CN114142246A - 一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体及制备方法，其中，该吸波体包括：吸波单元支撑平台，基底以及电阻膜吸波结构；吸波单元支撑平台的底部设置有基底，吸波单元支撑平台的侧壁沿基底所在平面倾斜设置，吸波单元支撑平台的侧壁上设置有电阻膜吸波结构，其中，电阻膜吸波结构包括至少一个条状电阻膜，相邻两个条状电阻膜之间的间距由吸波单元支撑平台侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜的长度比例因子确定，长度比例因子为相邻两个条状电阻膜的长度的比值。通过本申请中的技术方案，解决了吸波体结构工作带宽较窄的问题，并提高吸波体对电磁波入射角度的适用范围，有助于降低吸波体结构的复杂程度和生产成本。

Description

一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体及制备方法

技术领域

本申请涉及超材料吸波的技术领域，具体而言，涉及一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体以及一种宽频大角度超材料吸波体的制备方法。

背景技术

超材料吸波体凭借其在能量收集、探测、隐身技术等领域的潜在应用受到了广泛关注。然而目前吸波体只能在电磁波垂直入射的情况下稳定工作，一旦入射角度发生改变，其谐振频率和工作带宽会发生剧烈变化，因而限制了吸波体在电磁波超材料吸波领域的应用和推广。

目前提升入射角度不敏感性的主要方法是采用多重旋转对称性金属单元结构或平面电小单元，使其在不同电磁波入射角度下产生相似电磁响应。而由于平面金属单元共振特性，使得现有吸波结构的工作带宽相对较窄，无法满足宽频吸波的需求。而拓展吸波带宽的方式主要有：通过平面多谐振单元结构或多层结构堆叠实现多吸收峰级联、加载集总元件进行损耗吸波等。

现有吸波技术中，超材料吸波体无法同时满足宽频吸波和大角度吸波特性，其原因有以下三个方面：

一是平面上的多重旋转对称性金属单元结构或电小型金属单元结构会产生局域化电流，使得工作带宽较窄；

二是现有吸波技术拓展带宽的方式通常采用多层结构堆叠或加载集总元件，而这种方式由于引入多层结构，导致吸波体厚度较厚，加载集总元件使得吸波体加工工艺复杂，增加了生产成本，另外，采用这种方式增加的斜入射角度范围依然也非常有限，性价比偏低；

三是现有吸波技术大多是基于平面结构，在不同角度入射下投影作用，使得单元等效电长度发生变化，导致工作频点偏移从而影响工作带宽。

发明内容

本申请的目的在于：解决吸波体结构工作带宽较窄的问题，并提高吸波体对电磁波入射角度的适用范围，降低吸波体结构的复杂程度和生产成本。

本申请第一方面的技术方案是：提供了一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体及制备方法，该吸波体包括：吸波单元支撑平台，基底以及电阻膜吸波结构；吸波单元支撑平台的底部设置有基底，吸波单元支撑平台的侧壁沿基底所在平面倾斜设置，吸波单元支撑平台的侧壁上设置有电阻膜吸波结构，其中，电阻膜吸波结构包括至少一个条状电阻膜，相邻两个条状电阻膜之间的间距由吸波单元支撑平台侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜的长度比例因子确定，长度比例因子为相邻两个条状电阻膜的长度的比值。

上述任一项技术方案中，进一步地，吸波单元支撑平台为三维棱台，吸波单元支撑平台由四个大小相同的侧壁围成，侧壁为梯形。

上述任一项技术方案中，进一步地，电阻膜吸波结构还包括：方环电阻膜；方环电阻膜设置于吸波单元支撑平台的上底面。

上述任一项技术方案中，进一步地，吸波体还包括：底板；底板设置于基底的下方，底板为连续ITO薄膜或金属板。

上述任一项技术方案中，进一步地，相邻两个条状电阻膜之间的间距由吸波单元支撑平台侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜的长度比例因子确定，具体包括：

步骤1，将第一条条状电阻膜的长度设定为初始长度，根据初始长度、倾斜角度以及吸波单元支撑平台的下底面边长，计算第一条条状电阻膜底边与吸波单元支撑平台的下底面之间的初始距离，初始距离的计算公式为：

式中，L₀为初始长度，a₂为下底面边长，α为倾斜角度，d₀为初始距离；

步骤2，根据初始长度、倾斜角度、条状电阻膜的宽度以及长度比例因子，由下至上依次计算相邻两个条状电阻膜之间的间距，对应的计算公式为：

式中，n为条状电阻膜的编号，n＝0,1,2,…，d_n+1为第n+1条条状电阻膜与第n条条状电阻膜之间的间距，τ为长度比例因子，

其中，倾斜角度为吸波单元支撑平台的侧壁与基底所在平面之间的夹角。

本申请第二方面的技术方案是：提供了一种宽频大角度超材料吸波体的制备方法，该吸波体的制备方法包括：步骤100，基于吸波体的工作频率，确定吸波体中吸波单元支撑平台的周期及高度，其中，吸波单元支撑平台为三维棱台；步骤200，根据吸波单元支撑平台侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜的长度比例因子，确定相邻两个条状电阻膜之间的间距，以在吸波单元支撑平台的侧壁上设置多个条状电阻膜，制成初始吸波模型，其中，倾斜角度为吸波单元支撑平台的侧壁与基底所在平面之间的夹角，基底设置于吸波单元支撑平台的底部；步骤300，根据初始吸波模型的吸波参数，通过仿真优化方式，确定吸波体制备参数。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤200具体包括：

