CN206313139U - 基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，包括底层反射板和至少一个谐振单元，谐振单元设置在底层反射板上，至少一个谐振单元上涂覆有高阻表面。谐振单元为中间镂空的齿轮。尤其工作在太赫兹或者光波波段，本实用新型无需在介质上增加金属，避免了金属欧姆损耗和热损耗，使之更适合于设计工作在光波和太赫兹波段。所有吸收都由高折射率的本身介质谐振引起的，可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收；本实用新型具有结构通俗易加工，设计灵活（谐振单元可以是环，也可以是其他任意结构），功能性强等特点。

Description

基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器

技术领域

本实用新型涉及微波器件技术领域，特别是基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器。

背景技术

电磁超材料是指一些具有超常物理性质的人工复合结构或复合材料。利用电磁超材料，不仅可以实现现有的电磁现象，还可以实现许多奇特的自然界难以实现的物理现象，例如负折射、“完美”成像和“隐身衣”等。此外，电磁超材料的许多应用也被提出来，例如天线的小型化、存储容量的扩充、天线的隐形、超薄谐振腔以及微波器件的小型化等。这些现象和应用的实现依赖于电磁超材料经电磁辐射后可产生独立可调的电响应和磁响应的能力。电磁波超材料吸波器也是其中重要的应用之一，它是对特定频率的电磁信号的传输控制或者损耗，为了达到这一目的，电磁波滤波结构、电磁波吸收结构等成为人们的研究热点，这促进了频率选择表面和吸波结构的设计研究工作。吸波结构单元以周期阵列排布的形式，具有对电磁波吸收的效果，能够实现对电磁波的完美吸收，被广泛地应用于战斗机或船舰的雷达罩上。若高折射率介质为柔性、凝胶等人工合成的具有特定特性的介质，则可以实现共形与可穿戴器件，如电磁防护服、防辐射装等。

此外，对于电磁超材料吸波器而言，目前都是基于谐振结构/介质层/完整金属板三层结构来实现完美吸波的，在微波到可见光频段内实现了单频、多频以及宽频的完美吸收(吸收率至少大于90％)。但是在这种三层结构的谐振单元多为金属图形，金属具有较大的欧姆损耗，同时这些吸波器多数利用了金属的欧姆损耗和热损耗，这在太赫兹及其以上频段大大限制其发展与应用。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，通过在高折射率介质的谐振单元上涂覆高阻表面，从而实现增加吸波带宽、降低品质因数(Q值)的目的，该超材料吸波器不仅能够展宽带宽，还可以使吸波器的吸收率增加。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，包括底层反射板和至少一个谐振单元，其中，谐振单元设置在底层反射板上，至少一个谐振单元上涂覆有高阻表面。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，谐振单元的个数为16N个，每16个谐振单元以4×4的阵列形式周期排列设置在底层反射板上，N为大于3的整数。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，高阻表面为导电碳浆，导电碳浆的方阻为180ohm/sq。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，谐振单元为中间镂空的齿轮。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，齿轮上的齿的个数为8个，且齿的尺寸均相同。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，齿轮中间的镂空半径为3mm，齿的外轮廓所对应圆的圆心到齿轮的圆心距离为5mm，齿的外轮廓所对应圆的半径为1mm，齿与齿之间的凹槽为半圆形，凹槽的半径为1mm，凹槽的圆心到齿轮的圆心距离为5mm，齿轮设置在底层反射板的上表面且每个齿与反射板均有接触，导电碳浆涂覆在齿轮上表面的大圆环和8个小圆环上，大圆环是以齿轮的圆心作为大圆环的圆心，内径为3mm，外径为3.2mm的圆环；小圆环是以齿的外轮廓所对应圆的圆心作为小圆环的圆心，内径为0.8mm、外径为1mm的圆环，导电碳浆的厚度为0.01mm。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，底层反射板采用多层介质反射板。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，在微波频段，底层反射板采用完整金属反射板。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，多层介质反射板为光子晶体或具有反射特性的人工结构阵列。

作为本实用新型所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器进步一步优化方案，所述光子晶体是多层堆材结构。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型是基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器，通过在高折射率的谐振单元上涂覆高阻表面后，可以实现吸收带宽的展宽和吸收率的提高；当电磁波垂直入射时，通过比较两种不同的状态，获得有效的可靠结果，使得吸波器的带宽展宽，吸收率增加；

