CN210489834U - 基于表面等离激元的超材料吸波单元及超导材料吸波结构 - Google Patents

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陈志勇
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Abstract

本实用新型的基于表面等离激元的超材料吸波单元及超导材料吸波结构，超材料吸波单元包括金属底层、介质层和金属上层，金属底层通过介质层设置在金属上层的底部，金属上层由多个大小不同的H型金属层构成，且H型金属层由大及小等间距排列设置在介质层上。本实用新型利用金属上层对反射波的转化，可以将平面波转化为表面波，实现无回波的理想吸波体，还可调节H形金属结构的尺寸达到对于超材料表面反射相位的控制，通过一系列的梯度相位分布给超材料结构表面提供足够大的
Figure DDA0002254546680000011
当
Figure DDA0002254546680000012
时反射波由平面波转化为表面波，既无回波的理想吸波体，其中，
Figure DDA0002254546680000013
表示反射相位的矢量微分形式，K0表示波长与真空中的光束的比值。

Description

基于表面等离激元的超材料吸波单元及超导材料吸波结构
技术领域
本实用新型涉及吸波结构技术领域，更具体地，涉及一种基于表面等离激元的超材料吸波单元及超导材料吸波结构。
背景技术
在隐身设计及特殊电磁环境的屏蔽需要，常常需要在有限的结构厚度下有效吸收电磁波的超材料结构。
一般来说，现有常规超材料结构吸波方式为利用金属结构的电磁谐振来对电磁波进行吸收；或者利用多层平面电阻层来对电磁波进行束缚、衰减。一般超导结构的厚度为四分之一波长。
而对于超导材料的厚度较薄时，按照现有超导材料结构设计，无法实现其有效吸波，从而影响其使用。
因此，如何设计一种在有限厚度的结构下，可实现有效吸收电磁波的超导材料成为了设计的关键。
实用新型内容
本实用新型提供一种可以在有限厚度的材料实现对电磁波的有效吸收的基于表面等离激元的超材料吸波单元及超材料吸波结构，以解决上述现有技术问题。
根据本实用新型的一个方面，提供一种基于表面等离激元的超材料吸波单元，包括金属底层、介质层和金属上层，所述金属底层通过所述介质层设置在所述金属上层的底部，所述金属上层由多个大小不同的H型金属层构成，所述H型金属层由大及小等间距排列设置在所述介质层上。
本实用新型还提供了一种超材料吸波结构，包括多个如上所述的一种基于表面等离激元的超材料吸波单元。
在上述方案基础上优选，所述超材料吸波单元呈阵列式排列相组合，且所述超材料吸波单元上的所述H型金属层呈周期型变化。
本实用新型的一种基于表面等离激元的超材料吸波单元，通过采用多个H型金属层构成的金属上层，利用金属上层对反射波的转化，可以将平面波转化为表面波，实现无回波的理想吸波体。
本实用新型的一种基于表面等离激元的超材料吸波单元，还可以调节H形金属结构的尺寸达到对于超材料表面反射相位的控制，通过一系列的梯度相位分布给超材料结构表面提供足够大的
Figure BDA0002254546660000021
当
Figure BDA0002254546660000022
时反射波由平面波转化为表面波，既无回波的理想吸波体，其中，
Figure BDA0002254546660000023
表示反射相位的矢量微分形式，K0表示波长与真空中的光束的比值。
附图说明
图1为
Figure BDA0002254546660000024
时本实用新型超材料结构对于反射波的转化示意图；
图2为
Figure BDA0002254546660000025
时本实用新型超材料结构对于反射波的转化示意图；
图3为本实用新型的基于表面等离激元的超材料吸波单元的示意图；
图4为本实用新型的一种超材料吸波结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
本实用新型基于以下原理，设计了本实用新型的结构。
在进行实验研究发现，当电磁波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的只有电子发生集体振荡，电磁波与金属表面只有电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射波频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效的转变为金属表面只有电子的集体振动能量，这时电磁场会被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就是表面等离激元现象。为了在结构表面更有效的激发表面等离激元现象，我们首先要想办法将入射的平面电磁波更高效的转化为结构表面的表面电磁波。
