CN113871895A - 一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，包括依次由凹槽型谐振层、透明介质层和网状地板构成的长方体结构。所述凹槽型谐振层和网状地板采用非透明且方阻小的单一成分材料，所述透明介质层采用光学透明的单一成分材料；所述凹槽型谐振层为紧贴透明介质层上表面开有凹槽的方环，方环的线宽
Figure DDA0003246025740000011
Rs表示方环的方阻，R表示凹槽型谐振层的等效电阻，K表示一个与凹槽型谐振层形状相关的常数；所述网状地板为紧贴透明介质层下表面的蜂窝结构。本发明具有制作成本低、结构简单、加工工艺简单的优点。

Description

一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，更进一步涉及微波器件技术领域中的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器。本发明可以用于制作吸收辐射电磁波的航空航天设备、光学仪器的光窗、家用玻璃窗户。
背景技术
吸波器是一种由吸波单元周期排列组成的吸波材料，主要用于吸收空间中辐射的电磁波。在一些需要人肉眼观察和电磁波屏蔽的场合下，例如航空航天设备中飞行器的光窗、光学仪器的光窗以及手机的屏幕中往往需要添加透明吸波材料层，对吸波器的透明度提出了很高的要求。
哈尔滨工业大学在其申请的专利文献“一种基于石墨烯/透明介质与超薄掺杂金属的透明完美吸波器”(申请号：2021100612440，申请公布号：CN 113056182 A)中公开了一种基于石墨烯/透明介质与超薄掺杂金属的透明完美吸波器。该吸波器中利用共掺杂沉积方法在超薄厚度条件下得到表面连续、粗糙度极低的高质量掺杂金属膜，将石墨烯与透明介质组成石墨烯/透明介质单元，进而与超薄掺杂金属构成微波谐振腔。该吸波器存在的不足之处是，由于该吸波器采用掺杂金属膜以及石墨烯等材料，制作成本高。
西安海辰兴新材料科技有限公司在其申请的专利文献“一种基于电加热技术的”(申请号：2018206950069，申请公布号：CN 208128766 U)中公开了一种超宽带透明吸波器。该吸波器包括上层透明玻璃、介质层、下层透明玻璃、透明电阻膜、导电铜箔和透明导电膜的吸波器。该吸波器存在的不足之处是，由于该吸波器由六层结构组成，整体结构复杂，加工难度高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，用于解决现有技术的透明吸波器制作材料成本高、结构复杂和加工难度高的问题。
实现本发明目的的思路是：本发明的透明吸波器选择用价格低廉的非透明材料制作带有凹槽的方环状谐振层和蜂窝状地板，谐振层的形状是带有凹槽的方环，地板是由正六边形环单元组成的蜂窝形状，通过减小方环和正六边形环的线宽，可以增大透光面积从而实现透明。传统透明吸波器是通过选择价格高的透明材料氧化铟锡制作谐振层和地板实现透明，由此本发明解决了现有技术透明吸波器制作材料成本高的问题。本发明的透明吸波器整体结构从上到下依次可以分为谐振层、介质层、地板共三层，谐振层和地板采用非透明且方阻小的单一成分材料金、银或铜制作。介质板的采用光学透明的单一成分材料亚克力、石英或PET制作，便于PCB工艺大规模生产，传统透明吸波器需要在谐振层氧化铟锡材料上添加石墨烯等材料或者增加额外的电阻薄膜层，结构复杂导致加工难度的提升，由此本发明解决了透明吸波器结构复杂、加工难度高的问题。
为实现上述目的，本发明包括依次由凹槽型谐振层、透明介质层和网状地板构成的长方体结构，凹槽型谐振层和网状地板采用非透明且方阻小的单一成分材料，透明介质层的采用光学透明的单一成分材料，所述凹槽型谐振层为紧贴透明介质层上表面开有凹槽的方环，方环的线宽
Figure BDA0003246025720000021
Rs表示方环的方阻，R表示凹槽型谐振层的等效电阻，K表示一个与凹槽型谐振层形状相关的常数；所述网状地板为紧贴透明介质层下表面的蜂窝结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，由于本发明的凹槽型谐振层和网状地板采用非透明且方阻小的单一成分材料，透明介质层的采用光学透明的单一成分材料，非透明材料的成本要低于透明材料，克服了现有技术透明吸波器透明材料成本高的问题，使得本发明具有成本低的优点。
第二，由于本发明的透明吸波器整体结构从上到下依次可以分为谐振层、介质层、地板共三层，结构简单，克服了现有技术透明吸波器结构复杂导致加工难度的提升，使得本发明具有结构简单、加工工艺简单的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明透明吸波器的等效电路示意图；
图3是本发明凹槽谐振层俯视图；
图4是本发明网状地板俯视图；
图5是本发明的仿真实验1的仿真图；
