辐射能量进行探测的辐射传感器；以及改善居住高楼环境的铁氧化体吸波结构瓷砖。这些应用都说明了吸波结构在如今不论是军事领域还是国民生活领域都具有丰富的应用场景以及良好的发展前景。
目前研究人员已经提出了许多吸波结构，例如专利CN 211404746 U，CN105514619 A所提出的需要加载集成电阻的超材料吸波结构。但是对于Ka或者更高频段的应用，加载集成元件的设计存在集成元件制备工艺的制约。专利CN 108718005 A提出的双谐振微波吸收器，在入射角度大于50°时，吸收效率最低值恶化至80％以下，50°以上的大角度入射稳定性问题仍需解决。专利CN 106299721 A提出的一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构。这种设计需要配置固定比例的磁性介质材料，使其制备工艺较为复杂并且成本变高，给批量生产带来极大的不便。上述吸波结构虽然能够实现微波吸收频带的展宽，但是在50°以上大角度入射时不能表现出良好的吸收稳定性。此外以上部分的吸波结构还存在制备过程比较复杂、加工工艺要求较高，不利于批量的生产等多个问题。
发明内容
为了解决宽带吸波结构在大入射角度情况下吸收体的稳定性问题，本发明提出了一种大角度的宽带超材料吸波结构及其设计方法，采用多层介质层及交错排布的谐振单元，得到一款性能优良的多层金属介质超材料吸波结构。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种大角度的宽带超材料吸波结构，包括从下至上层叠设置的金属背板、下层介质层、中层介质层、上层介质层；其特征在于，所述上层介质层和中层介质层之间设置有周期排列的上层谐振单元；所述下层介质层和中层介质层之间设置有规则排列的第一谐振单元、第二谐振单元。
所述吸波结构划分为多个周期排列的方形大单元，每个方形大单元为上下镜像对称结构；所述方形大单元的中心与上层谐振单元的中心重合，方形大单元的四个顶点分别与四个第一谐振单元的中心重合；所述第一谐振单元、第二谐振单元的边长均为方形大单元边长的二分之一。
其中，位于同一行的第一谐振单元和第二谐振单元交错排布，相邻两行的第一谐振单元和第二谐振单元交错半个周期排布。
进一步地，所述上层谐振单元为方环形金属贴片。
进一步地，所述第一谐振单元包括同心设置的内方形环、中方形环、外方形环，其中，外方形环四条边的中心位置均设置有一个开口。
进一步地，所述第二谐振单元包括同心设置的方形贴片、宽臂方形环，其中，宽臂方形环四条边的中心位置均设置有一个开口。
进一步地，所述宽臂方形环的臂宽大于内方形环、中方形环、外方形环的臂宽。
进一步地，所述方形大单元的边长取值为2-4λ，λ为工作频段中心频率波长。
一种大角度的宽带超材料吸波结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定宽带吸波结构的初始模型
吸波结构包括从下至上层叠设置的金属背板、下层介质层、中层介质层、上层介质层；所述上层介质层和中层介质层之间设置有周期排列的上层谐振单元；所述下层介质层和中层介质层之间设置有规则排列的下层谐振单元，所述下层谐振单元包括边长相同的第一谐振单元、第二谐振单元。将吸波结构划分为周期排列的方形大单元，每个方形大单元为上下镜像对称结构；所述方形大单元的中心与上层谐振单元的中心重合，方形大单元的四个顶点分别与四个第一谐振单元的中心重合；所述第一谐振单元、第二谐振单元的边长均为方形大单元边长的二分之一，且位于同一行的第一谐振单元和第二谐振单元交错排布，相邻两行的第一谐振单元和第二谐振单元交错半个周期排布。
考虑单元之间的耦合，本发明选择耦合充分并且利于周期单元性设计的方形大单元作为周期结构，每个方形大单元考虑极化不敏感的设计需求设置为上下镜像对称结构。