步骤201，将第一条条状电阻膜的长度设定为初始长度，根据初始长度、倾斜角度以及吸波单元支撑平台的下底面边长，计算第一条条状电阻膜底边与吸波单元支撑平台的下底面之间的初始距离，初始距离的计算公式为：

式中，L₀为初始长度，a₂为下底面边长，α为倾斜角度，d₀为初始距离；

步骤202，根据初始长度、倾斜角度、条状电阻膜的宽度以及长度比例因子，由下至上依次计算相邻两个条状电阻膜之间的间距，对应的计算公式为：

式中，n为条状电阻膜的编号，n＝0,1,2,…，d_n+1为第n+1条条状电阻膜与第n条条状电阻膜之间的间距，τ为长度比例因子。

上述任一项技术方案中，进一步地，吸波单元支撑平台和基底由3D打印技术，采用工程树脂材料，一体化打印而成。

上述任一项技术方案中，进一步地，制备方法还包括：步骤400，在吸波单元支撑平台的上底面设置方环电阻膜；步骤500，在基底的下方设置底板，其中，底板为连续ITO薄膜或金属板。

本申请的有益效果是：

本申请中的技术方案，通过在吸波单元支撑平台倾斜设置的侧壁上放置多个阻抗渐变的条状电阻膜，实现了对能够同时满足宽频带和大角度吸波的吸波体设计，该吸波体具有非常可观的斜入射工作带宽，尤其是对于60°斜入射电磁波时，TE和TM极化波下吸收率达到80％以上且带宽达8-18GHz。

在本申请的优选实现方式中，通过将吸波单元支撑平台由传统的平板式结构，调整为三维棱台，并结合设计需求可对其侧壁的倾斜角度进行调整，进一步提升了本申请吸波体的设计自由度；并且，通过这种平台结构的调整，可以充分利用3D打印技术和电阻膜，有效避免了以往多层棱台吸波体金属加工复杂性。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体的示意图；

图2是根据本申请的一个实施例的吸波体在不同倾斜角度下的吸收率；

图3是根据本申请的一个实施例的不同斜入射角和不同倾斜角度下的吸收率；

图4是根据本申请的一个实施例的倾斜角度α＝30°时TE极化波下吸波体在12GHz处不同入射角下的电场分布图；

图5是根据本申请的一个实施例的倾斜角度α＝30°时TM极化波下吸波体在12GHz处不同斜入射角下的电场分布图；

图6是根据本申请的另一个实施例的基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体的示意图；

图7(a)是根据本申请的另一个实施例的吸波体中一个单元的示意图；

图7(b)是根据本申请的另一个实施例的吸波体中一个单元的俯视图；

图7(c)是根据本申请的另一个实施例的吸波体中一个单元的侧视图；

图7(d)是根据本申请的另一个实施例的吸波体中一个单元的尺寸示意图；

图7(e)是根据本申请的另一个实施例的吸波体中一个单元的条状电阻膜的示意图；

图8是根据本申请的另一个实施例的渐变阻抗示意图；

图9是根据本申请的另一个实施例的垂直入射下吸波体的吸收率和反射系数图；

图10(a)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随电谐振结构尺寸比例因子改变的变化图；

图10(b)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随电谐振结构尺寸宽度改变的变化图；

图11(a)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随电谐振结构尺寸上层电阻膜边长改变的变化图；

图11(b)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随电谐振结构尺寸上层电阻膜宽度改变的变化图；

图12(a)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随条状电阻膜的方阻值改变的变化图；

图12(b)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随方环电阻膜的方阻值改变的变化图；

图13(a)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随介电常数改变的变化图；

图13(b)是根据本申请的另一个实施例的吸波体反射系数随基底厚度改变的变化图；

图14(a)是根据本申请的另一个实施例的TE极化波下吸波体反射系数随角度改变的变化图；

图14(b)是根据本申请的另一个实施例的TM极化波下吸波体反射系数随角度改变的变化图；

图15(a)是根据本申请的另一个实施例的TE极化波下吸波体底部换为电阻膜后吸收率随角度改变的变化图；

图15(b)是根据本申请的另一个实施例的TM极化波下吸波体底部换为电阻膜后吸收率随角度改变的变化图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体，该吸波体包括：吸波单元支撑平台1，基底2以及电阻膜吸波结构；吸波单元支撑平台1的底部设置有基底2，吸波单元支撑平台1的侧壁沿基底2所在平面倾斜设置，吸波单元支撑平台1的侧壁上设置有电阻膜吸波结构，其中，电阻膜吸波结构包括至少一个条状电阻膜5，相邻两个条状电阻膜5之间的间距由吸波单元支撑平台1侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜5的长度比例因子确定，长度比例因子为相邻两个条状电阻膜5的长度的比值。