图6是本发明的仿真实验2的仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1对本发明的整体结构作进一步详细说明。
本发明包括依次由凹槽型谐振层1、透明介质层2和网状地板3构成的长方体结构，所述凹槽型谐振层1和网状地板3采用非透明且方阻小的单一成分材料，所述透明介质层2采用光学透明的单一成分材料。所述网状地板3为紧贴透明介质层2下表面的蜂窝结构。
所述透明介质板2中光学透明材料为亚克力、石英、PET中的任意一种。
所述网状地板3中非透明且方阻小的材料为金、银、铜中的任意一种。
所述透明介质层2的厚度
Figure BDA0003246025720000031
c表示光在自由空间中的传播速度，f表示透明吸波器工作频带的中心频率，εr表示透明介质层2材料的介电常数。本发明的实施例中取c＝3×108m/s、f＝14GHz、εr＝2.7，得到透明介质板的厚度d＝3.1mm。
参照图2对本发明透明吸波器的等效电路结构作进一步详细说明。
图2中的表面谐振层1的阻抗ZRs是由等效电阻R、等效电感L和等效电容C串联得到，ZRs的值可以表示为：
Figure BDA0003246025720000032
在本发明实施例中取R＝247Ω、L＝3.501nH、C＝39.5pF。根据ZRs的值可以得到凹槽谐振层方环的边长L＝2.3mm。凹槽谐振层方环的线宽
Figure BDA0003246025720000033
Rs表示方环的方阻，R表示凹槽型谐振层的等效电阻，K表示一个与凹槽型谐振层形状相关的常数，本发明的实施例中取RS＝0.2Ω/sq、R＝247Ω、K＝0.0062，得到方环的线宽W1＝5um。中间介质层2和网状地板3的阻抗ZS可以表示为终端短路的传输线，ZS的值可以表示为：ZS＝jZd tan(βd)，
Figure BDA0003246025720000034
η表示自由空间中的波阻抗，η的取值为：η＝377Ω，μr表示介质层的磁率，εr表示介质层介电常数，β是传输电磁波的波数，d表示介质层的厚度；透明吸波器的阻抗
Figure BDA0003246025720000041
参照图3对本发明凹槽谐振层1的结构作进一步详细说明。
图3中在方环的左边沿中轴线向内开一个U形槽41，在方环的上边沿中轴线向内开一个U形槽42，在方环的右边沿中轴线向内开一个U形槽43，在方环的下边沿中轴线向内开一个U形槽44。本发明的实施例中U形槽41、42、43、44的槽口宽度均为g1＝0.2mm和深度均为h1＝0.655mm，g1、h1的取值均根据图2中所示的凹槽型谐振层1中的等效电阻R＝247Ω、等效电感L＝3.501nH和等效电容C＝39.5pF确定的。
图3中在方环左上角沿对角线向内开U形槽51，在方环右上角沿对角线向内开U形槽52，在方环右下角沿对角线向内开U形槽53，在方环左下角沿对角线向内开U形槽54，槽口宽度均为g2＝0.2mm和深度均为h2＝1.13mm，g2、h2的取值均根据图2中所示的凹槽型谐振层1中的等效电阻R＝247Ω、等效电感L＝3.501nH和等效电容C＝39.5pF确定的。
参照图4对本发明的网状地板3的结构作进一步详细说明。
本发明的网状地板3由15×15个相同的正六边形环单元镶嵌排列呈蜂窝状结构，每个正六边形环单元的线宽表示为W2、边长表示为a，本发明的实施例中每个正六边形环单元的线度W2＝4um、边长a＝180um。
下面结合本发明的工作原理对本发明再做进一步的描述。
一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器的工作频率为7-22GHz。凹槽型谐振层1和网状地板的3材料采用铜，铜的导电性能良好、方阻小且价格低廉，用铜来代替透明导电材料氧化铟锡降低透明吸波器的制作成本。通过将凹槽型谐振层1和网状地板3结构设计成方环状和蜂窝状，增大透光面积实现透明，透明介质板2通过选择透明材料亚克力实现透明。通过凹槽型谐振层1、透明介质层2和网状地板3三部分的透明设计，最终实现透明吸波器整体的光学透明。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Xeon(R)Gold6240 CPU，主频为2.60GHz，内存32GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和HFSS 2020。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明的仿真实验有两个。