(2)本实用新型无需引入有欧姆损耗和热损耗的金属作为谐振单元，而是直接利用高折射率介质作为谐振单元；因这种设计没有金属的欧姆损耗，故对于太赫兹频段的吸波尤为有意义；本实用新型具有结构通俗易加工，设计灵活(谐振单元可以是环，也可以是其他结构)，功能性强等特点。

附图说明

图1为状态一结构单元结构示意图。

图2为基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器阵列(4×4)状态一结构图正视图。

图3为状态二结构单元结构示意图。

图4为基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器阵列(4×4)状态二结构图正视图。

图5为基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器结构阵列电磁波垂直入射时的吸收曲线。

图6为涂覆导电碳浆和铜膜的超材料吸波器阵列在电磁波垂直入射时的吸收曲线。

附图标记解释：1-反射板，2-介质，3-导电碳浆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

一种基于高折射率的介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器的设计及原理，可以通过在高折射率的谐振单元表面涂覆导电碳浆达到展宽带宽，并且降低品质因数(Q值)的目的。所述的超材料吸波器由结构单元周期排列而成，其有两种状态：状态一是介质谐振吸波状态，其结构单元包括底层反射板1和上层的高折射率谐振单元(镂空齿轮)，状态二是可展宽带宽的吸波状态，其结构单元为底层反射板，中间高折射率谐振单元(镂空齿轮)和涂覆在谐振单元的导电碳浆3。

因其中n是材料的折射率，ε是材料的介电常数，μ是材料的磁导率，所以高折射率介质可以是高介电常数也可以是高磁导率的介质。

用作谐振单元的高折射率介质2，可以是自然界已有的介质，也可以是通过人工合成的具有等效的高折射率(高介电常数或高磁导率)超材料。高折射率介质可以有多种形式，①μ＝1(磁导率)，130≤ε≤1600(介电常数)；②11≤n≤40(折射率)。

上层的谐振单元为镂空齿轮，由如钛酸锶(介电常数ε≈340)、共烧陶瓷(介电常数可达150)等或其他高折射率介质构成。

所述涂覆的高阻表面为导电碳浆，可以只涂覆谐振单元的某一些部分，也可以对谐振单元全部涂覆。

所述的基于高折射率介质的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器的产生方法，电磁波垂直入射，状态一的吸波是由于高折射率介质本身的谐振引起的，状态二的吸波是由于涂覆了高阻表面，从而有了一定的电导率，且高阻表面具有一定的阻值，从而实现了带宽的展宽，所述带宽展宽是指在介质表面涂覆高阻表面与未涂覆高阻表面相比较，该超材料吸收带宽展宽，品质因数(Q值)下降。

所述的超材料吸波器能够同时实现吸波带宽展宽，即Q值下降，且吸波率增加。

超材料吸波器的反射板，在不频段所用反射板不同，如在微波波段反射面可用全金属板，如铜、铝等；而在太赫兹及光波以上频段，反射板可采用多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。

超材料吸波器，其谐振单元还可以为人工合成的具有特定特性的介质，如通过溶液配比的方法得到的凝胶型(柔性)介质，再与柔性基板相结合可以用于共形，也可以是其他结构(如锥形结构)实现宽频吸收。

所述的基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器的产生方法，电磁波垂直入射，状态一的吸波是由于高折射率介质本身的谐振引起的，状态二的吸波是由于涂覆了高阻表面，从而有了一定的电导率，且高阻表面具有一定的阻值，从而实现了带宽的展宽，所述带宽展宽是指在高折射率介质表面涂覆高阻表面与未涂覆高阻表面相比较，该超材料吸收带宽展宽，Q下降。

所述的基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器能够实现良好的吸波性能和带宽展宽。

一种基于介质谐振的涂覆高阻表面的可展宽带宽的超材料吸波器，由若干个谐振单元周期排列而成。该种吸波器有两种状态，状态一是介质吸波状态，其结构单元如图1所示，底层是完整的金属板，用于全反射，上层是高折射率的谐振单元，此处为镂空齿轮，也可以是其他形状的谐振单元，其阵列(4×4)如图2所示；状态二是展宽带宽状态，结构单元如图3所示，底层是完整金属板，中间是谐振单元，顶层是涂覆的高阻表面，其阵列(4×4)如图4所示。

