CN114865327B - 一种谐振环阵列构成的衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振环阵列构成的衰减器,由多个多层堆叠谐振环结构按照阵列方式排布形成。所述多层堆叠谐振环结构为类金字塔结构,由于最下一层介质基板和金属谐振环较大,所以具有较低的工作频率,越往上的层介质基板和金属谐振环越小,工作频率越高,因此,本发明既能够工作较低频率,又能够工作较高频率,具有工作频带宽的优势。此外,本发明中的多层堆叠谐振环结构,虽然每一层都是平面结构,但是通过堆叠后构成垂直的一个阵列,该类垂直阵列对于平行入射的电磁波也具有吸收作用。也就是说,本发明谐振环阵列构成的衰减器实际上是三维阵列,对于各个方向入射的电磁波都有吸收作用。相对于常规表面谐振环阵列只能吸收垂直入射电磁波,本发明具有更宽广的方向性。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域,更为具体地讲,涉及一种谐振环阵列构成的衰减器。
背景技术
电磁波衰减器(吸波器)是国防军事和民用领域中不可或缺的关键器件,基于谐振环阵列的衰减器具有效率高、体积小、重量轻、耐高温等优点,成为近年来国际研究热点。
谐振环阵列,也被称为超材料(Metamaterial,MTM),它是一种人工复合材料,具有亚波长特性和强谐振特性。人工构造的超材料应用到了多项领域中并得到了发展和壮大。超材料可分为单负介电常数材料、单负磁导率材料、双负材料和近零折射率材料。1967年,Veselago提出了“左手材料(Left-handed medium,LHM)”的概念,理论研究了在假定介电常数和磁导率实部均为负的均匀各向同性电磁材料中特殊的电磁特性。根据Pendry等人的研究和分析结果,Smith等人首次成功构造了这类特殊材料。之后,反向多普勒效应和反向切伦科夫辐射都被实验验证了,超材料成为了世界各国的研究学者们广泛关注的热点之一。
近些年,随着光刻和相关微加工工艺的快速发展,谐振环阵列结构为核心的衰减器件也随之快速发展,微波器件的重要分支。
在2015年05月27日授权的、授权公告号为CN103647152B、名称为《一种宽带极化不敏感的超材料吸波体》的中国发明专利中,如图1所示,它包括:顶层谐振结构、中层介质板和底层铜箔,顶层谐振结构包括开口谐振环和位于环内的金属片;当电磁波入射到吸波体上时,谐振结构在该电磁波的波频下进行谐振,同时谐振结构周围产生磁场环路,该磁场环路使金属片和介质板上产生电流,从而使介质板产生介电损耗,同时金属片上也会产生欧姆损耗,电磁波的电磁能通过损耗转化为热能,从而实现对入射电磁波的损耗吸收,使吸波体对于不同极化方向的入射波均具有吸收作用,进而解决了吸波体对入射波极化方向敏感的问题。
在2015年06月03日公布的、公布号为CN104682013A、名称为《一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器》的中国发明专利申请中,如图2所示,该吸波器由一个以上的基本单元组成,一个基本单元包括金属地板、FR4介质基板和旋转对称的四个双开口谐振环;FR4介质基板固定在金属地板的上面,旋转对称的四个双开口谐振环固定在FR4介质基板的上面;双开口谐振环包括一个外层开口谐振环和内层开口谐振环。本发明具有排列紧凑和对入射角度、对极化不敏感的特性,超材料吸波器在9.85GHz垂直入射吸收峰值为98.8%;入射波在±60°范围内,其吸波率在9.85GHz均大于75%;可以吸收±60°范围内的TE、TM极化入射波,实现X波段内RCS最大减缩量达12.35dB,实现雷达目标的有效隐身。