仿真实验1，当恒电波TE(Transverse Electric)入射角θ＝0°、θ＝15°、θ＝30°、θ＝45°时，对透明吸波器的反射系数随着TE极化电磁波频率的变化进行仿真，得到透明吸波器反射系数曲线四条，如图5所示。图5中的横坐标表示照射在透明吸波器表面的入射电磁波频率，单位是吉赫兹GHz。纵坐标表示透明吸波器的传输系数，单位是分贝dB。图5中以空心圆圈实线标示的曲线表示当TE极化电磁波入射角θ＝0°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。图5中以实心圆圈实线标示的曲线表示当TE极化电磁波入射角θ＝15°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。图5中以空心三角形实线标示的曲线表示当TE极化电磁波入射角θ＝30°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。图5中以实心三角形标示的曲线表示当TE极化电磁波入射角θ＝45°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。综合四条曲线中可以看出当TE极化电磁波入射角0°≤θ≤30°，透明吸波器在8-20GHz频带内的反射系数小于-10dB，吸波效果达到90％以上。
仿真实验2，当恒磁波TM(Transverse Magnetic)入射角θ＝0°、θ＝15°、θ＝30°、θ＝45°时，对透明吸波器的反射系数随着TM极化电磁波频率的变化进行计算仿真，得到透明吸波器反射系数曲线四条，如图6所示。图6中的横坐标表示照射在透明吸波器表面的入射电磁波频率，单位是吉赫兹GHz。纵坐标表示透明吸波器的传输系数，单位是分贝dB。图6中以空心圆圈实线标示的曲线表示当TM极化电磁波入射角θ＝0°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。图6中以实心圆圈实线标示的曲线表示当TM极化电磁波入射角θ＝15°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。图6中以空心三角形实线标示的曲线表示当TM极化电磁波入射角θ＝30°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。图6中以实心三角形标示的曲线表示当TM极化电磁波入射角θ＝45°时照射在透明吸波器表面，透明吸波器传输系数随着入射电磁波频率变化的曲线。综合四条曲线中可以看出当TM极化电磁波入射角0°≤θ≤30°，透明吸波器在8-20GHz频带内的反射系数小于-10dB，吸波效果达到90％以上。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，包括依次由凹槽型谐振层(1)、透明介质层(2)和网状地板(3)构成的长方体结构，其特征在于，所述凹槽型谐振层(1)和网状地板(3)采用非透明且方阻小的单一成分材料，所述透明介质层(2)采用光学透明的单一成分材料；所述凹槽型谐振层(1)为紧贴透明介质层(2)上表面开有凹槽的方环，方环的线宽
Figure FDA0003246025710000011
Rs表示方环的方阻，R表示凹槽型谐振层(1)的等效电阻，K表示一个与凹槽型谐振层(1)形状相关的常数；所述网状地板(3)为紧贴透明介质层(2)下表面的蜂窝结构。
2.根据权利要求1所述的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，其特征在于，所述凹槽型谐振层(1)中非透明且方阻小的材料为金、银、铜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，其特征在于，所述凹槽型谐振层(1)方环边长L的取值根据凹槽型谐振层(1)等效电路的RLC参数确定，在方环的每个边均沿中轴线向内各开一个U形槽，每个槽口的宽度和深度的取值均根据凹槽型谐振层(1)等效电路的RLC参数确定；在方环的四个角均沿对角线向内开一个U形槽，每个槽口宽度和深度的取值均根据凹槽型谐振层(1)的等效RLC参数确定。
4.根据权利要求1所述的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，其特征在于，所述透明介质板(2)中光学透明材料为亚克力、石英、PET中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，其特征在于，所述透明介质层(2)的厚度
Figure FDA0003246025710000021
c表示光在自由空间中的传播速度，f表示透明吸波器工作频带的中心频率，εr表示透明介质层(2)材料的介电常数。
6.根据权利要求1所述的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，其特征在于，所述网状地板(3)由15×15个相同的正六边形环单元镶嵌排列呈蜂窝状结构，每个正六边形环单元的线度均为W2、边长均为a。
7.根据权利要求1所述的一种凹槽型谐振层和网状地板的透明吸波器，其特征在于，所述网状地板(3)中非透明且方阻小的材料为金、银、铜中的任意一种。
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