CN113839214B - 针对柱面电磁波的无源亚波长吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对柱面电磁波的无源亚波长吸收体，属于电磁超材料领域。该吸收体为N列电磁超材料阵列围成的筒状结构，每列电磁超材料阵列包括M个结构相同的电磁超材料单元；电磁超材料单元为中心对称结构，包括介质板、介质板外表面的金属贴片、介质板内表面的金属地；金属贴片包括同心设置的外矩形环、内开口椭圆环；内开口椭圆环通过四条金属臂连接外矩形环；外矩形环的四条臂内侧均设置有两个T形枝节。本发明通过在不影响汇聚波传播的情况下，吸收汇聚波所伴随的发散波来实现亚衍射聚焦，只需电磁波极化方向与吸收体中心轴平行，即可达成对柱面电磁波的有效吸收。

Description

针对柱面电磁波的无源亚波长吸收体
技术领域
本发明属于电磁超材料领域，具体涉及一种针对柱面电磁波的无源亚波长吸收体。
背景技术
在波动物理学中，因果格林函数描述点源的辐射，反因果格林函数描述一个球形汇聚波。在自由空间中，汇聚波聚焦之后并不会在焦点凭空消失，而是会作为一个发散波继续传播。汇聚波与发散波叠加得到振幅呈sinc函数形状的总波长，其半高宽接近λ/2，这便是衍射极限的来源。
如果消除汇聚波伴随的发散波，则能得到振幅呈1/r函数形状的总波长，其半高宽接近无穷小，便能得到一个理想的焦点，实现亚衍射聚焦。
实现亚衍射聚焦保证了在不影响汇聚波的传播的条件下对汇聚波所伴随的发散波良好地吸收，换句话说就是极大地减小了反射波的辐射。实现了亚衍射聚焦也就实现了对柱面电磁波的高吸收。
时至今日，已有很多种突破衍射极限的方法被提出。按近场和远场划分有近场超透镜、局部成像等近场方法，以及远场超透镜、双曲透镜、时间反演、频率编码等远场的方法，在此之外，目前通过超方向性和超振荡来实现亚衍射聚焦的方法也备受瞩目。目前实现亚衍射聚焦的研究中，使用超透镜这一方法的研究偏多，而通过时间反演实现亚衍射聚焦是近年才受关注的方法。目前通过时间反演实现亚衍射聚焦研究最新的进展是在2018年由Guancong Ma团队完成的，发表了文献“Towards anti-causal Green’s function forthree-dimensional sub-diffraction focusing(Ma,G.,Fan,X.,Ma,F.et al.NaturePhys14,608–612(2018))”上，该文献公开了一种基于膜吸收器的无源亚波长球状吸收体，并以此构建实验系统实现了对球形汇聚声波的亚衍射聚焦以及对声波的较高的吸收率。目前，基于时间反演实现亚衍射聚焦的研究主要是针对声波提出的，使用这种方法针对电磁波实现亚衍射聚焦的研究较少。这是这类课题主要的研究空白。
发明内容
本发明的目前是填补上述研究空白，提供一种基于时间反演技术实现的适用于柱面电磁波的无源亚波长吸收体。
本发明所采取的技术方案是：
一种适用于柱面电磁波的无源亚波长吸收体，其特征在于，该吸收体为N列电磁超材料阵列围成的筒状结构，每列电磁超材料阵列包括从上至下依次排列的M个结构相同的电磁超材料单元，其中M为大于2的整数，N为大于或等于6的整数。
所述电磁超材料单元为中心对称结构，包括介质板、设置于介质板外表面的金属贴片、设置于介质板内表面的金属地；所述金属贴片包括同心设置的外矩形环、内椭圆环；所述内椭圆环上设置有4个开口，将内椭圆环分割成四个部分；所述内椭圆环的四个部分分别通过一条金属臂连接外矩形环，且四条金属臂的中线与外矩形环的中线重合；所述外矩形环的四条臂内侧均设置有两个T形枝节，同一条臂上的两个T形枝节关于外矩形环的中线对称。
进一步地，所述介质板为介电常数为4.4，厚度为1.55mm的FR-4板材。
该电磁超表面单元吸收机理为：当结构在所需频率下的输入阻抗与自由空间阻抗有效一致时，才会出现最大吸收。由于这种阻抗匹配，电磁超表面界面不会反射电磁波。相反，入射电磁波将被电磁超表面近乎完全吸收。当电磁波入射到吸收体表面时，金属贴片会产生电共振和磁共振，将波的能量传递到介质与金属贴片上。电磁波携带的能量会由于共振伴随的欧姆损耗和结构中的介电损耗而损失，并在周围以热量的形式消散。
整个无源亚波长吸收体工作在2.8GHz频点处，通过在不影响汇聚波传播的情况下，吸收汇聚波所伴随的发散波来实现亚衍射聚焦，当电磁波极化方向与吸收体中心轴平行，即可完成对柱面电磁波的有效吸收。
本发明结构简单、尺寸小、不需要馈电网络和控制网络，其应用场景可以是需要减少电磁波反射的场合，也可以作为隐身材料发挥作用，例如构成隐形飞机的表面涂层。
附图说明
图1为本发明所述无源亚波长吸收体的三维视图；