齿轮中间的镂空半径r₁为3mm，齿的外轮廓所对应圆的圆心到齿轮的圆心距离r₂为5mm，齿的外轮廓所对应圆的半径为1mm，齿与齿之间的凹槽为半圆形，凹槽的半径为1mm，凹槽的圆心到齿轮的圆心距离r₂为5mm，齿轮设置在底层反射板的上表面且每个齿与反射板均有接触，导电碳浆涂覆在齿轮上表面的大圆环和8个小圆环上，大圆环是以齿轮的圆心作为大圆环的圆心，内径为3mm，外径r₃为3.2mm的圆环；小圆环是以齿的外轮廓所对应圆的圆心作为小圆环的圆心，内径为0.8mm、外径为1mm的圆环，导电碳浆的厚度为0.01mm。

如图5所示，是超材料吸波器阵列两种状态工作时的吸收曲线，工作时电磁波沿负Z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示反射率，由于底层是完整反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。图5中实线是状态一(只有高折射率介质作为谐振单元)的吸收曲线，其吸收率为95.65％，吸收曲线半高宽△f＝0.0965GHz，Q＝100.47；图中虚线是状态二(在高折射率介质谐振单元上涂覆高阻表面)的吸收曲线，其吸收率为99.97％，吸收曲线半高宽△f＝0.5847GHz，Q＝16.20。比较状态一和状态二可以看出，除了有一定的频偏，涂覆导电碳浆后，中心频点向低频方向移动。状态二的吸收率比状态一增加了4.5％，Q也下降了6.2倍，即吸收带宽拓展了6倍有余。因此，在高折射率介质谐振单元上涂覆高阻表面可以有效提高吸波器的吸收率，并展宽带宽，降低Q值。

在高折射率介质环谐振单元上涂覆不同的薄膜，具有不同的效果。在介质环上涂覆导电碳浆，可以达到拓展带宽的效果，并且增加吸收率。但在高折射率介质谐振单元的同样位置上涂覆一层铜薄膜，并不能打到拓展带宽，且增加吸收率的效果，而且高频性能还被恶化，出现了不被需要的吸收频点。涂覆不同材料的吸波器阵列的吸收谱与涂覆导电碳浆的吸波器阵列的吸收谱如图6所示。

尤其工作在太赫兹或者光波波段，本实用新型无需在介质上增加金属，避免了金属欧姆损耗和热损耗，使之更适合于设计工作在光波和太赫兹波段。所有吸收都由高折射率的本身介质谐振引起的，可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收；本实用新型具有结构通俗易加工，设计灵活(谐振单元可以是环，也可以是其他任意结构)，功能性强等特点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，其特征在于，包括底层反射板和至少一个谐振单元，其中，谐振单元设置在底层反射板上，至少一个谐振单元上涂覆有高阻表面；高阻表面为导电碳浆，导电碳浆的方阻为180ohm/sq；谐振单元为中间镂空的齿轮，齿轮上的齿的个数为8个，且齿的尺寸均相同；

齿轮中间的镂空半径为3mm，齿的外轮廓所对应圆的圆心到齿轮的圆心距离为5mm，齿的外轮廓所对应圆的半径为1mm，齿与齿之间的凹槽为半圆形，凹槽的半径为1mm，凹槽的圆心到齿轮的圆心距离为5mm，齿轮设置在底层反射板的上表面且每个齿与反射板均有接触，导电碳浆涂覆在齿轮上表面的大圆环和8个小圆环上，大圆环是以齿轮的圆心作为大圆环的圆心，内径为3mm，外径为3.2 mm的圆环；小圆环是以齿的外轮廓所对应圆的圆心作为小圆环的圆心，内径为0.8mm、外径为1mm的圆环，导电碳浆的厚度为0.01 mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，其特征在于，谐振单元的个数为16N个，每16个谐振单元以4×4的阵列形式周期排列设置在底层反射板上，N为大于3的整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，其特征在于，底层反射板采用多层介质反射板。

4.根据权利要求1所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，其特征在于，在微波频段，底层反射板采用完整金属反射板。

5.根据权利要求3所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，其特征在于，多层介质反射板为光子晶体或具有反射特性的人工结构阵列。

6.根据权利要求5所述的一种基于高折射率介质涂覆高阻表面的可拓展带宽的吸波器，其特征在于，所述光子晶体是多层堆材结构。