利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層。由單元尺寸小于1/4工作波長(zhǎng)的方形次波長(zhǎng)諧振單元周期排列而成，每個(gè)次波長(zhǎng)諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片、第一介質(zhì)板、第二金屬銅片、第二介質(zhì)板和第三金屬銅片，第一、第二金屬銅片均呈十字形，第一金屬銅片中間開(kāi)槽處的兩片分片之間連接有集總電阻，第一、第二介質(zhì)板相同，第三金屬銅片為具有雙環(huán)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片的內(nèi)環(huán)開(kāi)口處連接有源負(fù)阻器件或具有負(fù)阻特性的有源電路。本發(fā)明厚度薄、質(zhì)量輕、能在任意入射角度實(shí)現(xiàn)電磁波的完美匹配吸收，可廣泛應(yīng)用于物體隱身、天線隔離以及電磁屏蔽等各種軍事、民用領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電磁波的吸收層，特別是涉及一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁波吸收材料，簡(jiǎn)稱吸波材料，是一種能有效吸收入射雷達(dá)波，并使其散射大幅度衰減的功能符合材料。新一代吸波材料要求衰減能力強(qiáng)、吸收頻帶寬、質(zhì)輕、紅外和微波吸收兼容以及綜合力學(xué)性能優(yōu)良，其中吸波材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檐娛骂I(lǐng)域。
[0003]軍事隱身領(lǐng)域是吸波材料一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著軍事高新技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國(guó)的防御體系的探測(cè)跟蹤、攻擊能力越來(lái)越強(qiáng)。陸、海、空各兵種地面軍事目標(biāo)的生存能力以及武器系統(tǒng)的突防能力日益受到嚴(yán)重威脅，為此，必將大力發(fā)展隱身技術(shù)。隱身技術(shù)分為外隱形和材料隱身兩個(gè)方面，其中材料隱形就是指在軍事目標(biāo)上大量使用吸波材料來(lái)衰減入射雷達(dá)波，減小雷達(dá)散射截面，也就是雷達(dá)隱身技術(shù)。雷達(dá)隱身技術(shù)是現(xiàn)代電子戰(zhàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其中雷達(dá)隱身材料是應(yīng)用最廣泛的一種方法。雷達(dá)吸波材料能有效吸收入射電磁波，并將其能量轉(zhuǎn)化成熱量而損耗掉，可以減小電磁波反射能量，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛行器隱身及電子設(shè)備抗干擾。這必將促進(jìn)吸波材料的應(yīng)用和發(fā)展。目前，吸波材料已廣泛應(yīng)用在飛機(jī)隱身艦船隱身、飛行導(dǎo)彈隱身以及坦克隱身等領(lǐng)域。
[0004]從工程應(yīng)用角度來(lái)看，吸波材料應(yīng)具有厚度薄、重量輕、吸收頻帶寬、易于施工和價(jià)格便宜等特點(diǎn)，所以實(shí)現(xiàn)超薄吸波材料一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究目標(biāo)。為了獲得性能優(yōu)異的吸波材料，世界各國(guó)都在致力于開(kāi)發(fā)新型吸波機(jī)制的吸波材料。國(guó)外學(xué)者提出采用光子晶體實(shí)現(xiàn)超薄吸波結(jié)構(gòu)，N.Engheta首次提出用metamaterial來(lái)獲得超薄吸收材料的思想。J，D.J.Kern等人用含損耗的頻率選擇表面實(shí)現(xiàn)了超薄寬帶吸收材料，但上述設(shè)計(jì)只適用于垂直入射條件，對(duì)于大角度斜入射的電磁波吸收能力會(huì)急劇降低。
[0005]在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們從數(shù)值上定義了一種單軸完美匹配層媒質(zhì)，它可以實(shí)現(xiàn)任意入射角度電磁波的完美匹配吸收。但這種媒質(zhì)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電磁參數(shù)需嚴(yán)格符合下列參數(shù)形式ε = μ = diag(a, a, 1/a) , ε為材料的相對(duì)介電常數(shù)，μ為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，a為具有正虛部的復(fù)數(shù)。由于其參數(shù)形式中需要具有負(fù)虛部的電磁參數(shù)，因此自然界中不可能存在，國(guó)際上也還未成功制造出滿足上述形式的等效媒質(zhì)。