斜入射至吸波结构上的入射波，除了会产生透射波和反射波分量外，还可能在其他方向产生散射波分量，即为栅瓣。栅瓣的产生会极大影响大角度斜入射时吸波结构的吸波性能，而栅瓣的出现频率由斜入射角度和单元间距决定，所以在大角度斜入射情况下，需要控制单元间距，避免栅瓣的提前出现。本发明考虑栅瓣效应、大角度入射稳定性的问题并且利用近场耦合原理，设计了第一、二谐振单元的排布方式。交错的排列方式使得吸波结构获得最小单元间距，从而获得在斜入射大角度情况下，良好的吸收稳定性。
步骤2：确定下层谐振单元及方形大单元的边长初始值
根据超材料吸波结构工作频段的设计需求，确定工作频段中心频率的波长λ，在1-2λ取值范围内选取一个值作为下层谐振单元的边长初始值，方形大单元的边长初始值为下层谐振单元的边长初始值的2倍。
步骤3：确定第一谐振单元、第二谐振单元的谐振结构以及材料
根据对超材料吸波结构吸收带宽以及极化选择性的设计需求，选择基本谐振结构或基本谐振结构的组合作为第一谐振单元、第二谐振单元的谐振结构；所述基本谐振结构包括闭口环电谐振结构、开口环磁谐振结构、风车谐振结构、卍字谐振结构、方形谐振片结构等，如图2所示。选择第一谐振单元、第二谐振单元的材料；所述第一谐振单元、第二谐振单元的材料可以采用金属材料或电阻材料，金属材料包括无氧铜、铁、铝等，电阻材料包括ITO电阻薄膜、电阻油墨、电阻铜箔等。通过不同谐振结构之间的互相耦合，在工作频带内引起多谐振，从而引入多个完美吸收频点，达到展宽带宽的目的。
步骤4：确定下层介质层的厚度以及相对介电常数
根据对吸波结构的吸收效率、吸收带宽的设计需求，由吸收波段的中心波长，利用干涉相消原理计算下层介质层的最佳相对介电常数。根据最佳相对介电常数选择下层介质层的实际加工板材，然后基于实际加工板材的相对介电常数，选择金属背板和下层介质层的初始厚度、以及第一、二谐振单元的初始尺寸参数，将获得的下层谐振单元与下层介质层组合进行仿真计算下层吸波结构的s参数。
步骤5：确定中、上层介质层的初始厚度、材料以及上层谐振单元的谐振结构
根据对吸波结构的吸收效率、吸收带宽的设计需求，对步骤4所得到的s参数进行频谱分析，并且按照多层介质层的干涉相消原理获得中层介质层和上层介质层的初始厚度、材料以及选择上层谐振单元的谐振结构。
步骤6：确定宽带周期吸波结构最终优化模型
根据步骤1-5得到的初始模型参数，建立以方形大单元为周期单元的超材料吸波结构仿真模型，并进行整体吸波性能分析；根据设计目标，对超材料吸波结构的仿真模型进行电磁仿真优化，最终获得满足设计需求的大角度的宽带超材料吸波结构。
为防止入射电磁波透过吸收结构，本发明在吸波结构底层设置了金属背板以形成全反射镜面。金属背板、下层介质层与下层谐振单元，以及下层谐振单元、中层介质层与上层谐振单元构成了结构类似的两个“级联”的经典“三明治”吸波结构。多层介质的引入，可以确保入射电磁波在宽频带内实现吸波结构和空气层的良好匹配。
当电磁波入射至吸波结构上时，上层谐振单元、下层谐振单元构成的金属谐振结构在该电磁波的工作频段下产生电磁谐振。此电磁谐振是由谐振环、开口谐振环以及方形谐振片等效引入的等效电容以及等效电感共同构成的等效LC谐振电路产生。该电磁谐振使得谐振单元、有耗介质层以及底层金属背板上产生谐振电流，谐振电流通过介质层产生的介电损耗以及通过谐振单元上产生的欧姆损耗从而将电磁波吸收并转换为热能。
本发明的器件性能优势：
1.本发明提出的宽带超材料吸波结构具有多个完美吸收频点，且在各个完美吸收频点的吸波效率在99％以上，同时在设计工作频率13-33GHz范围内都保持70％以上的吸收率，满足了电磁兼容领域以及电磁隐身应用中对于超材料吸波结构多频完美吸收以及宽带的应用要求。
