本發(fā)明涉及超材料吸波體，尤其涉及一種六帶超材料吸波體，屬于人工電磁材料領域。

背景技術：

人工電磁超材料是一種新型人工復合材料，它具有負等效磁導率和負等效介電常數的超常物理特性。利用這種物理特性，可以設計結構尺寸遠遠小于工作波長的器件。相比于普通介質材料，這種材料具有厚度薄、尺寸小、易于集成的特點。

2008年，landy等人首次將人工電磁超材料引入到吸波體領域，并在單個頻點處實現(xiàn)了電磁波的完美吸收。這種基于人工電磁超材料制作的吸波體(即超材料吸波體)突破了傳統(tǒng)吸波器四分之一波長厚度的限制，且能夠達到近乎完美的吸收率，具有傳統(tǒng)吸波器無法比擬的優(yōu)點。為吸波器的設計提供了一種新的設計方法，對實現(xiàn)吸波體“薄、輕、寬、強”的發(fā)展目標具有極大的推動作用。其結構尺寸小、厚度薄、高吸收、易于集成的特點，在軍事、通信、傳感、電磁兼容等方面具有廣泛的應用前景。

隨著現(xiàn)代技術的快速發(fā)展，電磁環(huán)境愈來愈復雜，單一頻帶的電磁吸波體已不能滿足系統(tǒng)抗干擾的要求。因此，如何實現(xiàn)多頻帶的電磁吸收，減少對系統(tǒng)的干擾，是一個亟待解決的問題。本發(fā)明提出的超材料吸波體在2-17ghz內實現(xiàn)了多達六頻帶的高效吸收，而且還具有極化不敏感特性，因此具有很高的工程應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)超材料吸波體吸收頻帶少，吸收效率低，并對入射電磁波極化方向敏感的問題，提供一種基于多模諧振器的工作于微波波段的具有極化不敏感特性的六頻帶超材料吸波體。

為解決上述問題，本發(fā)明所設計的一種微波波段極化不敏感的六頻帶超材料吸波體，包括至少100個呈周期性排列的正方形吸波單元，吸波單元為頂層諧振單元、介質基底、金屬底板組成的“三明治”結構。頂層諧振單元與介質基底的上表面相貼，金屬地板與介質基底的下表面相貼。頂層諧振單元的幾何中心與介質基底的幾何中心重合，金屬底板完全覆蓋介質基底的下表面。

所述頂層諧振單元具有四個完全相同的多模ω形諧振器，四個多模ω形諧振器被分別放置在介質基底上表面的左、右、上、下四個方向，最好是呈鏡像對稱方式布置在介質基底上表面的左右和上下四邊，多模ω形諧振器兩兩之間存在間隙；四個多模ω形諧振器組成的頂層諧振單元的外輪廓為正方形，并具有左右、上下和沿著對角線的對稱面。多模ω形諧振器能夠在水平極化和垂直極化下表現(xiàn)出多個不同的吸收峰。

進一步，所述的多模ω形諧振器2可以被看作為開口諧振環(huán)和沿著開口諧振環(huán)開口兩側橫邊向兩側延伸的延伸臂構成。

進一步，所述的多模ω形諧振器兩兩之間存在間隙，因此多模ω形諧振器之間的電磁響應不會相互影響，且所述開口諧振環(huán)的開口方向朝外。

進一步，所述的頂層諧振單元和金屬底板的材料均為金屬銅，且其厚度必須大于電磁波的趨膚厚度。

進一步的技術方案在于：所述的介質基底材料必須為有耗介質材料。

采用上述技術方案的有益效果在于：

1、超材料吸波體的頂層采用四個相同的諧振器，并使其具有水平、垂直和沿著對角線的對稱面，可以使吸波體具有極化不敏感特性；

2、四個多模ω形諧振器布置在介質基底的左右、上下四邊，可以同時激發(fā)出諧振器的垂直極化響應和水平極化響應，使得吸波體具有六個吸收峰，且都具有近乎完美的吸收；

3、頂層諧振單元和金屬底板的材料使用金屬銅和介質基底的材料為有耗介質材料，可以使諧振單元與金屬底板在電磁波的驅動下發(fā)生電磁諧振，并將電磁波耗散在有耗介質中。

4、本發(fā)明采用的多模ω形諧振器的開口朝外，可以使得四個諧振器易于集成，減小單元面積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體的三維結構示意圖；

圖2(a)為本發(fā)明提出的多模ω形諧振器結構示意圖；

圖2(b)為本發(fā)明提出的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體的單元結構示意圖；

圖2(c)為本發(fā)明提出的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體的單元結構側視圖；

圖3為本發(fā)明提出的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體正入射吸收曲線圖；

圖4為本發(fā)明提出的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體在不同極化角度下的吸收譜圖；

圖中：1、吸收單元；2、多模ω形諧振器；

1-1頂層諧振單元；1-2、介質基板；1-3、金屬底板；

2-1、第一多模ω形諧振器；2-2、第二多模ω形諧振器；2-3、第三多模ω形諧振器；2-4第四多模ω形諧振器；

2a、開口諧振環(huán)；2b、延伸臂。

具體實施方式

為了更好地說明本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點，以下結合具體實施方式對本發(fā)明作更加詳細具體的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體由同一平面內的多個吸收單元1周期性矩陣排列組成，吸收單元1在橫向和縱向上周期性延拓的重復個數相同，且重復的單元數不少于100(10×10)個，在本實施例中重復的單元數即為100(10×10)個。

