一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器

摘要

本发明公开一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器，属于电磁超材料技术领域，包括多个周期阵列排布的方形单元结构，方形单元结构包括自下而上依次设置的金属背地、介质衬底和金属倒置十字星结构，金属倒置十字星结构由四个锲形结构组成，锲形结构由矩形和等腰三角形构成，矩形的宽边与等腰三角形的底边相接，各锲形结构的等腰三角形顶角朝向方形单元结构平面的正中心，且互不接触。当电磁波从正面入射至窄带吸波器上时，其中产生磁偶极子共振，实现对电磁波能量的高Q值窄带吸收，吸收频点可灵活调控，具有角度和偏振不敏感的优点。

说明书

技术领域

本发明属于电磁超材料技术领域，具体涉及一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器。

背景技术

电磁吸波材料作为一种新兴的结构吸波材料，具有重量轻、厚度薄、吸收率高、频率可调等优点，在电磁学领域引起了广泛的关注。由于其优异的特性，在传感、高性能天线等领域具有潜在的应用前景。

2008年，Landy等人利用介质衬底两侧的金属谐振器和微带线，首次在11.5GHz实现了理想吸收的超材料吸波器。此后，出现了窄带、多带、宽带和极化选择等多种超材料吸波器，极大地促进了其发展。特别是，P.H.Zhou等人提出了一种基于聚二甲基硅氧烷基底的可伸缩超材料吸波器，为柔性超材料吸波器提供了一种途径。窄带超材料吸收器作为一个重要的研究分支，在化学、生物、医学等传感器领域具有广泛的潜在应用前景。在传感测量中，将分析物放置在超材料吸波器表面，通过监测吸收频移来实现传感检测。然而，对于保证广角入射下偏振不敏感的超材料吸波器的研究很少，偏振敏感性会极大地削弱传感器性能。因此，如何设计结构更简单、厚度超薄、角度和偏振不敏感、工作频率灵活设计的窄带超材料吸波器仍是一个亟待解决的目标和问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器，可应用于电磁波雷达散射面积降低、折射率传感等领域，具有结构简单、高Q值、角度和偏振不敏感等优点。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器，其特征在于，包括多个周期阵列排布的方形单元结构，所述方形单元结构包括自下而上依次设置的金属背地、介质衬底和金属倒置十字星结构；所述金属倒置十字星结构由四个锲形结构组成，所述锲形结构由矩形和等腰三角形构成，矩形的宽边与等腰三角形的底边相接，各锲形结构的等腰三角形顶角朝向方形单元结构平面的正中心，且互不接触。

进一步地，所述方形单元结构的周期长度为P；优选地，P＝10mm。

进一步地，所述矩形的宽度为W；优选地，W＝2.4mm。

进一步地，所述等腰三角形底边的高为Lt,W/2

进一步地，各锲形结构的等腰三角形顶角与方形单元结构平面的正中心的距离为Ls,0

进一步地，所述矩形的宽边与等腰三角形的底边尺寸相同。

进一步地，当电磁波从正面入射至所述窄带吸波器上时，金属倒置十字星结构与金属背地之间形成一个等效电流回路，进而在窄带吸波器中产生磁偶极子共振，实现对电磁波能量的吸收。

进一步地，当电磁波从正面入射至所述窄带吸波器上时，在TM和TE极化下，电磁波吸收峰处的电场能量均主要束缚在锲形结构边缘。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器，通过采用金属倒置十字星结构，实现了对电磁波的高Q值窄带吸收，且吸收频点可根据金属倒置十字星结构的参数变化而灵活调控；本发明可以广泛应用于雷达散射面积降低、折射率传感等领域，而且整体结构简单，加工方便，具有角度和偏振不敏感的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中方形单元结构的结构示意图；其中，(a)为俯视图；(b)为侧视图；

图2为本发明实施例1提供的基于倒置十字星结构的窄带吸波器的S参数仿真及测试结果图；

图3为本发明实施例1提供的基于倒置十字星结构的窄带吸波器的电场能量分布图；其中，(a)为TM极化下的电场分布；(b)为TE极化下的电场分布；(c)为TM极化下的电流分布；(d)为TE极化下的电流分布；

