一种超材料微波吸波体

1.本发明涉及电磁波吸收技术领域，特别是涉及一种超材料微波吸波体。


背景技术：

2.随着科学技术的快速发展，电磁波在日常生活中被广泛应用，越来越多的电子设备和通讯设备开始出现，且这些设备通常工作在不同的电磁波频段。电磁波的应用极大方便了人们的日常生活，但同时这些设备的使用也会带来电磁辐射和干扰等问题。长期生活在过电磁辐射的环境里，人们的身体健康会受到影响，同时电磁福射会造成一定范围内的电磁污染，不同通讯设备之间的信号也可能会互相干扰。因此，为了解决电磁辐射和干扰等问题，科研工作者在电磁波吸收领域展开了大量的研究工作。
3.吸波材料，又称吸波体或吸收器，是指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类电磁功能材料或器件。超材料是一种由金属和介质复合而成的具有负折射率性质的人工电磁材料，通过调控超材料的结构和尺寸，可以得到所需的等效介电常数、磁导率等电磁特性参数，这就为超材料在吸波材料上的应用提供了有利条件。
4.自2008年landy等人首次提出由电谐振器、电介质基板和金属微带线构成的具有“完美吸收”特点的电磁耦合结构吸波体以来，完美超材料吸波体便迅猛发展起，科研工作者们提出了不同结构的超材料吸波体去实现各种波段的电磁波吸收。实现完美吸波的条件是让电磁波尽可能多的进入到吸波体内部，尽量减少表面反射，同时在材料内部还要尽最大限度地消耗掉入射电磁波能量。因此实现电磁波完美吸收的吸波体具备阻抗匹配和损耗特性这两个特征。阻抗匹配即使电磁波最大程度的进入到材料或吸波体内部，损耗特性则是利用材料本身的性质或者吸波体的结构，将入射进来的电磁能量全部消耗掉。
5.传统的基于金属谐振吸收的超材料吸波体具有对入射波极化不敏感、偏振不敏感的特点，同时对具有较大入射角的电磁波也具有良好的吸收率；但存在谐振吸收频带窄的缺点，多个或者多层谐振单元的组合虽然可以扩展吸收带宽，但是其频带扩展能力有限，并且是以牺牲整体的厚度为代价。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种超材料微波吸波体，能够提高对入射角较宽的电磁波的吸收率，拓展吸收带宽。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种超材料微波吸波体，包括：金属结构、贴片电阻、介质基板、空气腔以及金属板；所述空气腔设置在所述金属板与所述介质基板之间；所述介质基板远离所述金属板的一面上设置有金属结构；所述金属结构包括六个t形枝节和六个v形谐振枝节；所述金属结构为旋转对称结构；六个t形枝节的连接点为所述金属结构的中心点；六个t形枝节围绕所述中心点旋转对称设置，相邻两个t形枝节之间间隔60度；六个t形枝节外侧设置有六个v形谐振枝节，v形谐振枝节与t形枝节不接触；六个v形谐振枝节围绕所述中心点旋转对称设
置；每个v形谐振枝节包括两个夹角为120度的边，六个v形谐振枝节的边的延长线围成一个正六边形；相邻两个v形谐振枝节之间不接触；每个t形枝节上距离所述中心点预设距离处设置有所述贴片电阻。
9.可选地，所述超材料微波吸波体为立方体结构；所述金属板与所述空气腔的接触面以及所述介质基板与所述空气腔的接触面均为相同尺寸的正方形。
10.可选地，所述金属结构的材料为铜。
11.可选地，所述贴片电阻的阻值为80欧姆。
12.可选地，所述贴片电阻的长度为0.8mm。
13.可选地，所述t形枝节和所述v形谐振枝节的线宽均为0.5mm。
14.可选地，所述介质基板的材料为fr-4，介电常数为4.4，损耗角的正切值为0.02。
15.可选地，所述金属板的材料为铜。
16.可选地，所述超材料微波吸波体的吸收率为a(ω)＝1-r(ω)；其中a(ω)为吸收率；r(ω)为反射率。
17.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
18.本发明提供一种超材料微波吸波体，包括金属结构、贴片电阻、介质基板、空气腔以及金属板；其中，空气腔设置在金属板与介质基板之间；介质基板远离金属板的一面上设置有金属结构；金属结构为旋转对称结构，包括六个t形枝节和六个v形谐振枝节；六个t形枝节的连接点为金属结构的中心点且外侧设置有六个v形谐振枝节，v形谐振枝节与t形枝节不接触；每个t形枝节上距离中心点预设距离处设置有贴片电阻，由此本发明能够提高对入射角较宽的电磁波的吸收率，拓展吸收带宽。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明提供的超材料微波吸波体的结构示意图；
21.图2为本发明提供的超材料微波吸波体的金属结构的示意图；
22.图3为本发明提供的金属结构末端未设置v形谐振枝节和设置了v形谐振枝节两种情况下的吸收率和反射系数的对比曲线图；
23.图4为本发明提供的超材料微波吸波体的等效电路图；
24.图5为本发明提供的超材料微波吸波体在te模式电磁波不同入射角θ下的吸收率曲线图。
25.符号说明：