2.本发明的第一、第二谐振单元采用非均匀周期性交错排列，使得吸波结构拥有更加紧凑的单元排列，避免周期性的吸波结构在大入射角度场景下发生栅瓣效应，从而提升吸波结构的宽带性能以及大入射角度情况下良好的吸波性能。
3.本发明提出的宽带超材料吸波结构在75°以内TM极化入射情况下，吸波结构保持60％以上的吸波效率；在0-60°入射角度范围内，相比于其他宽带吸波结构随着入射角度增大吸收带宽恶化，本发明吸波结构随着入射角度增大吸收效率得到优化，在15-35GHz内吸收效率达到90％以上，而对于TE极化入射时，吸波结构在入射角度50°范围内保持60％以上的吸收效率。说明了本发明能够在大入射角度的应用场景下保持良好的吸波性能。
4.本发明采用的宽带超材料吸波结构相比于其他的宽带吸波结构，更容易加工且不依赖高精度的加工方式，对于关键结构几何尺寸的精度要求不高。采取的介质层材料和金属材料也是常见的FR-4介质板和无氧铜，这同时也避免了高昂的材料成本和加工成本。
附图说明
图1为本发明设计方法流程示意图。
图2为基本谐振结构示意图。
图3为本发明第一谐振单元、第二谐振单元的排列示意图(N为第一谐振单元，W为第二谐振单元)。
图4为本发明实施例结构示意图。
图5为一个周期的方形大单元结构示意图，其中(a)为第一谐振单元、第二谐振单元结构示意图，(b)为上层谐振单元结构示意图。
图6为一种大角度的宽带超材料吸波结构的单元结构侧视图。
图7为TE/TM吸波效率结果图。
图8为TM入射角度影响示意图。
图9为TE入射角度影响示意图。
附图标记说明：其中1为金属背板，2为下层介质层，3为下层谐振层，4为中层介质层，5为上层谐振层，6为上层介质层，7为外方形环，8为中方形环，9为内方形环，10为宽臂方形环，11为方形贴片，12方环形金属贴片。
具体实施方式
为了更好理解本发明所提出的设计方法，以下应用本发明提出的大角度宽带超材料吸波结构设计方法设计了一种工作于Ku、K、Ka波段的大角度宽带超材料吸波结构，下面结合附图、实例对本发明提出的大角度宽带超材料吸波结构进一步说明：
本实例需要设计的一种大角度的宽带超材料吸波结构的工作频段中心频率为20GHz，因此，下层谐振单元边长取值范围为15-30mm，选取23mm作为下层谐振单元的初始边长。
考虑到第一、二谐振单元的极化不敏感性以及吸波结构的宽带设计需求，选择如图5所示的对称开口谐振环组合结构作为第一、二谐振单元结构。所述第一谐振环单元包括同心设置的窄臂外方形环、窄臂中方形环、窄臂内方形环；第二谐振单元包括同心设置的宽臂方形环、方形贴片。其中，窄臂方形环和宽臂方形环四条边的中心位置均设置有一个开口，第二谐振单元宽臂方形环的臂宽大于窄臂内方形环、窄臂中方形环、窄臂外方形环的臂宽。
根据吸波结构的吸收效率以及带宽的设计需求，利用干涉相消原理计算下层介质层的最佳相对介电常数，根据最佳相对介电常数，选择与其具有相近介电特性的FR-4介质板作为下层介质层材料，将下层介质层的初始厚度设置为1.5mm，以及设置第一、二谐振单元的初始尺寸。然后仿真计算下层吸波结构的s参数，并进行频谱分析，按照多层介质层干涉相消原理将中、上两层介质层的初始厚度分别设置4mm以及1.5mm。上层谐振单元考虑极化敏感问题所以设置为方环形金属贴片。最后利用电磁仿真软件基于上述初始参数建立初始仿真模型并进行仿真优化，获得最优的吸波结构模型。
如图3-6所示，根据上述设计步骤，本实例的大角度的宽带超材料吸波结构包括从下至上依次层叠设置的金属背板1、下层介质层2、下层谐振层3、中层介质层4、上层谐振层5、上层介质层6。其中根据吸波结构设计加工需求，上、中、下介质层均选择相对介电常数为4.3，相对磁导率为1，覆铜层厚度为0.035mm的FR-4双层覆铜介质板。金属谐振单元通过介质板表面覆铜膜化学刻蚀法得到。下层介质层2的厚度为1.62mm，中层介质层4的厚度为4.84mm，上层介质层6的厚度为1.46mm。