斯涅尔最早发现了光的折射定律，当入射光和折射光位于同一平面上，并且与界面法线的夹角满足：n1sini＝n2sinr，其中n为两个介质的折射率，i为入射光与界面法线的夹角,而r为折射光与界面法线的夹角，叫做入射角与折射角。而荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯进一步证明了光也是一种电磁波，所以斯涅尔定律对于电磁波的折射依旧有效。
对于非均匀的超材料结构的表面电流的辐射模式可以由麦克斯韦方程求解，其表示为
Figure BDA0002254546660000031
由此可知当ξ<k0时反射波为平面波，而当ξ>k0时反射波为表面波，参数ξ决定了反射时的辐射特性。此时的反射相位我们可以用公式
Figure BDA0002254546660000032
来描述，这类非均匀超材料结构的入射角和反射角关系满足广义斯涅尔定律
Figure BDA0002254546660000033
其中，k0＝ω/c，其中，ω为波长，c为真空中光速，当
Figure BDA0002254546660000034
时入射的平面波即转化为表面波，
Figure BDA0002254546660000035
表示反射相位的矢量微分形式，K0表示波长与真空中的光束的比值。
如图1为
Figure BDA0002254546660000036
时，超材料结构对于反射波的转化示意图，图2为
Figure BDA0002254546660000037
时，超材料结构对于反射波的转化示意图。由此，可以得出，当
Figure BDA0002254546660000038
超材料结构上入射的平面波全部转化为表面波。
基于上述思路，本实用新型设计的了一种基于表面等离激元的超材料吸波单元，包括金属底层10、介质层20和金属上层30，金属底层10通过介质层20设置在金属上层30的底部，金属上层30由多个大小不同的H型金属层11构成，H型金属层11由大及小等间距排列设置在介质层20上，具体结构如图3所示。其中，H型金属层11优选的呈等比例增加或减小。
使用时，通过采用多个H型金属层11构成的金属上层30，利用金属上层30对反射波的转化，可以将平面波转化为表面波，实现无回波的理想吸波体。
本实用新型还提供了一种超材料吸波结构，包括多个如上所述的一种基于表面等离激元的超材料吸波单元100，多个超材料吸波单元100呈阵列式排列相组合，且超材料吸波单元100上的H型金属层11大小呈周期型变化，具体结构如图4所示。
为了进一步验证本实用新型的效果，在长度为50mm的x方向上，当非均匀超材料等离激元结构提供的相位满足时反射波从平面波变为表面波，此时在空间中几乎无反射波存在，绝大部分的电磁波能量将沿着超材料等离激元表面传播。
本实用新型的一种基于表面等离激元的超材料吸波单元，还可以调节H形金属结构的尺寸达到对于超材料表面反射相位的控制，通过一系列的梯度相位分布给超材料结构表面提供足够大的
Figure BDA0002254546660000041
当
Figure BDA0002254546660000042
时反射波由平面波转化为表面波，既无回波的理想吸波体，其中，
Figure BDA0002254546660000043
表示反射相位的矢量微分形式，K0表示波长与真空中的光束的比值。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于表面等离激元的超材料吸波单元，其特征在于，包括金属底层、介质层和金属上层，所述金属底层通过所述介质层设置在所述金属上层的底部，所述金属上层由多个大小不同的H型金属层构成，且所述H型金属层由大及小等间距排列设置在所述介质层上。
2.一种超材料吸波结构，其特征在于，包括多个如权利要求1所述的一种基于表面等离激元的超材料吸波单元。
3.如权利要求2所述的一种超材料吸波结构，其特征在于，所述超材料吸波单元呈阵列式排列相组合，且所述超材料吸波单元上的所述H型金属层呈周期型变化。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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