进一步的，吸波体还包括：底板3；底板3设置于基底2的下方，底板3为连续ITO(氧化铟锡)薄膜或金属板，其中，多个吸波单元支撑平台1在底板3上周期性排布。

具体的，设定吸波体的设计指标如下：在8-18GHz(X、Ku波段)满足-10dB吸波带宽，在大角度入射时满足10％相对带宽，厚度限制在5mm以下。

本实施例中，该吸波单元支撑平台1可以为一倾斜斜面，也可以为具有倾斜斜面的几何体。现以倾斜斜面为例，对吸波体的结构进行说明。

该吸波单元支撑平台1可以由工程树脂材料通过3D打印技术制成，包括相应的底面和侧壁。

需要说明的是，本实施例中的条状电阻膜5数量可以为1个，也可以为多个，当条状电阻膜5的数量为多个时，将条状电阻膜5按照一定的预设规则进行排布。

现以一个条状电阻膜5为例进行说明，该条状电阻膜5粘接在吸波单元支撑平台1的侧壁上。

本实施例中的吸波单元支撑平台1承周期性的排布，在三维坐标系xyz的基础上，建立如图1(a)所示的新单元坐标系ty′n，设定吸波单元支撑平台1的侧壁在xoz面内的倾斜角度为α，沿其侧壁建立t轴，垂直于其侧壁建立n轴，y′轴与三维坐标系中的y轴重合，则原三维坐标系xyz下基坐标(a_x，a_y，a_z)与新单元坐标系下基坐标为(a_t，a_y′，a_n)之间的转换公式为：

a_x＝-a_t cosα+a_n sinα

a_y＝a_y′

a_z＝-a_t sinα-a_n cosα

式中，α为倾斜角度，(a_x，a_y，a_z)为三维坐标系中的基坐标，(a_t，a_y′，a_n)为新单元坐标系中的基坐标。

因此，波矢k表达式为：

k＝a_xk_x+a_yk_y+a_zk_z＝a_tk_t+a_y′k_y′+a_nk_n

k_t＝-k_x cosα-k_z sinα

k_y′＝k_y

k_n＝k_x sinα-k_z cosα

式中，(k_x，k_y，k_z)为波矢k在三维坐标系中的坐标，(k_t，k_y′，k_n)为波矢k在新单元坐标系中的坐标。

对于入射电磁波为TE极化波时，其入射电场Eⁱ(x，y，z)的表达式如下：

k_zi＝k₀cosθ^l

其中，k₀为自由空间波矢，θⁱ和

分别为球坐标系下入射电磁波的俯仰角和方位角，i代表入射电磁波。

进行坐标变换后，上述入射电场Eⁱ(x，y，z)的表达式在新单元坐标系下可以转换为：

根据上式可以看出，在新单元坐标系下，由于引入倾斜角度α，改变了原体系电场分布，为探究该架构下吸波体对大角度入射电磁波的稳定性，设定吸波体的参数如下：x、y方向上的周期T_x、T_y均为10mm，采用厚度为0.1mm边长为10mm的正方形介质板作为支撑结构，电阻膜选用边长8mm的正方形贴片，其方阻值为40Ω/sq，其中，倾斜角度α为设定值。

本实施例中的入射电磁波可以TE极化波和TM极化波，如图2所示，设定倾斜角度α分别为30°和45°，其中，图2(a)和(b)为倾斜角度α＝30°时垂直入射TE和TM极化波下的吸收率，图2(c)和(d)为倾斜角度α＝45°时垂直入射TE和TM极化波下的吸收率。

对于TE和TM极化波下的吸收率，相比而言，TM极化波下吸收率随入射角变化相对稳定，即使在60°斜入射下，该吸波体的吸收率也能够保证在70％以上，而TE极化波下吸收率受入射角变化影响较大，这是由于TE极化波下磁场在xoz面内变化引起了磁通量的改变，而TM极化波下xoz面内有效电谐振单元尺寸相比平面结构要小，故其对角度敏感性更弱，从而验证了该吸波体结构能有效改善TM极化波下的角度敏感问题。

为进一步说明该吸波体对斜入射电磁波的响应规律，如图3所示，其中，图3(a)和(b)为垂直入射TE和TM极化波下的吸收率，图3(c)和(d)为斜入射角θ＝30°时TE和TM极化波下的吸收率，图3(e)和(f)为斜入射角θ＝45°时TE和TM极化波下的吸收率。

当倾斜角度α＝30°时，TE极化波下当以30°斜入射角时具有较高吸收率，此时磁场与侧面垂直，磁通量达到峰值从而提升吸收率，在8-26GHz范围内吸收率保持在80％以上。当倾斜角度α＝45°时也有类似结论，斜入射角θ＝45°时，吸收率远好于30°和60°情形，且在低频段吸收率接近垂直入射情形，并有望在更高频段内接近完美吸波，相比而言，倾斜角度α＝45°时具有最佳角度稳定性。

