一种多模融合大频率比双频超材料吸波体

1.本发明属于人工电磁吸波材料技术领域，涉及一种大频率比双频超材料吸波体，具体是利用多模融合的方式结合亥姆霍兹谐振腔吸波模式与棱台型吸透一体模式来实现大频率比双频吸波，可应用于通信领域中的电磁兼容设计及电子对抗的隐身领域。


背景技术：

2.电磁波吸波体是一类可以有效吸收入射电磁波，显著减小透射波与反射波的功能结构。电磁超材料吸波体作为电磁波吸波体的重要分支而被广泛研究，相较于传统吸波材料而言其具有轻便、灵活、吸波率高等优势。人工电磁超材料是指由周期或非周期排列的亚波长单元结构所构成的具有自然界材料不具备特性的人造材料。其最大的优势在于人们可以通过定制其单元结构或单元排列方式来实现想要的媒质特性。超材料吸波体对电磁波的吸收主要依靠阻抗匹配与电磁损耗，通过对超材料吸波体结构的调整可以实现其吸波频点的改变。
3.随着5g通信技术的发展，使得能同时满足sub-6ghz(450mhz-6ghz)与毫米波频段(24.25ghz-52.6ghz)使用要求的双频天线的发展逐渐趋向于大频率比(高频中心频率/低频中心频率)设计。随之而来的，对大频率比(高频吸波频段中心频率/低频吸波频率中心频率)双频吸波体的需求也将随之增加。然而目前人们对于双频超材料吸波体的设计，最常用的方法便是将大小各异结构类似或谐振模式类似的两个子结构组合，利用尺寸较小的单元实现高频吸波，尺寸较大的单元实现低频吸波。吸波频比的扩大通常通过调整谐振单元尺寸使得高频吸波频点增大或低频吸波频点减小。这种方法一方面受限于超材料单元整体尺寸而无法实现大频率比双频吸波，其频比(高频吸波频率/低频吸波频率)通常在3以内。另一方面，这种方法的两种吸波模式通常都是fp谐振模式，频比扩大时低频吸波频点的倍频特性会导致两频率之间出现额外的吸波频点，无法实现精准的双频吸波。
4.例如，申请公布号cn 114204280a，名称为“一种微波双频段超材料吸波器”的专利申请，公开了一种微波段双频超材料吸波体。该发明采用的单元结构包括电磁谐振层、介电层、金属接地层；电磁谐振层位于介电层之上，介电层位于金属接底层之上。电磁谐振层由闭合环、十字架和对称矩形条组成。实现了在3.77ghz和9.75ghz两个频点处吸波率超过99％的极化不敏感型吸波，其频比小于3。但是一方面其频比的扩大只能通过改变谐振单元尺寸实现，受限于整体单元尺寸的限制，另一方面其依赖的fp谐振机制使其在增大高频吸波频点或降低低频吸波频点时，低频吸波频点的倍频会导致额外的吸波频点出现在两目标吸波频点之间，制使其频比无法扩大至3以上。
5.申请公布号cn114142246，名称为“一种基于渐变阻抗的宽频大角度超材料吸波体及制备方法”，公开了一种宽频大角度超材料吸波体及制备方法，其中，该吸波体包括：吸波单元支撑平台，基底以及电阻模吸波结构；电阻模吸波结构包括至少一个条状电阻模，相邻两个条状电阻模之间的间距由吸波单元支撑平台侧壁的倾斜角度以及条状电阻模的长度比例因子确定，长度比例因子为相邻两个条状电阻模的长度的比值。实现了宽带大角度超
材料吸波，然而由于其实现的是“反射型吸波体”，在低频表现出全反射特性，无法用于叠层大频率比双频超材料吸波体设计。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，通过将亥姆霍兹谐振腔吸波模式与棱台型吸透一体模式结合，解决现有技术中存在的频比受限的技术问题。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，包括周期性排布的k
×
k个谐振单元，k≥2；所述谐振单元包括m
×
