專利名稱：一種基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器。
技術(shù)背景超材料(Metamaterial)是一種新型人工結(jié)構(gòu)材料，可以實(shí)現(xiàn)一系列 奇異的電磁特性如負(fù)折射和完美透鏡。根據(jù)有效媒質(zhì)理論，超材料的電磁特性可以用有 效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率來表示。通過設(shè)計(jì)超材料的單元結(jié)構(gòu)，使其對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生 相應(yīng)的諧振，從而可以方便地調(diào)控其有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。利用這個(gè)思想，2001年 Smith等人在微波段第一次制備了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的左手材料(Left-handed Metamaterials) ， 2006年P(guān)endry和Smith等人設(shè)計(jì)并制備了電磁隱身斗篷(Cloak)。這兩 部分工作分別被Science評(píng)為2003年和2006年十大科技進(jìn)展之一。 由于諧振的本性，超材料在特定頻率的電磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域共振，感 應(yīng)出很強(qiáng)的表面電流，并且在局部范圍電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大。因此，超材料在諧振頻率附近都 具有較大的金屬歐姆損耗以及介電損耗。之前的研究一般都試圖盡量減小超材料的損耗， 更好地體現(xiàn)其負(fù)磁導(dǎo)率或負(fù)折射率特性。但是，超材料中的損耗也具有很多潛在的應(yīng)用。 合理的設(shè)計(jì)材料的幾何形狀以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于入射到超材料表面的電磁波可以確保既不 反射也不透射，達(dá)到電磁波完全吸收的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。這種超材料吸收器具有吸收效率高，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，體積小等優(yōu)點(diǎn)，可以作為高效的電磁加熱裝置，也可以應(yīng)用于電磁波的收集和探測(cè)裝
置，如輻射熱測(cè)量?jī)x。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是基于樹枝狀的超材料結(jié)構(gòu)，提供一種工作于X波段的 近似100%吸收的超材料吸收器。該超材料吸收器由金屬樹枝電諧振器、介質(zhì)基板和金屬薄 膜組成。當(dāng)電磁波垂直入射到超材料表面時(shí)，金屬樹枝電諧振器會(huì)對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電諧振， 同時(shí)，金屬樹枝與金屬薄膜在磁場(chǎng)作用下會(huì)感應(yīng)出反平行電流，產(chǎn)生磁諧振。合理的設(shè)計(jì)超 材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使電諧振和磁諧振在給定的頻率重疊，分別吸收入射電磁波的電場(chǎng) 和磁場(chǎng)能量，達(dá)到100%吸收的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。


圖1所發(fā)明超材料吸收器的(a)樹枝單元(正面)及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，(b)金屬薄 膜(背面)，(c)晶格間距。 圖2所發(fā)明超材料吸收器A-l的結(jié)構(gòu)示意圖(正面)。 圖3所發(fā)明超材料吸收器A-l、 A-2、A-3的反射幅值(Sn)曲線。 圖4所發(fā)明超材料吸收器A-l、 A-2、A-3的透射幅值(S21)曲線。 圖5所發(fā)明超材料吸收器A-l、A-2、A-3的吸收(Absorption)曲線。
具體實(shí)施方式
采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0. 8mm、相對(duì)介電常數(shù)為4. 9、損
耗角正切為0. 025的環(huán)氧酚醛玻璃纖維介質(zhì)基板的一面刻蝕金屬樹枝陣列，另一面保留為
金屬薄膜，如圖2所示。金屬樹枝的三級(jí)分支長(zhǎng)度分別為a、 b、 c，線寬為w = 0. 3mm，夾角
為9 = 45° ，單元晶格間距為d(圖l)。金屬樹枝和金屬薄膜的表面做了鍍錫處理以減緩
氧化，處理后的金屬覆層厚度均約為0. 03mm。通過德國(guó)商用電磁仿真軟件CST Microwave
Studio反復(fù)優(yōu)化確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過改變金屬樹枝的三級(jí)分支長(zhǎng)度a、 b、 c以及單元晶格
3間距為d，得到在X波段的超材料吸收器。當(dāng)電磁波垂直入射到樹枝表面時(shí)既不反射也不透 射，達(dá)到100%吸收的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程和材料性能由實(shí)施例和