图4为本发明实施例1提供的基于倒置十字星结构的窄带吸波器的实物图；

图5为本发明实施例1提供的基于倒置十字星结构的窄带吸波器的测试环境图；

图6为本发明实施例1提供的基于倒置十字星结构的窄带吸波器应用于雷达散射面积降低的测试结果图；

图7为本发明实施例1提供的基于倒置十字星结构的窄带吸波器应用于折射率传感的仿真结果图；

附图中各标记的说明如下：

1：矩形；2：等腰三角形；3：介质衬底；4：金属背地。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供了一种基于倒置十字星结构的窄带吸波器，应用于微波电磁波吸收，包括多个沿着x和y方向周期阵列排布的方形单元结构。所述方形单元结构的具体结构示意图如图1所示，包括自下而上(z方向)依次设置的金属背地4、介质衬底3和金属倒置十字星结构。所述金属倒置十字星结构由四个锲形结构组成，所述锲形结构由矩形1和等腰三角形2构成，矩形1的宽边与等腰三角形2的底边相接，各锲形结构的等腰三角形顶角朝向方形单元结构平面的正中心，且互不接触。

其中，所述方形单元结构的周期长度P＝10mm；所述矩形1的宽度W＝2.4mm；所述等腰三角形2底边的高L

所述介质衬底3采用Rogers RT5880材料，厚度为0.127mm；所述金属背地4和金属倒置十字星结构的材料为铜，厚度为2μm。

当电磁波从正面入射至本实施例提出的窄带吸波器上时，金属倒置十字星结构与金属背地4之间形成一个等效电流回路，进而在窄带吸波器中产生磁偶极子共振，实现对电磁波能量的吸收。

本实施例提出的窄带吸波器应用于微波频段电磁波吸收时的S参数仿真及测试结果如图2所示，可知窄带吸波器在12.56GHz处实现了近100％的完美吸收，具有高达69.8的Q值，且在TE和TM极化下的吸收频谱相同，具有极化不敏感特性。测试结果与仿真结果存在一定的偏差，这主要是由测试和加工误差导致的，但整体吸收频率趋势相同。

图3为当电磁波从正面入射时，本实施例提出的窄带吸波器在完美吸收频点处的电场和电流分布示意图。由图3(a)和图3(b)可知：在TM和TE极化下，电磁波吸收峰处的电场能量主要束缚在锲形结构边缘；由图3(c)和图3(d)可知：金属倒置十字星结构与金属背地4上的电流方向相反且平行，二者之间形成了一个等效电流回路，进而在窄带吸波器中产生磁偶极子共振，实现对电磁波能量的吸收。

图4为本实施例提出的窄带吸波器的实物图，由多个沿着x和y方向周期阵列排布的方形单元结构构成。

图5为本实施例1提出的窄带吸波器的测试环境图，窄带吸波器被放置在一个暗室的旋转平台上，采用一个标准喇叭天线作为发射器，另一个标准喇叭天线作为接收器进行测试。

采用8～12GHz和12～18GHz的标准喇叭天线在垂直入射下进行TE极化和TM极化测量，得到如图6所示的单站雷达散射面积(RCS)曲线，可知：无论是TE极化还是TM极化，本实施例提出的窄带吸波器的RCS在共振频率范围内均低于PEC金属板(PEC ground)，且在12.28GHz时RCS降低率均高于20dBsm。实测结果表明，本实施例提出的窄带吸波器具有较低的RCS特性，TM偏振和TE偏振的RCS曲线一致，验证了其具有偏振不敏感特性。

本实施例提出的窄带吸波器还可通过将待测物放置在窄带吸波器表面，实现折射率传感应用，如图7所示，随着待测物的折射率从n＝1到n＝2逐渐增加，窄带吸波器的共振吸收频率均匀地从12.56GHz移动到11.38GHz，最大频移值为1.18GHz。此外，该窄带吸波器实现传感应用的折射率单位灵敏度为S(f)＝1.18GHz/RIU,FOM(传感品质因素)＝S(f)/FWHM＝6.56，其中FWHM为吸收峰的半高全宽值。因此，本实施例提出的窄带吸波器可作为折射率传感器，实现对不同折射率的分析物的传感和检测。

综上所述，本发明提出了一种基于倒置十字星结构的高Q值超材料电磁吸波器，在微波频段实现了对电磁波的完美吸收。该结构能够应用于雷达散射面积降低和折射率传感等，具有结构简单，加工方便，高Q值，设计灵活等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。