26.1—金属结构，2—贴片电阻，3—介质基板，4—空气腔，5—金属板，101—t形枝节，102—v形谐振枝节，o—中心点。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种超材料微波吸波体，能够提高对入射角较宽的电磁波的吸收率，拓展吸收带宽，对te模式的入射波吸收具有宽带吸收、极化不敏感的和较大入射角吸收的优点。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.图1为本发明提供的超材料微波吸波体的结构示意图。如图1所示，本发明提供的一种超材料微波吸波体，包括：金属结构1、贴片电阻2、介质基板3、空气腔4以及金属板5。其中，空气腔4设置在金属板5与介质基板3之间；介质基板3远离金属板5的一面上设置有金属结构1。如图1所述，超材料微波吸波体为立方体结构。其中，金属板5与空气腔4的接触面以及介质基板3与空气腔4的接触面均为相同尺寸的正方形，且正方形边长为21mm。介质基板3与金属板5之间空气腔4的厚度为8.8mm，也即介质基板3与底层金属板5之间的距离为8.8mm。超材料微波吸波体最底层金属板5的材料为铜。
31.作为一种优选实施例，介质基板3的材料为fr-4，介电常数为4.4，损耗角的正切值为0.02，厚度为2.1mm。由于材料fr-4在高频板材中成本较低，损耗较小，因此降低了加工成本。
32.本发明在超材料微波吸波体最顶层设置了铜材料制成的金属结构1，其厚度为0.018mm。图2为本发明提供的超材料微波吸波体的金属结构的示意图。为了使得超材料微波吸波体对电磁波的吸收具有更加稳定的极化不敏感特性，如图2所示，本发明金属结构1设置了六个t形枝节101和六个v形谐振枝节102。其中，金属结构1为旋转对称结构。六个t形枝节101的连接点为金属结构1的中心点o；六个t形枝节101围绕中心点o旋转对称设置，相邻两个t形枝节101之间间隔60度。
33.性能良好的超材料微波吸波体，即使电磁波入射的角度很大，也要能够保持吸收率高以及吸收频带宽的特性。为了使得本发明的超材料微波吸波体具有宽角入射吸收的特性，在金属结构1六个t形枝节101的末端加上六个v形谐振枝节102，使得超材料微波吸波体工作在较宽的频率范围内，对较大入射角的电磁波仍然具有较高的吸收率，具体设置如下。
34.在六个t形枝节101外侧设置有六个v形谐振枝节102，v形谐振枝节102与t形枝节101不接触。六个v形谐振枝节102围绕中心点o旋转对称设置。每个v形谐振枝节102包括两个夹角为120度的边，六个v形谐振枝节102的边的延长线围成一个正六边形；相邻两个v形谐振枝节102之间不接触。即，金属结构1中，由一个正放的t形枝节101围绕中心点o依次旋转60度形成的六个t形枝节101结构位于六个v形谐振枝节102围成的空间内部。
35.为了增加超材料微波吸波体对电磁波的吸收带宽，本发明每个t形枝节101上距离中心点o预设距离处设置有贴片电阻2。
36.具体地，在金属结构1中加载了6个贴片电阻2，贴片电阻2的阻值均为80欧姆，长度均为0.8mm。超材料微波吸波体的金属结构1如图2所示，其中，金属结构1的线宽为0.5mm，即t形枝节101和v形谐振枝节102的线宽均为0.5mm；且贴片电阻2的宽度和金属结构1的线宽也相等。贴片电阻2设置在距离中心点o预设距离l1处，l1＝3mm；t形枝节101远离中心点o的
边距中心点o的距离为l2，l2＝7.4mm；六个v形谐振枝节102的边的延长线围成的正六边形的顶点距中心点o的距离为l3，l3＝9.5mm；相邻两个v形谐振枝节102之间间隔的预设距离为l4，l4＝2mm。
37.本发明提供的超材料微波吸波体具有结构简单、易于制作的特点，在金属结构1上加载了六个贴片电阻2，有效地加强了超材料微波吸波体与自由空间之间的阻抗匹配，使得微波吸波体的吸收率得到进一步的增加，从而拓展了带宽。
38.超材料微波吸波体的吸收率表达式为：a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)。其中，a(ω)为吸收率，r(ω)为反射率，t(ω)为透射率。r(ω)＝s
112
，t(ω)＝s
212
。s
11
为反射系数，其值取决于超材料微波吸波体的阻抗值与自由空间阻抗的匹配程度，匹配程度越高，s
11
的值越小，入射的电磁波得以大量进入吸波体内部当中。s
21
为透射系数，因为本发明的超材料微波吸波体底层为金属板5，所以对于本发明的超材料微波吸波体而言，s
21
的值为零，所以本发明的超材料微波吸波体的吸收率表达式为：a(ω)＝1-r(ω)。
39.图3为本发明提供的金属结构末端未设置v形谐振枝节和设置了v形谐振枝节两种情况下的吸收率和反射系数的对比曲线图，此时入射角θ都设置为65
°
。从图3的结果可以看出，超材料微波吸波体的金属结构1末端加载v形谐振枝节102之后，在2.9ghz～4.9ghz频率范围内的s
11
值更小，所以超材料微波吸波体的吸收效果更好，在吸收率90％以上的工作频率范围比未加载v形谐振枝节的范围更大。