但這種理想媒質(zhì)為電磁波完美吸收材料的設(shè)計(jì)提供了的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層，可完美吸收任意入射角度電磁波。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]本發(fā)明的吸波層由單元尺寸小于1/4工作波長(zhǎng)的方形次波長(zhǎng)諧振單元周期排列而成，每個(gè)次波長(zhǎng)諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片、第一介質(zhì)板、第二金屬銅片、第二介質(zhì)板和第三金屬銅片，第一金屬銅片和第二金屬銅片均呈十字形，第一金屬銅片中間開(kāi)槽將第一金屬銅片分為呈L形的兩個(gè)分片，開(kāi)槽處的兩片分片之間連接有集總電阻，第一介質(zhì)板和第二介質(zhì)板相同，第三金屬銅片為具有雙環(huán)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片的內(nèi)環(huán)開(kāi)口處連接有源負(fù)阻器件或者具有負(fù)阻特性的有源電路。
[0009]所述的第一介質(zhì)板和第二介質(zhì)板各采用FR4介質(zhì)板、PCB電路板或者羅杰斯電路板。
[0010]所述的第一介質(zhì)板和第二介質(zhì)板的厚度小于1/40工作波長(zhǎng)。
[0011]所述的具有負(fù)阻特性的有源電路為Non-foster電路。
[0012]上述方案只不過(guò)是利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成完美匹配吸波層的一個(gè)例子，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實(shí)例.[0013]本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比具有的有益效果是:
[0014]本發(fā)明設(shè)計(jì)厚度薄，質(zhì)量輕。
[0015]本發(fā)明吸波能量強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)任意入射角下電磁波的完美匹配吸收，目前國(guó)際上無(wú)論在實(shí)驗(yàn)研究還是應(yīng)用領(lǐng)域均未出現(xiàn)這種理想吸波材料。
[0016]本發(fā)明可廣泛用于飛機(jī)、艦艇、雷達(dá)及坦克隱身等各種軍事領(lǐng)域以及電磁屏蔽，電磁防護(hù)等民用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明次波長(zhǎng)諧振單元分層示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明次波長(zhǎng)諧振單元前三層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明次波長(zhǎng)諧振單元后兩層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:1、第一金屬銅片,2、第一介質(zhì)板,3、第二金屬銅片,4、第二介質(zhì)板,5、第三金屬銅片，6、集總電阻，7、有源負(fù)阻器件。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明的吸波層由單元尺寸小于1/4工作波長(zhǎng)的方形的次波長(zhǎng)諧振單元周期排列而成，即沿縱向和橫向緊密陣列延伸，每個(gè)次波長(zhǎng)諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片1、第一介質(zhì)板2、第二金屬銅片3、第二介質(zhì)板4和第三金屬銅片5,第一金屬銅片I和第二金屬銅片3均呈十字形，如圖2所示，第一金屬銅片I中間開(kāi)槽將第一金屬銅片I分為呈L形的兩個(gè)分片，開(kāi)槽處的兩片金屬銅片分片之間連接有集總電阻6，第一介質(zhì)板2和第二介質(zhì)板4相同，第三金屬銅片5為具有雙環(huán)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片5的內(nèi)環(huán)開(kāi)口處連接有源負(fù)阻器件7或者具有負(fù)阻特性的有源電路。
[0023]第一介質(zhì)板2和第二介質(zhì)板4各采用FR4介質(zhì)板、PCB電路板或者羅杰斯電路板。
[0024]第一介質(zhì)板2和第二介質(zhì)板4的厚度小于1/40工作波長(zhǎng)。
[0025]上述具有負(fù)阻特性的有源電路為Non-foster電路。
[0026]本發(fā)明以計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的單軸全匹配層(Uniaxial Perfect matched layer)的本構(gòu)電磁參數(shù)張量ε = μ = diag(a, a, 1/a)為指導(dǎo),構(gòu)造出對(duì)任意角度入射的垂直電場(chǎng)極化電磁波(TE波)完美吸收的完美匹配吸波層，其本構(gòu)電磁參數(shù)滿足εχ = Uy = I/yz = a，其中ε為材料的相對(duì)介電常數(shù)，μ為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，a為具有正虛部的復(fù)數(shù)，ε x為本發(fā)明如圖中X方向的相對(duì)介電常數(shù)，Uy為本發(fā)明圖中y方向的相對(duì)磁導(dǎo)率，4,為本發(fā)明圖中z方向的相對(duì)磁導(dǎo)率。