m个棱台型吸透一体结构1和层叠在其下方的低频吸波结构2，m≥2；所述棱台型吸透一体结构1包括方形第一介质基板11和位于其上板面中心位置的四棱台单元12，所述四棱台单元12采用由边长自下而上呈线性减小的n个方形第二介质基板121层叠而成的棱台结构，所述第二介质基板121的上表面印制有金属贴片122；所述低频吸波结构2采用设置有亥姆霍兹谐振腔的板面为正方形的立方体金属结构21，所述亥姆霍兹谐振腔包括设置在立方体金属结构21上表面且呈十字交叉的两条矩形缝隙，和位于立方体金属结构21内部贯穿其前后侧面和左右侧面的截面呈等腰三角形的两个十字交叉的三棱柱腔，两条矩形缝隙分别位于两个三棱柱腔的正上方并且与三棱柱腔的顶点相连，所述矩形缝隙和三棱柱腔内填充有介质材料。最终由两条矩形缝隙和两个三棱柱腔填充过后的立方体金属结构21构成亥姆霍兹谐振腔。
9.所述亥姆霍兹谐振腔的谐振频率f根据矩形缝隙和三棱柱腔的尺寸决定：
[0010][0011]
其中c为真空中的光速，w1和h1分别为矩形缝隙的宽度和高度，w2和h2分别为三棱柱腔底面宽度和高度，εr为矩形缝隙和三棱柱腔所选取介质材料的相对介电常数。亥姆霍兹谐振腔谐振频率由矩形缝隙和三棱柱腔的结构尺寸以及所填充材料的介电常数确定。
[0012]
上述一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，所述立方体金属结构21，其上表面上设置的两条矩形缝隙，分别位于该立方体金属结构21上表面两组对边中点的连线上。
[0013]
上述一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，所述立方体金属结构21，其内部设置的两个三棱柱腔棱边分别与该立方体金属结构21前后侧面与左右侧面中点的连线平行并且其底面与立方体金属结构21的上下表面平行。
[0014]
上述一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，所述两条矩形缝隙与两个三棱柱腔填充相同有耗介质材料。
[0015]
上述一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，所述四棱台单元12，其中心法线与第一介质基板11的中心法线重合。
[0016]
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0017]
(1)本发明由于其棱台型吸透一体单元，拥有底层金属反射板时在高频具有宽带吸波特性，去掉底层金属反射板时在低频具有透波特性；其低频亥姆霍兹谐振腔吸波单元，在低频表现处吸波特性，在其余频点具有全反射特性；通过将两单元上下叠层分布形成最终结构后，在低频电磁波入射时，上层棱台型吸透一体单元对电磁波没有影响，底层亥姆霍
兹谐振腔吸波单元吸收电磁波；在高频电磁波入射时，亥姆霍兹谐振腔可等效为金属反射层，上层棱台型吸透一体单元吸收电磁波；由于亥姆霍兹谐振腔吸波频率不受限于其整体结构尺寸，因此通过将双频吸波中的其中一种模式用亥姆霍兹谐振腔代替来降低双频吸波中的低频吸波频点进而实现大频比(频比大于7)双频吸波。
[0018]
(2)本发明采用亥姆霍兹谐振腔进行双频吸波中的低频设计，亥姆霍兹谐振腔吸波体具备单频吸波特性，在进行大频比设计时，低频吸波频点没有倍频吸波特性而高频宽带吸波的倍频特性在更高的频点，因此整体结构实现的大频比双频吸波两频率之间不会出现额外的吸波频点，实现更精准的大频比双频吸波。
附图说明
[0019]
图1为本发明实施例的谐振单元结构示意图。
[0020]
图2为本发明实施例中的棱台型吸透一体单元结构示意图。
[0021]
图3为本发明实施例中的低频亥姆霍兹谐振吸波单元结构示意图。
[0022]
图4是本发明实施例中的低频亥姆霍兹谐振吸波单元结构左视示意图。
[0023]
图5是本发明亥姆霍兹谐振腔谐振频率公式计算结果与软件仿真结果对比图。
[0024]
图6是本发明实施例中亥姆霍兹谐振腔谐振低频吸波结果以及高频全反射结果。
[0025]
图7是本发明实施例中棱台型吸透一体结构高频吸波结果和低频透波结果。
[0026]
图8是本发明实施例在电磁波垂直入射情况下的吸波曲线图。