如图4和图5所示，设定入射电磁波的入射角依次为θ＝0°、30°、45°、60°，入射电磁波频率为12GHz。当倾斜角度α＝30°时，其电场集中分布于电阻膜边缘处，当θ＝30°时，TE极化波下沿电场方向(y方向)电阻膜下边缘电场强度最强，而θ＝0°时，主要是电阻膜边缘起作用。TM极化波下，电场集中分布在x方向电阻膜边缘。

因此，虽然上述实施例中由多个倾斜斜面(吸波单元支撑平台1)周期性排布组成的吸波体能够改善TM极化波下大角度宽频吸波性能，相比现有吸波技术进一步拓展了空间调控自由度，但TE极化波下仍存在角度敏感和带宽较窄的问题，需要良好的极化不敏感性吸波单元来实现大角度宽频吸波。

实施例二：

在上述实施例的基础上，如图6和图7(a)至图7(e)所示，本实施例中的吸波体包括：吸波单元支撑平台1，基底2以及电阻膜吸波结构；该吸波单元支撑平台1为三维棱台，吸波单元支撑平台1由四个大小相同的侧壁围成，侧壁为梯形。

本实施例中，该吸波单元支撑平台1的底部设置有基底2，吸波单元支撑平台1的侧壁沿基底2所在平面倾斜设置，吸波单元支撑平台1的侧壁上设置有电阻膜吸波结构，其中，电阻膜吸波结构包括至少一个条状电阻膜5，相邻两个条状电阻膜5之间的间距由吸波单元支撑平台1侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜5的长度比例因子确定，长度比例因子为相邻两个条状电阻膜5的长度的比值。

具体的，吸波单元支撑平台1为三维棱台，由四个大小相等的梯形、上底面以及下底面围成，其中，上底面和下底面为正方形。多个吸波单元支撑平台1周期性的排布在基底2上。

基于8-18GHz频带要求，可求出所需电偶极子长度范围5-12mm，因此，采用一体化的设计方法，设定基底2的厚度t＝2mm、吸波单元支撑平台1的高度h＝3mm，吸波单元支撑平台1侧壁的倾斜角度α＝45°，单元周期p＝13mm，即基底2的长度为13mm。

对于三维棱台形的吸波单元支撑平台1，在其四个侧壁上按照相同的位置、设置大小相同的多个条状电阻膜5。

为了采用阻抗渐变的方式对条状电阻膜5的位置、长度进行设计，本实施例中还示出了一种确定相邻两个条状电阻膜5之间间距的方法，该方法具体包括：

步骤1，将第一条条状电阻膜的长度设定为初始长度，根据初始长度、倾斜角度以及吸波单元支撑平台1的下底面边长，计算第一条条状电阻膜底边与吸波单元支撑平台的下底面之间的初始距离，初始距离的计算公式为：

式中，L₀为初始长度，a₂为下底面边长，α为倾斜角度，d₀为初始距离；

步骤2，根据初始长度、倾斜角度、条状电阻膜的宽度以及长度比例因子，由下至上依次计算相邻两个条状电阻膜5之间的间距，对应的计算公式为：

式中，n为条状电阻膜的编号，n＝0,1,2,…，d_n+1为第n+1条条状电阻膜与第n条条状电阻膜之间的间距，τ为长度比例因子，

其中，倾斜角度为吸波单元支撑平台1的侧壁与基底2所在平面之间的夹角。

具体的，在8-18GHz频带范围内，根据经验，可设定条状电阻膜5的长度近似为1/4波长，工作频率范围内最低频率8GHz和最高频率18GHz对应长度计算分别为9.375mm和4.167mm，为进一步拓展带宽并考虑到加工精度，低频对应的条状电阻膜5的长度取为10mm，高频对应的条状电阻膜5的长度取为4mm。

由于侧壁梯形的底角β的限制，不仅需要第一条条状电阻膜的长度小于侧壁梯形的下底面边长，而且第一条条状电阻膜距离梯形侧壁的底边需要设定一个初始距离d₀，对应的计算公式为：

式中，L₀为初始长度，即第一条条状电阻膜5的长度，取值约为10mm，其具体长度可根据吸波单元支撑平台1的大小以及实际设计参数确定。α为倾斜角度，

经计算，设定本实施例中的初始距离d₀＝0.3mm。

需要说明的是，为了保证设计精度，在计算各个条状电阻膜5在水平和垂直方向上分别引入了误差Δd₀sinα和Δd₀cosα。但需要说明的是，其变化对整体效果影响并不大，可忽略不计。

因此，本实施例中吸波单元的结构参数为α＝45°，p＝13mm，上底面边长a₁＝6mm，下底面边长a₂＝12mm，吸波单元支撑平台1的高度h＝3mm和基板2的厚度t＝2mm，其侧壁上的条状电阻膜5的长度初始值L₀＝10mm、宽度w＝0.8mm，初始距离d₀＝0.3mm和方阻值R＝40Ω/sq。