[0027]本發(fā)明利用電磁波在次波長(zhǎng)諧振單元內(nèi)產(chǎn)生的電諧振和磁諧振，通過(guò)在諧振結(jié)構(gòu)上焊接集總電阻的方式引入損耗，適當(dāng)調(diào)整次波長(zhǎng)諧振單元的形狀和尺寸，使諧振時(shí)入射的電磁波能量完全在集總電阻上消耗。同時(shí)通過(guò)引入具有等效負(fù)阻特性的有源器件，使得由上述此波長(zhǎng)諧振單元構(gòu)成的等效媒質(zhì)的兩個(gè)本構(gòu)電磁參數(shù)滿足ε = μ = diag(a, a, I/a)，其中具有正虛部的復(fù)數(shù)a具有很大的正虛部，Ι/a具有負(fù)的虛部。這樣即可保證從空氣中以各個(gè)角度入射的電磁波無(wú)反射地進(jìn)入上述等效媒質(zhì)并被快速吸收，物理上實(shí)現(xiàn)這種原本只能用數(shù)值定義的完美匹配層吸波材料。
[0028]下面將綜合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0029]如圖2所示,本發(fā)明前三層實(shí)現(xiàn)的本構(gòu)電磁參數(shù)為εχ= μy = a，其中a為帶有很大正虛部的復(fù)數(shù)。入射到該結(jié)構(gòu)上的電磁波，在里面產(chǎn)生磁諧振和電諧振，當(dāng)調(diào)節(jié)第一金屬銅片I的形狀和集總電阻6的大小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)在某個(gè)頻率該金屬單元X方向的等效相對(duì)介電常數(shù)和y方向的相對(duì)磁導(dǎo)率滿相等并且有較大的正虛部，即εχ= yy = a。
[0030]最后一層第三金屬銅片5的金屬銅片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能為使朝z方向極化的磁場(chǎng)產(chǎn)生磁諧振，通過(guò)有源負(fù)阻器件提供的能量實(shí)現(xiàn)等效的帶有負(fù)虛部的相對(duì)磁導(dǎo)率μζ = 1/a,最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)TE波的完美匹配吸收的完美匹配層，且對(duì)任意角度入射的電磁波無(wú)反射，透射的能量會(huì)通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為熱能消耗。
[0031]本發(fā)明的工作原理是:
[0032]上述次波長(zhǎng)諧振單元的基本單元尺寸處于亞波長(zhǎng)尺寸，因此由上述單元周期排列得到的結(jié)構(gòu)可以等效為均勻媒質(zhì)。當(dāng)TE極化電磁波入射到上述次波長(zhǎng)諧振單元上時(shí)，第一層的第一金屬銅片與第三層的第二金屬銅片一起作用會(huì)產(chǎn)生電諧振和磁諧振，從而得到可控的等效相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。其相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率表示為:ε x = ε 1+i ε 2和Uy= μ JiU2，其中ε i為該等效媒質(zhì)X方向相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，ε2為對(duì)應(yīng)的虛部(這部分的大小決定了材料的電損耗大小，ε 2越大表示材料電損耗越大)。μ I為該等效媒質(zhì)y方向相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，μ 2為對(duì)應(yīng)的虛部(這部分的大小決定了材料的磁損耗大小，μ 2越大表示材料磁損耗越大)。該等效均勻媒質(zhì)為色散介質(zhì)，即相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率都會(huì)隨著頻率的變化而變化，因此適當(dāng)改變第一金屬銅片的的長(zhǎng)度、寬度、開(kāi)槽縫隙的寬度以及焊接在開(kāi)槽縫隙處的集總電阻6阻值的大小，可以使該介質(zhì)的介質(zhì)參數(shù)在某個(gè)頻率上得到εχ= Uy，即相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部與相對(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部相等，相對(duì)介電常數(shù)的虛部與相對(duì)磁導(dǎo)率的虛部相等，這樣就實(shí)現(xiàn)了垂直入射條件下與空氣的阻抗完全匹配。同時(shí)由于虛部82和μ 2的存在，使得該等效媒質(zhì)有很大的損耗。