40.为了更加直观的了解本发明的超材料微波吸波体的吸波原理，图4展示了本发明提供的超材料微波吸波体的等效电路图。超材料微波吸波体一般为亚波长结构，呈周期性分布，因此可以被看作一种阻抗元件。对其进行分析时，可以将其分为等效电容、等效电感和等效电阻三部分。如图4所示，本发明的超材料微波吸波体的六枝节金属结构1末端在未加载谐振环节102时可以看成电阻、电感和电容分别为r1、l1、c1的三条电路的并联，在末端加载v形谐振枝节102之后，又引入的新的电容和电感，即又串联了l2和c2。超材料微波吸波体的介质基板3和顶层金属结构1之间并联，介质基板3的阻抗为z1，电长度为θ1。空气腔4和介质基板3并联，空气腔4的阻抗就是自由空间的波阻抗z0，其电长度为θ0。超材料微波吸波体的最底层为金属板5，在等效电路中相当于短路。
41.图5为本发明提供的超材料微波吸波体在te模式电磁波不同入射角θ下的吸收率曲线图。从图5中可以看出对于te模式的入射电磁波，在入射角θ达到65
°
时，吸收率在90％以上的工作频率范围为2.9ghz～4.9ghz，工作带宽为51.3％，吸收率在80％以上的工作频率范围为2.73ghz～4.93ghz，工作带宽为57.4％。在入射角θ达到70
°
的情况下，吸收率在80％以上的工作频率范围为2.78ghz～4.93ghz，工作带宽为52.5％。可见本发明提供的超材料微波吸波体对入射角较宽的电磁波具有较高的吸收率，同时还具有极化不敏感和宽带的优点。
42.本发明提出的一种超材料微波吸波体，通过在金属结构1上加载集总元件(贴片电阻)以拓宽电磁波吸收带宽，集总元件起到了消耗入射电磁波的作用，从而实现了宽频吸收。本发明提出的超材料微波吸波体对入射波的吸收具有宽带、极化不敏感的和较大入射角的优点。通过在金属结构1上加载一定阻值的贴片电阻2，可以有效加强超材料微波吸波体与自由空间之间的阻抗匹配，当表面电流在贴片电阻2上流通时，贴片电阻2的发热会导致热能的释放，使得超材料微波吸波体的吸收率得到进一步的增加，拓展了吸收带宽。
43.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
44.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种超材料微波吸波体，其特征在于，包括：金属结构、贴片电阻、介质基板、空气腔以及金属板；所述空气腔设置在所述金属板与所述介质基板之间；所述介质基板远离所述金属板的一面上设置有金属结构；所述金属结构包括六个t形枝节和六个v形谐振枝节；所述金属结构为旋转对称结构；六个t形枝节的连接点为所述金属结构的中心点；六个t形枝节围绕所述中心点旋转对称设置，相邻两个t形枝节之间间隔60度；六个t形枝节外侧设置有六个v形谐振枝节，v形谐振枝节与t形枝节不接触；六个v形谐振枝节围绕所述中心点旋转对称设置；每个v形谐振枝节包括两个夹角为120度的边，六个v形谐振枝节的边的延长线围成一个正六边形；相邻两个v形谐振枝节之间不接触；每个t形枝节上距离所述中心点预设距离处设置有所述贴片电阻。2.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述超材料微波吸波体为立方体结构；所述金属板与所述空气腔的接触面以及所述介质基板与所述空气腔的接触面均为相同尺寸的正方形。3.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述金属结构的材料为铜。4.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述贴片电阻的阻值为80欧姆。5.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述贴片电阻的长度为0.8mm。6.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述t形枝节和所述v形谐振枝节的线宽均为0.5mm。7.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述介质基板的材料为fr-4，介电常数为4.4，损耗角的正切值为0.02。8.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述金属板的材料为铜。9.根据权利要求1所述的超材料微波吸波体，其特征在于，所述超材料微波吸波体的吸收率为a(ω)＝1-r(ω)；其中a(ω)为吸收率；r(ω)为反射率。

技术总结
本发明公开了一种超材料微波吸波体，涉及电磁波吸收技术领域。该超材料微波吸波体包括：金属结构、贴片电阻、介质基板、空气腔以及金属板；所述空气腔设置在所述金属板与所述介质基板之间；所述介质基板远离所述金属板的一面上设置有金属结构；所述金属结构包括六个T形枝节和六个V形谐振枝节；所述金属结构为旋转对称结构；六个T形枝节的连接点为所述金属结构的中心点；六个T形枝节外侧设置有六个V形谐振枝节，V形谐振枝节与T形枝节不接触；每个T形枝节上距离所述中心点预设距离处设置有所述贴片电阻。本发明提供的超材料微波吸波体能够提高对入射角较宽的电磁波的吸收率，拓展吸收带宽。收带宽。收带宽。


技术研发人员：丁大维 李广 邵荣 徐光辉 杨利霞 黄志祥
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/12