本实施例中，如图7(e)所示，吸波单元支撑平台1上的电阻膜由n个并列的条状电阻膜5阵组成，设定自下至上第n个条状电阻膜5的长度为L_n，由于条状电阻膜5长度是等比例的，连接各个条状电阻膜5中点M_n构建轮廓线，则左右两侧的轮廓线交于几何顶点O，可构造出相似三角形，则第n个条状电阻膜5的中点距离O点的距离为D_n，根据相似原理，距离D_n和长度L_n满足等比例关系。

因此，为了实现阻抗渐变，设定参数长度比例因子τ，其取值为相邻两个条状电阻膜5长度的比值，或者相邻两个条状电阻膜5位置的比值，对应的计算公式为：

式中，L_n为第n个条状电阻膜5的长度，n＝0,1,2,…，D_n为第n个条状电阻膜5的位置。

需要说明的是，由于长度比例因子τ为一给定值，在确定第一条条状电阻膜5的长度，即初始长度L₀后，即可根据给定的长度比例因子τ，由下至上依次计算出上层的条状电阻膜5的长度。

需要说明的是，本实施例中条状电阻膜5的长度取值范围为4mm-10mm。

本实施例中，设定长度比例因子τ＝0.8。对于相邻的两个条状电阻膜5间的间距d_n与距离D_n之间的关系为：

d_n＝D_n-D_n+1-w

式中，w为条状电阻膜5的宽度。

基于侧壁梯形的底角β与倾斜角度α之间的几何关系，可推导出间距的计算公式为：

式中，n＝0,1,2,…。

进一步的，为引入磁谐振进一步拓展带宽，该电阻膜吸波结构还包括：方环电阻膜4；方环电阻膜4设置于吸波单元支撑平台1的上底面，其中，方环电阻膜4为环形，其内部边长设定为a_i，环宽度为w_i，其具体取值可以依据带宽的需求进行确定。

进一步的，吸波体还包括：底板3；底板3设置于基底2的下方，底板3为连续ITO薄膜或金属板，其中，金属板的制成材料可以选择金属铜，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m，厚度可以设置为0.036mm。

为进一步验证该发明实例的阻抗渐变特性，图8(a)给出了三维棱台形吸波单元支撑平台1在没有加载电阻膜情况下的阻抗分布图，吸波单元支撑平台1上底面阻抗最大，平均阻抗随高度增加而增加。考虑到自然界中不存在特性阻抗连续变化的介质，这里采用离散分层的方法来近似等效阻抗，将吸波单元支撑平台1的结构沿厚度方向划分成若干层，通过引入电阻膜来提供渐变阻抗，经设计其归一化等效电阻随厚度的变化曲线如图8(b)所示，等效阻抗随高度几乎呈线性增加，满足设计要求。

需要说明的是，吸波体的吸波性能可以通过反射系数和吸收率来进行衡量，一般而言，满足反射系数低于-10dB的频带为该吸波体工作带宽，而反射系数越低，吸收强度越大；吸收率越高，吸波体性能越好。该吸波体在TE、TM极化波下反射系数和吸收率如图9所示，其中，虚线代表吸收率，该吸波体在8.0-18.3GHz范围内(绝对带宽10.3GHz，相对带宽为78.3％)吸收率达到90％以上；实线代表反射系数，在9.4-17.5GHz范围均在-18dB以下，而9.7-12.2GHz实现-20dB吸波，说明该吸波体在吸收强度方面有较大提升。

实施例三：

本实施例中，为了实现由上述三维棱台形吸波单元支撑平台构成的吸波体，又示出了一种宽频大角度超材料吸波体的制备方法，该制备方法包括：

步骤100，基于吸波体的工作频率，确定吸波体中吸波单元支撑平台1的周期及高度，其中，吸波单元支撑平台1为三维棱台；

具体的，由于吸波体的尺寸、厚度、结构形式都受到不同应用环境的制约，因此，先通过设定参数的形式，确定初始吸波模型，之后，通过仿真优化方式进行模型参数优化，以确定最终的吸波体制备参数。

本实施例中的吸波体由多个吸波单元支撑平台1和基底2周期性排布而成，该吸波单元支撑平台1为由四个大小相等的梯形、上底面以及下底面围成，上下底面为正方形，吸波体的模型参数至少包括：周期p、基底厚度t、棱台高度h、倾斜角度α、上底面边长a₁、下底面边长a₂、侧壁梯形的底角β，其中周期p和棱台高度h根据吸波体的工作频率来设定，上底面边长a₁与下底面边长a₂之间的几何关系为：

步骤200，根据吸波单元支撑平台1侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜5的长度比例因子，确定相邻两个条状电阻膜5之间的间距，以在吸波单元支撑平台1的侧壁上设置多个条状电阻膜5，制成初始吸波模型，其中，倾斜角度为吸波单元支撑平台1的侧壁与基底2所在平面之间的夹角，基底2设置于吸波单元支撑平台1的底部；