[0033]當(dāng)TE極化電磁波斜入射到上述等效媒質(zhì)表面時(shí)，會(huì)垂在ζ方向極化的磁場(chǎng)。該ζ方向極化的磁場(chǎng)分量垂直次波長(zhǎng)諧振單元，磁場(chǎng)線會(huì)穿過(guò)第五層的環(huán)狀開(kāi)口磁諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生另一個(gè)磁諧振，該磁諧振結(jié)合有源負(fù)阻器件可以產(chǎn)生等效的相對(duì)磁導(dǎo)率μζ，適當(dāng)調(diào)整其結(jié)構(gòu)以及負(fù)阻器件的偏置電壓可以使得其滿足μζ = ι/μy，這樣就可以實(shí)現(xiàn)本構(gòu)參數(shù)張量符合單軸完美匹配層模型，達(dá)到任意入射角度電磁波的完美匹配吸收。[0034]本次波長(zhǎng)諧振單元的實(shí)例如圖1所示:
[0035]基本單元結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度均為30mm，共有五層材料組成。其中第一層為開(kāi)槽片狀十字形金屬銅片I，金屬銅片的厚度為0.035mm,寬度為2.2mm,長(zhǎng)度為29mm,中間開(kāi)槽部分寬度為2mm。第二層和第四層為介質(zhì)板，厚度均為2mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.5。第三層片狀十字形金屬銅片4的厚度為0.035mm,寬度為13mm,長(zhǎng)度為30mm。第五層金屬雙環(huán)開(kāi)口磁諧振金屬銅片結(jié)構(gòu)5的臂寬以及臂與臂之間的縫寬均為2_。在垂直入射條件下，經(jīng)仿真得到的最高吸收效率為99.9999%,經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到的最高吸收效率達(dá)到99.97%。
[0036]實(shí)例中,第一介質(zhì)板2和第二介質(zhì)板4均采用FR4印刷電路板,第三金屬銅片5的內(nèi)環(huán)開(kāi)口處連接的有源負(fù)阻器件7采用的是General Electric公司的TD261型隧道二極管。
[0037]本發(fā)明介紹的結(jié)構(gòu)工作頻率為2GHz，即工作波長(zhǎng)為150mm，而本材料的厚度不到5_，即僅相當(dāng)于工作波長(zhǎng)的三十分之一的厚度。本發(fā)明的工作頻率為2GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長(zhǎng)比例調(diào)整次波長(zhǎng)諧振單元的尺寸以及電阻值的大小。
[0038]以上所述，僅是本發(fā)明的在2GHz特定頻率的較佳實(shí)例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實(shí)例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)例所作的任何的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層，其特征在于:該吸波層由單元尺寸小于1/4工作波長(zhǎng)的方形次波長(zhǎng)諧振單元周期排列而成，每個(gè)次波長(zhǎng)諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片(I)、第一介質(zhì)板(2)、第二金屬銅片(3)、第二介質(zhì)板(4)和第三金屬銅片(5)，第一金屬銅片(I)和第二金屬銅片(3)均呈十字形，第一金屬銅片(I)中間開(kāi)槽將第一金屬銅片(I)分為呈L形的兩個(gè)分片，開(kāi)槽處的兩片分片之間連接有集總電阻(6)，第一介質(zhì)板(2)和第二介質(zhì)板(4)相同，第三金屬銅片(5)為具有雙環(huán)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片(5)的內(nèi)環(huán)開(kāi)口處連接有源負(fù)阻器件(7)或者具有負(fù)阻特性的有源電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層，其特征在于:所述的第一介質(zhì)板(2)和第二介質(zhì)板(4)各米用FR4介質(zhì)板、PCB電路板或者羅杰斯電路板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層，其特征在于:所述的第一介質(zhì)板(2)和第二介質(zhì)板(4)的厚度小于1/40工作波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用次波長(zhǎng)諧振單元及有源電路構(gòu)成的完美匹配吸波層，其特征在于:所述的具有負(fù)阻特性的有源電路為Non-foster電路。
【文檔編號(hào)】H01Q17/00GK103943968SQ201410175775
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】葉德信, 皇甫江濤, 冉立新 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)