然而现有的基于表面谐振环阵列超材料或衰减器采用单一的金属谐振环,表面谐振环阵列工作频带窄。另外,其主要针对电磁波正入射情况,实际情况中电磁波可能从各方向入射,现有基于表面谐振环阵列的衰减器其衰减量无法达到要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中表面谐振环阵列工作频带窄,具有较强的方向性,严重影响谐振环阵列的应用范围,提出一种谐振环阵列构成的衰减器,以增加工作带宽、实现全方向工作。
为实现上述发明目的,本发明谐振环阵列构成的衰减器,其特征在于,由多个多层堆叠谐振环结构按照阵列方式排布形成,其中,多层堆叠谐振环结构的阵列方式排布为线性阵列、圆形阵列或六角形阵列;
所述多层堆叠谐振环结构为类金字塔结构,包括多层介质基板以及金属谐振环;
多层介质基板上面一层窄于下面一层,层层堆叠,从而形成类金字塔的多层堆叠结构,介质基板根据衰减器的频率要求选择其使用的材料;
金属谐振环,每一层介质基板都采用刻蚀、打印或激光烧蚀技术手段在其表面制作金属谐振环;
每层介质基板的长宽高以及其表面的金属谐振环的结构参数以所设计的频带,由仿真计算获得。
本发明的目的是这样实现的。
本发明谐振环阵列构成的衰减器由多个多层堆叠谐振环结构按照阵列方式排布形成。所述多层堆叠谐振环结构为类金字塔结构,这样现有技术的基于表面谐振环阵列的衰减器表面变为基于类金字塔多层堆叠谐振环结构阵列的衰减器,由于最下一层介质基板和金属谐振环较大,所以具有较低的工作频率,越往上的层介质基板和金属谐振环越小,工作频率越高。所以类金字塔的多层堆叠谐振环结构既能够工作较低频率,又能够工作较高频率,具有工作频带宽的优势。此外,本发明中的多层堆叠谐振环结构,虽然每一层都是平面结构,但是通过堆叠后构成垂直的一个阵列,该类垂直阵列对于平行入射的电磁波也具有吸收作用。也就是说,本发明谐振环阵列构成的衰减器实际上是三维阵列,对于各个方向入射的电磁波都有吸收作用。相对于常规表面谐振环阵列只能吸收垂直入射电磁波,本发明具有更宽广的方向性。
附图说明
图1是现有技术中一种宽带极化不敏感的超材料吸波体的表面结构示意图;
图2是现有技术中一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器的表面结构示意图;
图3是本发明谐振环阵列构成的衰减器一种具体实施方式下的多层堆叠谐振环结构的结构示意图;
图4是图3所示多层堆叠谐振环结构的俯视图;
图5是图3所示多层堆叠谐振环结构的正视图;
图6是图3所示多层堆叠谐振环结构的侧视图;
图7是用CST仿真获得的S11随频率变化曲线图;
图8是用CST仿真获得的吸收系数随波长变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
本发明谐振环阵列构成的衰减器由多个多层堆叠谐振环结构按照阵列方式排布而形成,其中,多层堆叠谐振环结构的阵列方式排布为线性阵列(按照给定间隔横向和纵向排练而成)、圆形阵列或六角形阵列。
图3是本发明谐振环阵列构成的衰减器一种具体实施方式下的多层堆叠谐振环结构的结构示意图。
在本实施例中,如图3所示,所述多层堆叠谐振环结构为类金字塔结构,包括多层介质基板1以及金属谐振环2。
多层介质基板1上面一层窄于下面一层,层层堆叠,从而形成类金字塔的多层堆叠结构,介质基板1根据衰减器的频率要求选择其使用的材料,可以是金刚石(相对介电常数为5.68),石英(相对介电常数为2.5),氮化硼(相对介电常数为4.0),陶瓷(相对介电常数为9),蓝宝石(相对介电常数为9.4),或其他厂商生产的标准基板,如罗杰斯基板5880(相对介电常数为2.2),通过仿真发现,罗杰斯基板5880在所需频带上表现较好。在本实施例中,选择罗杰斯基板5880制作介质基板1。
金属谐振环2的每一层介质基板都采用刻蚀、打印或激光烧蚀技术手段在其表面制作金属谐振环。