[0027]
图9是本发明实施例在电磁波以10度入射角斜入射情况下的吸波曲线图。
[0028]
图10是本发明实施例在电磁波以20度入射角斜入射情况下的吸波曲线图。
[0029]
图11是本发明实施例在电磁波以30度入射角斜入射情况下的吸波曲线图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
[0031]
参照图1，本发明的谐振单元包括m
×
m个棱台型吸透一体结构1和层叠在其下方的低频吸波结构2，本实施例m＝4，谐振单元底面与xoy面平行。
[0032]
参照图2，本发明的单个棱台型吸透一体结构1包括方形第一介质基板11和位于其上板面中心位置的四棱台单元12，所述四棱台单元12采用由边长自下而上线性减小的n个方形第二介质基板121层叠而成的棱台结构，本实施例n＝16。所述第二介质基板121的上表面印制有金属贴片122；所述四棱台单元12，其中心法线与第一介质基板11的中心法线重合。每一层第二方形介质基板121及其上表面印制的金属贴片122构成一组子吸波结构，对高频电磁波的某一频点进行吸收。由于16个第二方形介质基板121的边长自下而上依次减小，因此，自下而上的每一层第二方形介质基板121及其上表面印制的金属贴片122所对应的吸波频点依次升高。16个方形第二介质基板所对应的16个高频吸波频点结合实现最终的高频宽带吸波效果，其中，方形第一介质基板11边长为5mm,厚度为0.3mm；n个方形第二介质基板厚度相等为0.1mm，最底层方形第二介质基板边长为4mm，其余方形第二介质基板边长以最底层方形第二介质基板边长为依据自下而上按0.12mm递减。方形第一介质基板11与方形第二介质基板121选取介质材料fr4,介电常数为4.3，损耗角正切为0.25。方形第二介质基板121上表面印制的金属贴片122采用金属铜，厚度0.035mm，电导率为5.96e7 s/m。
[0033]
参照图3，本发明的单个低频吸波结构2采用设置有亥姆霍兹谐振腔的板面为正方形的立方体金属结构21，所述亥姆霍兹谐振腔包括设置在立方体金属结构21上表面呈十字交叉的两条矩形缝隙，和位于立方体金属结构21内部贯穿其前后侧面和左右侧面的截面呈等腰三角形的两个十字交叉的三棱柱腔，两条矩形缝隙分别位于两个三棱柱腔的正上方并且与三棱柱腔的顶点相连，所述矩形缝隙和三棱柱腔内填充有介质材料。所述立方体金属结构21，其上表面上设置的两条矩形缝隙，分别位于该立方体金属结构21上表面两组对边中点的连线上。所述立方体金属结构21，其内部设置的两个三棱柱腔棱边分别与该立方体金属结构21前后侧面与左右侧面中点的连线平行并且其底面与立方体金属结构21的上下表面平行。
[0034]
参照图4，立方体金属结构21上下表面边长为20mm，整体高度为3.5mm；矩形缝隙的长度为20mm，宽度w1为0.2mm，高度h1为1mm；三棱柱腔底边长w2为7mm，高度h2为2mm。矩形缝隙和三棱柱腔填充相同的介质材料fr4。亥姆霍兹谐振谐振原理与串联lc谐振原理相似，其中亥姆霍兹谐振腔体结构的矩形缝隙可以等效为电容，亥姆霍兹谐振腔体结构的三棱柱腔可以等效为电感。矩形缝隙的等效电容为：
[0035][0036]
其中ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，w1为矩形缝隙宽度，h1为矩形缝隙高度。其三棱柱腔等效电感可由下式确定：
[0037][0038]
其中μ0为真空磁导率，w2为三棱柱腔底边宽度，h2为三棱柱腔高度，w3为立方体金属结构21下表面边长。此时亥姆霍兹谐振腔谐振频率f可由下式近似确定：
[0039][0040]
其中，c为真空中光速，由谐振频率计算公式可知矩形缝隙及三棱柱腔的结构尺寸和其填充的介质材料唯一的确定亥姆霍兹谐振腔谐振频率。
[0041]