具体的，虑到三维棱台侧面梯形的斜面尺寸有限，在设计基本单元(吸波单元支撑平台1)时，采用具有长度渐变的多个平行条状电阻膜5阵来实现多个吸收峰拓展频谱带宽，此外，通过设置电阻膜材料可以显著增强吸波体对入射电磁波的吸收强度，其中，不同位置的条状电阻膜5长度记为L_n，条状电阻膜5宽度均相同均为w，设定相邻两个条状电阻膜5间距为d_n，条状电阻膜5采用电阻膜材料，其方阻值为R。

进一步的，在吸波单元支撑平台1的上底面加载方环电阻膜4，其尺寸为a_i，其环宽度为w_i，顶部方阻值为R_i。

相对于传统对数周期天线设计中只针对平面结构拓展天线带宽的方法，本实施例引入具有倾斜角度α的三维棱台作为吸波单元支撑平台1，进一步提升了调控自由度，同时阻抗渐变设计提升了角度不敏感性。

本实施例中，吸波单元支撑平台1的周期p≈4h，且为实现3D打印一体化，基底2厚度t应大于1.5mm，所采用3D打印材料(工程树脂材料)的介电常数记为ε。

本实施例通过在侧面梯形上设置多个平行的条状电阻膜5构建条带阵电阻膜，实现阻抗渐变，利用条状电阻膜5不同长度L_n，形成梯度排列来实现宽频吸波。根据吸波单元支撑平台1侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜5的长度比例因子，确定相邻两个条状电阻膜5之间的间距，具体包括：

步骤201，将第一条条状电阻膜的长度设定为初始长度，根据初始长度、倾斜角度以及吸波单元支撑平台1的下底面边长，计算第一条条状电阻膜底边与吸波单元支撑平台的下底面之间的初始距离，初始距离的计算公式为：

式中，L₀为初始长度，a₂为下底面边长，α为倾斜角度，d₀为初始距离；

步骤202，根据初始长度、倾斜角度、条状电阻膜的宽度以及长度比例因子，由下至上依次计算相邻两个条状电阻膜5之间的间距，对应的计算公式为：

式中，n为条状电阻膜的编号，n＝0,1,2,…，d_n+1为第n+1条条状电阻膜与第n条条状电阻膜之间的间距，τ为长度比例因子。

具体的，在8-18GHz频带范围内，根据经验，可设定条状电阻膜5的长度近似为1/4波长，工作频率范围内最低频率8GHz和最高频率18GHz对应长度计算分别为9.375mm和4.167mm，为进一步拓展带宽并考虑到加工精度，低频对应的条状电阻膜5的长度取为10mm，高频对应的条状电阻膜5的长度取为4mm。

由于侧壁梯形的底角β的限制，不仅需要第一条条状电阻膜的长度小于侧壁梯形的下底面边长，而且第一条条状电阻膜距离梯形侧壁的底边需要设定一个初始距离d₀，对应的计算公式为：

式中，L₀为初始长度，即第一条条状电阻膜5的长度，取值约为10mm，其具体长度可根据吸波单元支撑平台1的大小以及实际设计参数确定。α为倾斜角度，

经计算，设定本实施例中的初始距离d₀＝0.3mm。

本实施例中，如图7(e)所示，吸波单元支撑平台1上的电阻膜由n个并列的条状电阻膜5阵组成，设定自下至上第n个条状电阻膜5的长度为L_n，由于条状电阻膜5长度是等比例的，连接各个条状电阻膜5中点M_n构建轮廓线，则左右两侧的轮廓线交于几何顶点O，可构造出相似三角形，则第n个条状电阻膜5的中点距离O点的距离为D_n，根据相似原理，距离D_n和长度L_n满足等比例关系。

因此，为了实现阻抗渐变，设定参数长度比例因子τ，其取值为相邻两个条状电阻膜5长度的比值，或者相邻两个条状电阻膜5位置的比值，对应的计算公式为：

式中，L_n为第n个条状电阻膜5的长度，n＝0,1,2,…，D_n为第n个条状电阻膜5的位置。

需要说明的是，由于长度比例因子τ为一给定值，在确定第一条条状电阻膜5的长度，即初始长度L₀后，即可根据给定的长度比例因子τ，由下至上依次计算出上层的条状电阻膜5的长度。

需要说明的是，本实施例中条状电阻膜5的长度取值范围为4mm-10mm。

本实施例中，设定长度比例因子τ＝0.8。对于相邻的两个条状电阻膜5间的间距d_n与距离D_n之间的关系为：

d_n＝D_n-D_n+1-w

式中，w为条状电阻膜5的宽度。

基于侧壁梯形的底角β与倾斜角度α之间的几何关系，可推导出间距的计算公式为：

式中，n＝0,1,2,…。

具体的，根据工作频段来设计高频、低频条状电阻膜5的长度和数量，该体系下条状电阻膜5长度约为对应四分之一波长，即L₀≈λ_L/4，L_N≈λ_H/4；通过调节上述电谐振参数(初始长度L₀、宽度w、比例因子τ)，根据经验τ取值通常取0.8，方阻值记为R。

