利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層的製作方法

2023-06-25 04:55:21

利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層。由單元尺寸小於1/4工作波長的方形次波長諧振單元周期排列而成，每個次波長諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片、第一介質板、第二金屬銅片、第二介質板和第三金屬銅片，第一、第二金屬銅片均呈十字形，第一金屬銅片中間開槽處的兩片分片之間連接有集總電阻，第一、第二介質板相同，第三金屬銅片為具有雙環開口結構的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片的內環開口處連接有源負阻器件或具有負阻特性的有源電路。本發明厚度薄、質量輕、能在任意入射角度實現電磁波的完美匹配吸收，可廣泛應用於物體隱身、天線隔離以及電磁屏蔽等各種軍事、民用領域。
【專利說明】利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電磁波的吸收層，特別是涉及一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層。
【背景技術】
[0002]電磁波吸收材料，簡稱吸波材料，是一種能有效吸收入射雷達波，並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、吸收頻帶寬、質輕、紅外和微波吸收兼容以及綜合力學性能優良，其中吸波材料的主要應用領域為軍事領域。
[0003]軍事隱身領域是吸波材料一個重要的應用領域。隨著軍事高新技術的飛速發展，世界各國的防禦體系的探測跟蹤、攻擊能力越來越強。陸、海、空各兵種地面軍事目標的生存能力以及武器系統的突防能力日益受到嚴重威脅，為此，必將大力發展隱身技術。隱身技術分為外隱形和材料隱身兩個方面，其中材料隱形就是指在軍事目標上大量使用吸波材料來衰減入射雷達波，減小雷達散射截面，也就是雷達隱身技術。雷達隱身技術是現代電子戰的一項重要內容，其中雷達隱身材料是應用最廣泛的一種方法。雷達吸波材料能有效吸收入射電磁波，並將其能量轉化成熱量而損耗掉，可以減小電磁波反射能量，已經廣泛應用於飛行器隱身及電子設備抗幹擾。這必將促進吸波材料的應用和發展。目前，吸波材料已廣泛應用在飛機隱身艦船隱身、飛行飛彈隱身以及坦克隱身等領域。
[0004]從工程應用角度來看，吸波材料應具有厚度薄、重量輕、吸收頻帶寬、易於施工和價格便宜等特點，所以實現超薄吸波材料一直是國內外學者的研究目標。為了獲得性能優異的吸波材料，世界各國都在致力於開發新型吸波機制的吸波材料。國外學者提出採用光子晶體實現超薄吸波結構，N.Engheta首次提出用metamaterial來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現了超薄寬帶吸收材料，但上述設計只適用於垂直入射條件，對於大角度斜入射的電磁波吸收能力會急劇降低。
[0005]在計算電磁學領域，科學家們從數值上定義了一種單軸完美匹配層媒質，它可以實現任意入射角度電磁波的完美匹配吸收。但這種媒質對應的兩個電磁參數需嚴格符合下列參數形式ε = μ = diag(a, a, 1/a) , ε為材料的相對介電常數，μ為材料的相對磁導率，a為具有正虛部的複數。由於其參數形式中需要具有負虛部的電磁參數，因此自然界中不可能存在，國際上也還未成功製造出滿足上述形式的等效媒質。但這種理想媒質為電磁波完美吸收材料的設計提供了的方向。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於提供一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層，可完美吸收任意入射角度電磁波。
[0007]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0008]本發明的吸波層由單元尺寸小於1/4工作波長的方形次波長諧振單元周期排列而成，每個次波長諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片、第一介質板、第二金屬銅片、第二介質板和第三金屬銅片，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槽將第一金屬銅片分為呈L形的兩個分片，開槽處的兩片分片之間連接有集總電阻，第一介質板和第二介質板相同，第三金屬銅片為具有雙環開口結構的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片的內環開口處連接有源負阻器件或者具有負阻特性的有源電路。
[0009]所述的第一介質板和第二介質板各採用FR4介質板、PCB電路板或者羅傑斯電路板。
[0010]所述的第一介質板和第二介質板的厚度小於1/40工作波長。
[0011]所述的具有負阻特性的有源電路為Non-foster電路。
[0012]上述方案只不過是利用次波長諧振單元及有源電路構成完美匹配吸波層的一個例子，並非對本發明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或修飾為等同變化的等效實例.[0013]本發明與【背景技術】相比具有的有益效果是:
[0014]本發明設計厚度薄，質量輕。
[0015]本發明吸波能量強，能實現任意入射角下電磁波的完美匹配吸收，目前國際上無論在實驗研究還是應用領域均未出現這種理想吸波材料。
[0016]本發明可廣泛用於飛機、艦艇、雷達及坦克隱身等各種軍事領域以及電磁屏蔽，電磁防護等民用領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明次波長諧振單元分層示意圖。
[0018]圖2是本發明次波長諧振單元前三層的結構示意圖。
[0019]圖3是本發明次波長諧振單元後兩層的結構示意圖。