与亥姆霍兹谐振腔谐振频率相同的电磁波入射到立方体金属结构21上表面时，电磁波透过矩形缝隙进入三棱柱腔被其填充的有耗介质损耗掉。其余频率电磁波入射到立方体金属结构21上表面时，被全部反射而不会被吸收。
[0042]
整个大频比双频超材料吸波体的吸波特性由棱台型吸透一体结构以及低频亥姆霍兹谐振腔吸波结构共同决定。高频电磁波入射时，低频亥姆霍兹谐振吸波结构对其起全反射作用，相当于金属反射板，保证棱台型吸透一体结构对其进行吸收。低频电磁波入射时，棱台型吸透一体结构对其不起作用，相当于电磁波直接入射至亥姆霍兹谐振腔从而被吸收。通过设计亥姆霍兹谐振腔使其在更低频工作从而实现大频率比的吸波效果，而且亥姆霍兹谐振腔的单频吸波特性保证了两频点之间不会出现额外的吸波频点。
[0043]
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：
[0044]
1.实验条件和内容：
[0045]
【实验条件】
[0046]
仿真1，对本发明中的亥姆霍兹谐振腔吸波结构谐振频率进行仿真，除介质腔宽度w2以外，其余参数按上述结构关系设计，改变立方体金属结构21内部三棱柱腔的底边宽度w2，变化范围5-12mm，电磁波的入射方向为垂直方向，利用cst软件仿真得到此亥姆霍兹谐振腔谐振频点，同时利用亥姆霍兹谐振腔谐振频率计算公式计算理论谐振频点，仿真结果如图5所示。
[0047]
仿真2，对本发明中亥姆霍兹谐振腔吸波结构进行仿真，设置频率范围为1-5ghz，电磁波的入射方向为垂直方向，利用cst软件对本发明中亥姆霍兹谐振腔吸波结构的吸波性能进行仿真，仿真结果如图6(a)所示。设置频率范围为5-30ghz，利用cst软件对本发明中亥姆霍兹谐振腔吸波结构的反射性能进行仿真，仿真结果如图6(b)所示。
[0048]
仿真3，对本发明中的高频宽带吸波结构进行仿真，设置频率范围为1-15ghz，电磁波的入射方向为垂直方向，利用cst软件对本发明中高频宽带吸波结构的透波性能进行仿真，仿真结果如图7(a)所示。设置频率范围为1-30ghz，利用cst软件对本发明中高频宽带吸波结构的吸波性能进行仿真，仿真结果如图7(b)所示。
[0049]
仿真4，对本发明的吸波性能进行仿真，设置频率范围为1-30ghz，x极化电磁波和y极化电磁波分别以垂直方向入射，利用cst对本发明的吸波特性进行仿真，其结果如图8所示。
[0050]
仿真5，对本发明的吸波性能进行仿真，设置频率范围为1-30ghz，x极化电磁分别10度、20度、30度入射角斜入射，利用cst对本发明的吸波特性进行仿真，其结果如图9-11所示。
[0051]
2.实验结果分析：
[0052]
参照图5，横轴为立方体金属结构21内部三棱柱腔的底边宽度取值，纵轴为亥姆霍兹谐振腔谐振频率。在x极化波垂直入射情况下，随着三棱柱腔的底边宽度w2从5mm增加到12mm，利用亥姆霍兹谐振腔谐振频率计算公式计算所得亥姆霍兹谐振腔谐振频率理论值曲线与cst软件仿真所得亥姆霍兹谐振腔谐振频率曲线几乎吻合。
[0053]
参照图6，图6(a)表明在电磁波垂直入射情况下，入射电磁波频率从1ghz变化至5ghz时，亥姆霍兹谐振腔在3.1ghz处实现100％吸波效果，图6(b)表明在电磁波垂直入射情况下，入射电磁波频率从5ghz变化至30ghz时，亥姆霍兹谐振腔实现全反射效果。
[0054]
参照图7，图7(a)表明在电磁波垂直入射情况下，入射电磁波频率从1ghz变化至15ghz时，棱台型吸透一体结构在低频实现高透波效果。图7(b)表面在电磁波垂直入射情况下，入射电磁波频率从15ghz变化至30ghz时，棱台型吸透一体结构在18.36ghz-29.8ghz实现宽带吸波效果。
[0055]
参照图8，在x极化波以及y极化波垂直入射情况下，入射电磁波频率从1ghz变化至30ghz时，吸波体在3ghz处吸波率高于99％，在18.4-29.8ghz范围内的吸波率高于90％，相对带宽为47％。高频吸波中心频率与低频吸波中心频率的比值大于8，这表明本发明在x极化波以及y极化波垂直入射情况下实现了低频3ghz，高频18.4-29.8ghz的大频率比吸波效果，其中频率比大于8。