步骤300，根据初始吸波模型的吸波参数，通过仿真优化方式，确定吸波体制备参数。

具体的，根据上述初始吸波模型的吸波参数进行仿真分析，确定影响吸波性能的因素，对于宽频吸波通过优化使带宽达到最大即可，而对于大角度吸波性能优化需要根据指标对最大入射角下结构参数进行优化，使其能够满足所要求-10dB工作带宽。

针对上述三维棱台形吸波体，可以优化的结构参数有：棱台顶部方环结构电阻膜(方环电阻膜4)宽度w_i，边长a_i，顶部方阻值R_i，棱台几何尺寸(包括高度h、倾斜角度α、周期p等)，棱台侧面结构类型和几何尺寸。

根据上述设计流程和制备方法，本实施例中吸波体结构参数具体如下：α＝45°，周期大小为p＝13mm；对于棱台结构有a₁＝6mm，a₂＝12mm，h＝3mm，t＝2mm；条状电阻膜5长度L_n由下至上分别为L₀＝10、L₁＝8、L₂＝6.4mm，宽度w＝0.8mm，比例因子τ＝0.8，条状电阻膜5方阻值为R＝40Ω/sq；顶部方环电阻膜，R_i＝100Ω/sq，尺寸为a_i＝6mm，w_ai＝1mm。

首先，对电谐振参数进行仿真优化，针对长度比例因子τ进行分析，令初始值L₀＝10mm，高度h＝3mm，w＝0.8mm，d₀＝0.3mm，则当τ＝0.8时，所取三条状电阻膜5长度分别为L₀＝10mm，L₁＝8mm，L₂＝6.4mm。如图10所示，随着长度比例因子τ逐渐增大形成两个谐振峰，且谐振频率向低频偏移，然而τ受到侧面结构和w限制有最大值，且本设计中最大值为0.85，当τ＝0.85时，三条状电阻膜5长度为10、8.5和7.2mm，并在9.8GHz和15.8GHz处形成两个吸收峰。当条状电阻膜的宽度w从0.4mm逐渐变化到0.8mm时，-10dB工作带宽随之增加，考虑到侧面空间有限，最终取τ＝0.8和w＝0.8mm。

其次，对提供磁谐振参数进行优化，即对顶部方环电阻膜4尺寸结构进行仿真分析，吸波性能随上层的方环电阻膜4的内部边长a_i变化如图11(a)所示，内部边长a_i增加，电阻膜面积增大，工作带宽也随之增加。从图11(b)中不难看出，工作带宽受环宽度w_i影响不大，但吸收强度随之增强。如图12(a)所示，条状电阻膜5取最佳阻值R＝40Ω/sq，其吸收带宽最宽，吸收强度最强；而图12(b)对于电阻吸收规律来说，顶部方环电阻膜4吸收强度随顶部方阻值R_i增大而增强，相比而言顶部方阻值R_i＝100Ω/sq比顶部方阻值R_i＝150Ω/sq有更宽带宽，故选择R_i＝100Ω/sq。

之后，对3D打印相关技术参数进行优化，如图13(a)所示，当3D打印基底2的厚度t从1.5mm增加至2.5mm，厚度增加引起阻抗失配使吸收强度大幅减弱，而低端工作频率随厚度增加而降低。三维棱台的介电常数ε对于吸波体影响如图13(b)所示，随介电常数ε增大工作带宽向低频偏移，若想要实现更低频段性能，需要更高的介电常数。

最终所，该吸波体在不同入射角下的吸收性能如图14所示，当入射电磁波的角度从0°变化到60°时，TE极化波的吸收率变化较小，基本维持在90％以上，体现了良好的角度不敏感性。对于TM极化波，当角度从0°变化到45°时，可以维持80％的吸收率。

为进一步提升TM极化波下的吸收率，可以将上述实施例中的底板3设置成方阻为6Ω/sq的连续ITO薄膜，其在不同角度下的吸收率如图15所示。

相比图14，引入底部电阻膜使吸波体在TE和TM极化波下吸收率均有大幅提升，特别是当斜入射角度为60°时，TE和TM极化波下8-18GHz范围内吸收率均在80％以上，与现有超材料吸波体实现吸波体的方法相比，本实施例中的吸波体在大角度斜入射下的工作带宽非常可观。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体及制备方法，其中，该吸波体包括：吸波单元支撑平台，基底以及电阻膜吸波结构；吸波单元支撑平台的底部设置有基底，吸波单元支撑平台的侧壁沿基底所在平面倾斜设置，吸波单元支撑平台的侧壁上设置有电阻膜吸波结构，其中，电阻膜吸波结构包括至少一个条状电阻膜，相邻两个条状电阻膜之间的间距由吸波单元支撑平台侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜的长度比例因子确定，长度比例因子为相邻两个条状电阻膜的长度的比值。通过本申请中的技术方案，解决了吸波体结构工作带宽较窄的问题，并提高吸波体对电磁波入射角度的适用范围，有助于降低吸波体结构的复杂程度和生产成本。