图2为本发明所述电磁超材料单元的正视图；
图3为本发明所述电磁超材料单元的层结构图；
图4为本发明所述电磁超材料单元的S参数仿真图；
图5为本发明所述无源亚波长吸收体的各方向上对柱面电磁波的吸收系数图；
图6为柱面电磁波在本发明所述无源亚波长吸收体作用下亚衍射聚焦与在自由空间中聚焦两种情况下，一个波长内归一化电场幅值随点距焦点距离r的变化曲线对比图。
附图标号说明：(1)金属贴片，(2)介质板，(3)金属地，(4)外矩形环，(5)横向T形枝节，(6)纵向T形枝节，(7)横向金属臂，(8)纵向金属臂，(9)内椭圆环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实例提供了一种工作中心频点在2.8GHz的适用于针对柱面电磁波的无源亚波长吸收体，其正视图如图1所示，该吸收体为18列电磁超材料阵列围成的筒状结构，每列电磁超材料阵列包括从上至下依次排列的4个结构相同的电磁超材料单元。
电磁超材料单元为中心对称结构，如图3所示，包括介质板、设置于介质板外表面的金属贴片、设置于介质板内表面的金属地。其中介质板为介电常数为4.4，厚度为1.55mm的FR-4板材；介质板和金属地的尺寸为l0×w0＝15.84mm×4.17mm。
如图2所示，金属贴片包括同心设置的外矩形环、内椭圆环，外矩形环的外侧尺寸为l1×w1＝15.84mm×3.82mm，上下臂的线宽为wc2＝0.43mm，左右臂的线宽为wc1＝0.1mm，内椭圆环的外侧长轴为lc1＝3.17mm、短轴为lc2＝0.76mm，内侧长轴为lc3＝2.3mm、短轴为lc4＝0.56mm。内椭圆环上设置有4个宽度为wc3＝0.1mm的开口，将内椭圆环分割成四个部分；内椭圆环的左右部分通过横向金属臂连接外矩形环的左右臂，上下部分通过纵向金属臂连接外矩形环的上下臂，且四条金属臂的中线与外矩形环的中线重合，横向金属臂的尺寸为l6×w6＝1.46mm×0.14mm，纵向金属臂的尺寸为l7×w7＝0.6mm×0.03mm。外矩形环的四条臂内侧均设置有两个T形枝节，同一条臂上的两个T形枝节关于外矩形环的中线对称，其中横向T形枝节的尺寸为：l2×w2＝5.04mm×0.1mm，l3×w3＝0.43mm×0.14mm；纵向T形枝节的尺寸为：l4×w4＝1.22mm×0.43mm，l5×w5＝0.1mm×0.58mm。
整个无源亚波长吸收体工作在2.8GHz频点处，通过在不影响汇聚波传播的情况下，吸收汇聚波所伴随的发散波来实现亚衍射聚焦，只需电磁波极化方向与吸收体中心轴平行，即可达成对柱面电磁波的有效吸收。
图4给出了所述电磁超材料单元的S参数仿真曲线，从曲线中可以看出电磁超材料单元在2.78～2.82GHz的范围内均小于-10dB，可以保证在2.8GHz处良好的吸波性能。
图5给出了2.8GHz频点处，所述无源亚波长吸收体在柱状汇聚波辐射下的各向吸收系数，在各个方向均实现了较高的吸收率。
图6给出了2.8GHz频点处，在柱面电磁波聚焦过程中，焦点处存在所述亚波长吸收体和自由空间(不存在所述亚波长吸收体)两种情况下，一个波长内归一化电场幅值随点距焦点距离r的变化曲线对比图。吸收体表面位于r＝12mm处。从曲线可以看出，自由空间下焦点直径约为51.08mm，存在所述亚波长吸收体时，焦点直径约为25.74mm。这表明所述无源亚波长吸收体实现了亚衍射聚焦(比衍射极限小约49.61％)。
综上所述，本实例基于所述电磁超材料单元，构建了十八棱柱无源亚波长吸收体，实现了在各个方向上对柱面电磁波的有效吸收。

Claims (3)

1.一种适用于柱面电磁波的无源亚波长吸收体，其特征在于，该吸收体为N列电磁超材料阵列围成的筒状结构，每列电磁超材料阵列包括从上至下依次排列的M个结构相同的电磁超材料单元；
所述电磁超材料单元为中心对称结构，包括介质板、设置于介质板外表面的金属贴片、设置于介质板内表面的金属地；所述金属贴片包括同心设置的外矩形环、内椭圆环；所述内椭圆环上设置有4个开口，将内椭圆环分割成四个部分；所述内椭圆环的四个部分分别通过一条金属臂连接外矩形环，且四条金属臂的中线与外矩形环的中线重合；所述外矩形环的四条臂内侧均设置有两个T形枝节，同一条臂上的两个T形枝节关于外矩形环的中线对称。
2.如权利要求1所述的一种适用于柱面电磁波的无源亚波长吸收体，其特征在于，M为大于2的整数，N为大于或等于6的整数。
3.如权利要求1所述的一种适用于柱面电磁波的无源亚波长吸收体，其特征在于，所述介质板为介电常数为4.4，厚度为1.55mm的FR-4板材。
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