[0056]
参照图9-11，入射电磁波频率从1ghz变化至30ghz时，在x极化波分别以10度、20度、30度入射角斜入射情况下，入射角度为10度时，吸波体在3ghz处吸波率高于99％，在18.4-29.6ghz范围内的吸波率高于90％，相对带宽为46.7％，高频吸波中心频率与低频吸
波中心频率的比值大于8。入射角度为20度时，吸波体在3ghz处吸波率高于97％，在18.4-28.3ghz范围内的吸波率高于90％，相对带宽为42.7％，高频吸波中心频率与低频吸波中心频率的比值大于7。入射角度为30度时，吸波体在3ghz处吸波率高于97％，在18.4-26ghz范围内的吸波率高于90％，相对带宽为34.2％，高频吸波中心频率与低频吸波中心频率的比值大于7。
[0057]
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，包括周期性排布的k
×
k个谐振单元，k≥2；其特征在于：所述谐振单元包括m
×
m个棱台型吸透一体结构(1)和层叠在其下方的低频吸波结构(2)，m≥2；所述棱台型吸透一体结构(1)包括方形第一介质基板(11)和位于其上板面中心位置的四棱台单元(12)，所述四棱台单元(12)采用由边长自下而上呈线性减小的n个方形第二介质基板(121)层叠而成的棱台结构，n≥2；所述第二介质基板(121)的上表面印制有金属贴片(122)；所述低频吸波结构(2)采用设置有亥姆霍兹谐振腔的板面为正方形的立方体金属结构(21)，所述亥姆霍兹谐振腔包括设置在立方体金属结构(21)上表面且呈十字交叉的两条矩形缝隙，和位于立方体金属结构(21)内部贯穿其前后侧面和左右侧面的截面呈等腰三角形的两个十字交叉的三棱柱腔，两条矩形缝隙分别位于两个三棱柱腔的正上方并且与三棱柱腔的顶点相连，所述矩形缝隙和三棱柱腔内填充有介质材料；所述棱台型吸透一体结构(1)，用于实现低频透波特性，并在低频吸波结构(2)的反射作用下实现高频宽带吸波特性；所述低频吸波结构(2)，用于实现低频吸波和高频反射特性；所述亥姆霍兹谐振腔的谐振频率f根据矩形缝隙和三棱柱腔的尺寸决定：其中c为真空中的光速，w1和h1分别为矩形缝隙的宽度和高度，w2和h2分别为三棱柱腔底面宽度和高度，ε
r
为矩形缝隙和三棱柱腔所选取介质材料的相对介电常数。亥姆霍兹谐振腔谐振频率由矩形缝隙和三棱柱腔的结构尺寸以及所填充材料的介电常数确定。2.根据权利要求1所述的一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，其特征在于，所述立方体金属结构(21)，其上表面上设置的两条矩形缝隙，分别位于该立方体金属结构(21)上表面两组对边中点的连线上。3.根据权利要求1所述的一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，其特征在于，所述立方体金属结构(21)，其内部设置的两个三棱柱腔棱边分别与该立方体金属结构(21)前后侧面与左右侧面中点的连线平行并且其底面与立方体金属结构(21)的上下表面平行。4.根据权利要求1所述的一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，其特征在于，所述两条矩形缝隙与两个三棱柱腔填充相同有耗介质材料。5.根据权利要求1所述的一种多模融合大频率比双频超材料吸波体，其特征在于，所述四棱台单元(12)，其中心法线与第一介质基板(11)的中心法线重合。

技术总结
本发明提出了一种多模融合大频率比独立双频超材料吸波体，其由K


技术研发人员：杨锐 赵东浩 张山芳
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/8/9