在本申请中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本申请的原理进行说明，并非意在对本申请进行限制。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (9)

1.一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体，其特征在于，该吸波体包括：吸波单元支撑平台(1)，基底(2)以及电阻膜吸波结构；

所述吸波单元支撑平台(1)的底部设置有所述基底(2)，所述吸波单元支撑平台(1)的侧壁沿所述基底(2)所在平面倾斜设置，所述吸波单元支撑平台(1)的侧壁上设置有所述电阻膜吸波结构，

其中，所述电阻膜吸波结构包括至少一个条状电阻膜(5)，相邻两个所述条状电阻膜(5)之间的间距由所述吸波单元支撑平台(1)侧壁的倾斜角度以及所述条状电阻膜(5)的长度比例因子确定，所述长度比例因子为相邻两个所述条状电阻膜(5)的长度的比值。

2.如权利要求1所述的基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体，其特征在于，所述吸波单元支撑平台(1)为三维棱台，所述吸波单元支撑平台(1)由四个大小相同的侧壁围成，所述侧壁为梯形。

3.如权利要求2所述的基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体，其特征在于，所述电阻膜吸波结构还包括：方环电阻膜(4)；

所述方环电阻膜(4)设置于所述吸波单元支撑平台(1)的上底面。

4.如权利要求1至3中任一项所述的基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体，其特征在于，所述吸波体还包括：底板(3)；

所述底板(3)设置于所述基底(2)的下方，所述底板(3)为连续ITO薄膜或金属板。

5.如权利要求1所述的基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体，其特征在于，所述相邻两个所述条状电阻膜(5)之间的间距由所述吸波单元支撑平台(1)侧壁的倾斜角度以及所述条状电阻膜(5)的长度比例因子确定，具体包括：

步骤1，将第一条条状电阻膜的长度设定为初始长度，根据所述初始长度、倾斜角度以及所述吸波单元支撑平台(1)的下底面边长，计算所述第一条条状电阻膜底边与所述吸波单元支撑平台的下底面之间的初始距离，所述初始距离的计算公式为：

式中，L₀为所述初始长度，a₂为下底面边长，α为所述倾斜角度，d₀为所述初始距离；

步骤2，根据所述初始长度、所述倾斜角度、所述条状电阻膜的宽度以及所述长度比例因子，由下至上依次计算相邻两个所述条状电阻膜(5)之间的间距，对应的计算公式为：

式中，n为所述条状电阻膜的编号，n＝0,1,2,…，d_n+1为第n+1条条状电阻膜与第n条条状电阻膜之间的间距，τ为所述长度比例因子，

其中，所述倾斜角度为所述吸波单元支撑平台(1)的侧壁与所述基底(2)所在平面之间的夹角。

6.一种宽频大角度超材料吸波体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

步骤100，基于吸波体的工作频率，确定吸波体中吸波单元支撑平台(1)的周期及高度，其中，吸波单元支撑平台(1)为三维棱台；

步骤200，根据所述吸波单元支撑平台(1)侧壁的倾斜角度以及条状电阻膜(5)的长度比例因子，确定相邻两个所述条状电阻膜(5)之间的间距，以在所述吸波单元支撑平台(1)的侧壁上设置多个所述条状电阻膜(5)，制成初始吸波模型，

其中，所述倾斜角度为所述吸波单元支撑平台(1)的侧壁与基底(2)所在平面之间的夹角，所述基底(2)设置于所述吸波单元支撑平台(1)的底部；

步骤300，根据所述初始吸波模型的吸波参数，通过仿真优化方式，确定吸波体制备参数。

7.如权利要求6所述的宽频大角度超材料吸波体的制备方法，其特征在于，所述步骤200具体包括：

步骤201，将第一条条状电阻膜的长度设定为初始长度，根据所述初始长度、倾斜角度以及所述吸波单元支撑平台(1)的下底面边长，计算所述第一条条状电阻膜底边与所述吸波单元支撑平台的下底面之间的初始距离，所述初始距离的计算公式为：

式中，L₀为所述初始长度，a₂为下底面边长，α为所述倾斜角度，d₀为所述初始距离；

步骤202，根据所述初始长度、所述倾斜角度、所述条状电阻膜的宽度以及所述长度比例因子，由下至上依次计算相邻两个所述条状电阻膜(5)之间的间距，对应的计算公式为：

式中，n为所述条状电阻膜的编号，n＝0,1,2,…，d_n+1为第n+1条条状电阻膜与第n条条状电阻膜之间的间距，τ为所述长度比例因子。

8.如权利要求6所述的宽频大角度超材料吸波体的制备方法，其特征在于，所述吸波单元支撑平台(1)和所述基底(2)由3D打印技术，采用工程树脂材料，一体化打印而成。

9.如权利要求7所述的宽频大角度超材料吸波体的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

步骤400，在所述吸波单元支撑平台(1)的上底面设置方环电阻膜(4)；

步骤500，在所述基底(2)的下方设置底板(3)，其中，所述底板(3)为连续ITO薄膜或金属板。

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