这样,本发明中的多层堆叠谐振环结构的每一层都由介质基板1和金属谐振环2构成,介质基板1可以是长方形、椭圆形、三角形、六边形、甚至环形,金属谐振环2可以是缺口椭圆环、缺口方环、缺口三角环或者十字交错、或者上述结合构成的金属带。由于采用的互补缺口即内外两个开口反向放置的方形金属谐振环具有加工简单,设计方便等优点,且两个开口反向放置的开口金属谐振环所产生的电偶极矩会互相抵消,使吸波性能更好。本实施例中,金属谐振环2由开口反向放置的内外嵌套的两个开口谐振环构成。
每层介质基板1的长宽高以及其表面的金属谐振环2的结构参数以所设计的频带,由仿真计算获得。
在本实施例中,多层堆叠谐振环结构每一层介质基板1均置于在金属板上形成阵列,其下施加风冷或水冷,这样,使得本发明提出的基于类金字塔多层堆叠谐振环结构阵列的衰减器还具有应用潜力大,功率高的优势。在本实施例中,金属板为铅底板。
可见,本发明谐振环阵列构成的衰减器由多个多层堆叠谐振环结构按照阵列方式排布,并置于金属平面或介质平面上而形成。所述多层堆叠谐振环结构为类金字塔结构,这样现有技术的基于表面谐振环阵列的衰减器表面变为基于类金字塔多层堆叠谐振环结构阵列的衰减器,如图3所示,由于最下一层介质基板1和金属谐振环2较大,所以具有较低的工作频率,越往上的层介质基板1和金属谐振环2越小,工作频率越高。所以类金字塔的多层堆叠谐振环结构既能够工作较低频率,又能够工作较高频率,具有工作频带宽的优势。此外,本发明中的多层堆叠谐振环结构,虽然每一层都是平面结构,但是通过堆叠后构成垂直的一个阵列,该类垂直阵列对于平行入射的电磁波也具有吸收作用。也就是说,本发明谐振环阵列构成的衰减器实际上是三维阵列,对于各个方向入射的电磁波都有吸收作用。相对于常规表面谐振环阵列只能吸收垂直入射电磁波,本发明具有更宽广的方向性。
图4、5、6分别图3所示多层堆叠谐振环结构的俯视图、正视图以及侧视图。在本实施例中,如图4、5、6所示,多层堆叠谐振环结构为五层结构,上一层尺寸均为其下一层尺寸的0.6倍。在本实施例中,最下一层的介质基板其厚度为2mm、铅底板厚度为0.1mm。
图7是用CST仿真获得的S11随频率变化曲线图。S11是S参数中的一个,表示回波损耗特性。通过仿真测试,如图7所示,本发明谐振环阵列构成的衰减器的S11参数在频率为16.5Ghz至21Ghz之间小于-8dB,说明本发明实现了宽带吸波。
图8是用CST仿真获得的吸收系数随波长变化曲线图。通过仿真测试,如图8所示,本发明谐振环阵列构成的衰减器吸收系数在波长为14mm至18.5mm之间大于0.8,也说明本发明实现了宽带吸波。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种谐振环阵列构成的衰减器,其特征在于,由多个多层堆叠谐振环结构按照阵列方式排布形成,其中,多层堆叠谐振环结构的阵列方式排布为线性阵列、圆形阵列或六角形阵列;
所述多层堆叠谐振环结构为类金字塔结构,包括多层介质基板以及金属谐振环;
多层介质基板上面一层窄于下面一层,层层堆叠,从而形成类金字塔的多层堆叠结构,介质基板根据衰减器的频率要求选择其使用的材料;
金属谐振环,每一层介质基板都采用刻蚀、打印或激光烧蚀技术手段在其表面制作金属谐振环;
每层介质基板的长宽高以及其表面的金属谐振环的结构参数以所设计的频带,由仿真计算获得;
所述多层堆叠谐振环结构每一层介质基板均置于在金属板上形成阵列,其下施加风冷或水冷,所述金属板为铅底板。
2.根据权利要求1所述的谐振环阵列构成的衰减器,其特征在于,所述金属谐振环采用开口反向放置的内外嵌套的两个开口谐振环构成。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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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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