本实施例中吸波结构划分为多个周期排列的方形大单元，方形大单元的尺寸为47.8mm×47.8mm。上层谐振层由周期均匀排列的上层谐振单元组成，上层谐振单元为方环形金属贴片12。下层谐振层包括第一谐振单元以及第二谐振单元，位于同一行的第一谐振单元和第二谐振单元交错排布。相邻两行的第一谐振单元和第二谐振单元交错半个周期排布。两种谐振单元采用非均匀周期性交错排列。经过与相邻单元结构进行电磁耦合以及与上层谐振单元共同进行电磁谐振形成宽带多吸收频点的工作频谱。
其中，第一谐振单元包括外方形环7、中方形环8以及内方形环9，第二谐振单元包括宽臂方形环10以及方形贴片11。外方形环7的外围尺寸为23.2mm×23.2mm，线宽为0.60mm，开口宽度为1.91mm；中方形环8的外围尺寸为13.4mm×13.4mm，线宽为0.60mm；内方形环9的外围尺寸为2.67mm×2.67mm，线宽为0.60mm；宽臂方形环10外围尺寸为23.2mm×23.2mm，线宽为1.74mm，开口宽度为1.1mm；方形贴片11的尺寸为13.01mm×13.01mm；方环形金属贴片12的外围尺寸为38.44mm×38.44mm，线宽为0.93mm。
利用电磁仿真软件CST对本实例的宽带超材料吸波结构进行全波电磁仿真分析，吸波结构单元四周设置为周期边界，上下端口采用Floquet端口模式，获得吸波结构的S参数曲线。
图7所示为本实施例的吸波效率。在12.8GHz至33GHz的工作频率内(相对带宽达到了88.2％)，本实例的吸波结构在TE/TM入射极化情况下吸收率均能达到70％以上。在13.3GHz、14.1GHz以及30.7GHz工作频率点上实现完美吸收，吸收效率达到99.9％。
图8-9为本实例吸收结构在不同入射角度情况下的吸收效果。对于TM极化而言，在入射角度小于70°的范围内，吸波结构在17-35GHz范围内保持80％以上的吸收效率。在0-60°范围，本实例不同于其它吸波结构的吸收带宽以及吸收效率会随着入射角度的增加逐渐恶化，本实例吸波结构的吸收带宽随着入射角度的增加而逐渐优化，且在60°入射角度下吸波带宽达到最优。吸波结构在TM极化60°入射情况下，在16-35GHz范围内，吸收效率稳定保持在90％以上。在TE极化50°入射角度以下吸波结构也能在13.6-35GHz范围内保持60％以上的吸收效率。说明本实例采用的吸波结构在TE/TM极化方式下均能在50°入射角度内保持良好的吸波效率。
上述仿真结果说明本发明提出的这种大角度的宽带超材料吸波结构的设计方法可以实现多频、双极化宽带以及在大入射角度情况保持高效的吸波性能，在电磁兼容、隐身材料中具有广泛的应用前景和使用价值。本发明提出的设计方法，通过改变本发明所提及的各个参数、使用本发明提及的电磁谐振排列方式，以及使用各个谐振结构的设计外形均属于本发明所保护的范畴。

Claims (6)

1.一种大角度的宽带超材料吸波结构，包括从下至上层叠设置的金属背板、下层介质层、中层介质层、上层介质层；其特征在于，所述上层介质层和中层介质层之间设置有周期排列的上层谐振单元；所述下层介质层和中层介质层之间设置有规则排列的第一谐振单元、第二谐振单元；
所述吸波结构划分为多个周期排列的方形大单元，每个方形大单元为上下镜像对称结构；所述方形大单元的中心与上层谐振单元的中心重合，方形大单元的四个顶点分别与四个第一谐振单元的中心重合；所述第一谐振单元、第二谐振单元的边长均为方形大单元边长的二分之一；其中，位于同一行的第一谐振单元和第二谐振单元交错排布，相邻两行的第一谐振单元和第二谐振单元交错半个周期排布；
所述上层谐振单元为方环形金属贴片；