實(shí)施例一 采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0. 8mm的環(huán)氧酚醛玻璃纖維PCB基板的一面上刻 蝕出金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，另一面為金屬薄膜。金屬樹枝的三級(jí)分支長(zhǎng)度分別為a = 1. 2mm、 b = 0. 9mm、 c = 0. 8mm，單元晶格間距為d = 10. 0mm。將刻蝕后的PCB板切成大小 為130mmX130mm，完成所發(fā)明超材料吸收器A-l的制作。超材料吸收器A-1的Sn、S21曲線 如圖3，4所示。圖中可以看出，在9. 13GHz附近，Su達(dá)到最小值0.035， S21曲線恒等于O。 吸收率可以表示為A(") = l-|Sn|2-|S21|2。從圖5的吸收曲線可以看出，在9. 13GHz時(shí)， 吸收率達(dá)到99. 88%。
實(shí)施例二 采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0. 8mm的環(huán)氧酚醛玻璃纖維PCB基板的一面上刻 蝕出金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，另一面為金屬薄膜。金屬樹枝的三級(jí)分支長(zhǎng)度分別為a = 1. 2mm、b = 0. 8mm、c = 0. 7mm，單元晶格間距為d = 9. Omm。將刻蝕后的PCB板切成大小為 120mmX120mm，完成所發(fā)明超材料吸收器A-2的制作。超材料吸收器A-2的SU、S21曲線如 圖3，4所示。圖中可以看出，在9.95GHz附近，Sn達(dá)到最小值0. 10， S21曲線恒等于0。吸 收率可以表示為A(") = 1-|SU|2-|S21|2。從圖5的吸收曲線可以看出，在9.95GHz時(shí)，吸 收率達(dá)到99. 00%。
實(shí)施例三 采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0. 8mm的環(huán)氧酚醛玻璃纖維PCB基板的一面上刻 蝕出金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，另一面為金屬薄膜。金屬樹枝的三級(jí)分支長(zhǎng)度分別為a = 1. lmm、 b = 0. 8mm、 c = 0. 6mm，單元晶格間距為d = 10. Omm。將刻蝕后的PCB板切成大小 為130mmX130mm，完成所發(fā)明超材料吸收器A-3的制作。超材料吸收器A-3的Sn、S21曲線 如圖3，4所示。圖中可以看出，在10.87GHz附近，S 達(dá)到最小值0. 019， S21曲線恒等于O。 吸收率可以表示為A(") = 1-|SU|2-|S21|2。從圖5的吸收曲線可以看出，在10.87GHz時(shí)， 吸收率達(dá)到99. 96%。 綜上所述，本發(fā)明中借助于諧振原理設(shè)計(jì)的基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器在X波 段表現(xiàn)出了很好的吸收性能。對(duì)于特定頻率的電磁波垂直入射到樹枝平面既不反射也不透 射，達(dá)到近似100%吸收的標(biāo)準(zhǔn)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)不能以此限定 本發(fā)明實(shí)施的范圍，即大凡依本發(fā)明權(quán)利要求及發(fā)明說明書內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單的等效變化與 修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利覆蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器，該超材料吸收器由金屬樹枝陣列、介質(zhì)基板和金屬薄膜組成，其主要特征是僅需在介質(zhì)基板的一面刻蝕由一種樹枝結(jié)構(gòu)單元組成的陣列，另一面保持為全金屬薄膜，通過改變金屬樹枝的幾何尺寸以及晶格間距，使其工作在X波段。
2. 根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器，其特征是金屬樹枝從中心 向外圍的各級(jí)分支長(zhǎng)度分別為一級(jí)分支長(zhǎng)度a = 0. 9 1. 5mm，二級(jí)分支長(zhǎng)度b = 0. 6 1. Omm，三級(jí)分支長(zhǎng)度c = 0. 5 1. Omm，分支間夾角為9 =30° 60° 。
3. 根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器，其特征是金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單 元陣列的單元間隔d = 8 12mm，線寬為w = 0. 1 1. 0mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X波段的基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸收器。該超材料吸收器由金屬樹枝電諧振器、介質(zhì)基板和金屬薄膜組成。通過合理地發(fā)計(jì)金屬樹枝單元的幾何尺寸以及晶格周期，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直入射到超材料表面的電磁波完全吸收的特性。這種超材料吸收器具有吸收效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，平面二維全向性等優(yōu)點(diǎn)，可以作為高效的電磁加熱裝置，也可以應(yīng)用于電磁波的收集和探測(cè)裝置，如輻射熱測(cè)量?jī)x。
文檔編號(hào)H05K9/00GK101765358SQ20081023647
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者朱衛(wèi)仁, 趙曉鵬 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)