吸波單元1的外輪廓為正方形，是由頂層諧振單元1-1，中間的介質基板1-2和底層的金屬底板1-3組成的“三明治”結構。頂層諧振單元1-1與介質基底1-2的上表面相貼，金屬地板1-3與介質基底1-2的下表面相貼。頂層諧振單元1-1的幾何中心與介質基底1-2的幾何中心重合，金屬底板1-3完全覆蓋介質基底1-2的下表面。

本實施例中，頂層諧振單元1-1由四個完全相同的多模ω形諧振器2構成。多模ω形諧振器2由中間的開口諧振環(huán)2a和沿開口諧振環(huán)2a的開口邊向兩側延伸的延伸臂2b組成。

如圖2(a)所示，多模ω形諧振器2由三種不同線寬的線構成，其中開口兩側橫邊的寬度相同，兩條延伸臂的線寬和開口兩側橫邊的線寬相同，延伸臂的長度由l和l2共同決定。其幾何結構參數如表1所示。

如圖3中的a部分所示，該多模ω形諧振器2豎直放置時，在電磁波正入射的情況下，具有四個吸收峰；如圖3中的b部分所示，該多模ω形諧振器2水平放置時，在相同條件下，具有三個吸收峰。

本實施例的四個多模ω形諧振器中，第一多模ω形諧振器2-1與第三多模ω形諧振器2-3鏡像對稱放置在介質基板1-2的左右兩邊，第二多模ω形諧振器2-2與第四多模ω形諧振器2-4鏡像對稱放置在介質基板1-2的上下兩邊。多模ω形諧振器2兩兩之間存在間隙s＝0.5mm。

如圖2(b)所示，最終合成的諧振單元1-1的外輪廓為正方形，其邊長為l＝18mm，具有左右、上下和沿著對角線的對稱面。

本實施例中，介質基底1-2采用的是環(huán)氧樹脂玻璃布板，它是一種有耗介質材料，具體電磁參數為：介電常數εr＝4.3，磁導率μr＝1，損耗正切角為0.025。介質基底1-2具有兩個作用：第一個作用是分離頂層諧振單元1-1和金屬地板1-3，使它們能夠在入射電磁波的驅動下發(fā)生電磁諧振；第二個是利用介質的耗散特性將電磁波能量轉換為熱能。如圖2(b)和圖2(c)所示，介質基底的邊長為p＝20mm，厚度為h＝1mm。

本實施例中，頂層諧振單元1-1和金屬底板1-3采用厚度為t＝0.035mm金屬銅制作，其電導率為σ＝5.8×10⁷s/m。金屬底板1-3覆蓋在介質基底1-2的下表面，其覆蓋面積與介質基底1-2的底面積相同。

本實施例所述的基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體的吸收率定義為a＝1-r-t＝1-|s11|²-|s21|²，式中r為反射率，t為透射率。反射率r定義為|s11|²，透射率t定義為|s21|²。為了使吸收率最大化，要求在整個頻率范圍內反射波與透射波盡可能的小。本發(fā)明設計的吸波單元1背面為金屬底板1-3，電磁波不能透過，因此吸收率計算公式可簡化為a＝1-|s11|²。

本實施例在電磁波正入射下的仿真結果如圖3的c部分所示，該仿真結果由有限元法計算得到。圖中，橫坐標為頻率，縱坐標為吸收率。從圖中可以看出，在2-17ghz內存在6個明顯的吸收峰。這六個吸收峰在3.95ghz，6.61ghz,9.17ghz，11.22ghz，12.59ghz，15.63ghz處的吸收率分別為97.04％，99.57％，99.54％，98.95％，99.94％和99.49％，并且平均吸收率高達99％。這說明本發(fā)明提出的吸波體在六個頻點上達到了近乎完美的吸收。通過對比圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)吸收頻點可以發(fā)現(xiàn)，基于四個多模ω形諧振器的六帶吸波體的吸收峰是由單個多模ω形諧振器在水平放置時和豎直放置時吸收峰的疊加，其中第六個吸收峰(p6)是由兩個吸收峰(m4和n3)疊加而成的。

本實施例在不同極化角度下的吸收譜圖如圖4所示。所述極化角度被定義為電場矢量與豎直方向的夾角，電磁波波矢量仍保持垂直于吸波體吸收面不變。圖中，橫坐標為極化角度，變化范圍為0～90°；縱坐標為頻率，顯示范圍為2-17ghz。可以看出本發(fā)明提出的吸波體在不同極化角度下具有相同的吸收響應曲線，這說明本發(fā)明提出的吸波體表現(xiàn)出了良好的極化不敏感特性。

可見，本發(fā)明提供的超材料吸波體具有高吸波率，極化不敏感特性，并且有六個吸波峰值點，具有很高的工程應用價值。

本發(fā)明并不局限于上述實施方式，如果對發(fā)明的各種改動或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明的權利要求和等同技術范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形。