所述第一谐振单元包括同心设置的内方形环、中方形环、外方形环，其中，外方形环四条边的中心位置均设置有一个开口；
所述第二谐振单元包括同心设置的方形贴片、宽臂方形环，其中，宽臂方形环四条边的中心位置均设置有一个开口。
2.如权利要求1所述的一种大角度的宽带超材料吸波结构，其特征在于，所述方形大单元的边长取值范围为2-4λ，λ为工作频段中心频率波长。
3.如权利要求1或2所述的一种大角度的宽带超材料吸波结构，其特征在于，所述宽臂方形环的臂宽大于内方形环、中方形环、外方形环的臂宽。
4.一种大角度的宽带超材料吸波结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定宽带吸波结构的初始模型
吸波结构包括从下至上层叠设置的金属背板、下层介质层、中层介质层、上层介质层；所述上层介质层和中层介质层之间设置有周期排列的上层谐振单元；所述下层介质层和中层介质层之间设置有规则排列的下层谐振单元，所述下层谐振单元包括边长相同的第一谐振单元、第二谐振单元；将吸波结构划分为周期排列的方形大单元，每个方形大单元为上下镜像对称结构；所述方形大单元的中心与上层谐振单元的中心重合，方形大单元的四个顶点分别与四个第一谐振单元的中心重合；所述第一谐振单元、第二谐振单元的边长均为方形大单元边长的二分之一，且位于同一行的第一谐振单元和第二谐振单元交错排布，相邻两行的第一谐振单元和第二谐振单元交错半个周期排布；
步骤2：确定下层谐振单元及方形大单元的边长初始值
根据超材料吸波结构工作频段的设计需求，确定工作频段中心频率的波长λ，在1-2λ取值范围内选取一个值作为下层谐振单元的边长初始值，方形大单元的边长初始值为下层谐振单元的边长初始值的2倍；
步骤3：确定第一谐振单元、第二谐振单元的谐振结构以及材料
根据对超材料吸波结构吸收带宽以及极化选择性的设计需求，选择基本谐振结构或基本谐振结构的组合作为第一谐振单元、第二谐振单元的谐振结构；选择第一谐振单元、第二谐振单元的材料，所述第一谐振单元、第二谐振单元的材料采用金属材料或电阻材料；通过不同谐振结构之间的互相耦合，在工作频带内引起多谐振，从而引入多个完美吸收频点，达到展宽带宽的目的；
步骤4：确定下层介质层的厚度以及相对介电常数
根据对吸波结构的吸收效率、吸收带宽的设计需求，由吸收波段的中心波长，利用干涉相消原理计算下层介质层的最佳相对介电常数；根据最佳相对介电常数选择下层介质层的实际加工板材，然后基于实际加工板材的相对介电常数，选择金属背板和下层介质层的初始厚度、以及第一、二谐振单元的初始尺寸参数，将获得的下层谐振单元与下层介质层组合进行仿真计算下层吸波结构的s参数；
步骤5：确定中、上层介质层的初始厚度、材料以及上层谐振单元的谐振结构
根据对吸波结构的吸收效率、吸收带宽的设计需求，对步骤4所得到的s参数进行频谱分析，按照多层介质层的干涉相消原理获得中层介质层和上层介质层的初始厚度、材料，以及选择上层谐振单元的谐振结构；
步骤6：确定宽带周期吸波结构最终优化模型
根据步骤1-5得到的初始模型参数，建立以方形大单元为周期单元的超材料吸波结构仿真模型，根据设计目标，对超材料吸波结构的仿真模型进行电磁仿真优化，最终获得满足设计需求的大角度的宽带超材料吸波结构。
5.如权利要求4所述的一种大角度的宽带超材料吸波结构的设计方法，其特征在于，所述基本谐振结构，包括闭口环电谐振结构、开口环磁谐振结构、风车谐振结构、卍字谐振结构、方形谐振片结构。
6.如权利要求5所述的一种大角度的宽带超材料吸波结构的设计方法，其特征在于，所述金属材料包括无氧铜、铁、铝；所述电阻材料包括ITO电阻薄膜、电阻油墨、电阻铜箔。
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