[0020]圖中:1、第一金屬銅片,2、第一介質板,3、第二金屬銅片,4、第二介質板,5、第三金屬銅片，6、集總電阻，7、有源負阻器件。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0022]如圖1所示，本發明的吸波層由單元尺寸小於1/4工作波長的方形的次波長諧振單元周期排列而成，即沿縱向和橫向緊密陣列延伸，每個次波長諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片1、第一介質板2、第二金屬銅片3、第二介質板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中間開槽將第一金屬銅片I分為呈L形的兩個分片，開槽處的兩片金屬銅片分片之間連接有集總電阻6，第一介質板2和第二介質板4相同，第三金屬銅片5為具有雙環開口結構的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片5的內環開口處連接有源負阻器件7或者具有負阻特性的有源電路。
[0023]第一介質板2和第二介質板4各採用FR4介質板、PCB電路板或者羅傑斯電路板。
[0024]第一介質板2和第二介質板4的厚度小於1/40工作波長。
[0025]上述具有負阻特性的有源電路為Non-foster電路。
[0026]本發明以計算電磁學領域的單軸全匹配層(Uniaxial Perfect matched layer)的本構電磁參數張量ε = μ = diag(a, a, 1/a)為指導,構造出對任意角度入射的垂直電場極化電磁波(TE波)完美吸收的完美匹配吸波層，其本構電磁參數滿足εχ = Uy = I/yz = a，其中ε為材料的相對介電常數，μ為材料的相對磁導率，a為具有正虛部的複數，ε x為本發明如圖中X方向的相對介電常數，Uy為本發明圖中y方向的相對磁導率，4,為本發明圖中z方向的相對磁導率。
[0027]本發明利用電磁波在次波長諧振單元內產生的電諧振和磁諧振，通過在諧振結構上焊接集總電阻的方式引入損耗，適當調整次波長諧振單元的形狀和尺寸，使諧振時入射的電磁波能量完全在集總電阻上消耗。同時通過引入具有等效負阻特性的有源器件，使得由上述此波長諧振單元構成的等效媒質的兩個本構電磁參數滿足ε = μ = diag(a, a, I/a)，其中具有正虛部的複數a具有很大的正虛部，Ι/a具有負的虛部。這樣即可保證從空氣中以各個角度入射的電磁波無反射地進入上述等效媒質並被快速吸收，物理上實現這種原本只能用數值定義的完美匹配層吸波材料。
[0028]下面將綜合附圖和實例對本發明作進一步的說明。
[0029]如圖2所示,本發明前三層實現的本構電磁參數為εχ= μy = a，其中a為帶有很大正虛部的複數。入射到該結構上的電磁波，在裡面產生磁諧振和電諧振，當調節第一金屬銅片I的形狀和集總電阻6的大小時，可以實現在某個頻率該金屬單元X方向的等效相對介電常數和y方向的相對磁導率滿相等並且有較大的正虛部，即εχ= yy = a。
[0030]最後一層第三金屬銅片5的金屬銅片結構實現的功能為使朝z方向極化的磁場產生磁諧振，通過有源負阻器件提供的能量實現等效的帶有負虛部的相對磁導率μζ = 1/a,最終實現了對TE波的完美匹配吸收的完美匹配層，且對任意角度入射的電磁波無反射，透射的能量會通過電阻轉化為熱能消耗。
[0031]本發明的工作原理是:
[0032]上述次波長諧振單元的基本單元尺寸處於亞波長尺寸，因此由上述單元周期排列得到的結構可以等效為均勻媒質。當TE極化電磁波入射到上述次波長諧振單元上時，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產生電諧振和磁諧振，從而得到可控的等效相對介電常數和磁導率。其相對介電常數和相對磁導率表示為:ε x = ε 1+i ε 2和Uy= μ JiU2，其中ε i為該等效媒質X方向相對介電常數的實部，ε2為對應的虛部(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y方向相對介電常數的實部，μ 2為對應的虛部(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)。該等效均勻媒質為色散介質，即相對介電常數和相對磁導率都會隨著頻率的變化而變化，因此適當改變第一金屬銅片的的長度、寬度、開槽縫隙的寬度以及焊接在開槽縫隙處的集總電阻6阻值的大小，可以使該介質的介質參數在某個頻率上得到εχ= Uy，即相對介電常數的實部與相對磁導率的實部相等，相對介電常數的虛部與相對磁導率的虛部相等，這樣就實現了垂直入射條件下與空氣的阻抗完全匹配。同時由於虛部82和μ 2的存在，使得該等效媒質有很大的損耗。
[0033]當TE極化電磁波斜入射到上述等效媒質表面時，會垂在ζ方向極化的磁場。該ζ方向極化的磁場分量垂直次波長諧振單元，磁場線會穿過第五層的環狀開口磁諧振結構產生另一個磁諧振，該磁諧振結合有源負阻器件可以產生等效的相對磁導率μζ，適當調整其結構以及負阻器件的偏置電壓可以使得其滿足μζ = ι/μy，這樣就可以實現本構參數張量符合單軸完美匹配層模型，達到任意入射角度電磁波的完美匹配吸收。[0034]本次波長諧振單元的實例如圖1所示:
[0035]基本單元結構的長度和寬度均為30mm，共有五層材料組成。其中第一層為開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,長度為29mm,中間開槽部分寬度為2mm。第二層和第四層為介質板，厚度均為2mm，相對介電常數為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,長度為30mm。第五層金屬雙環開口磁諧振金屬銅片結構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，經仿真得到的最高吸收效率為99.9999%,經實驗得到的最高吸收效率達到99.97%。
[0036]實例中,第一介質板2和第二介質板4均採用FR4印刷電路板,第三金屬銅片5的內環開口處連接的有源負阻器件7採用的是General Electric公司的TD261型隧道二極體。
[0037]本發明介紹的結構工作頻率為2GHz，即工作波長為150mm，而本材料的厚度不到5_，即僅相當於工作波長的三十分之一的厚度。本發明的工作頻率為2GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據工作波長比例調整次波長諧振單元的尺寸以及電阻值的大小。
[0038]以上所述，僅是本發明的在2GHz特定頻率的較佳實例而已，並非對本發明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層，其特徵在於:該吸波層由單元尺寸小於1/4工作波長的方形次波長諧振單元周期排列而成，每個次波長諧振單元包括依次疊加組成的第一金屬銅片(I)、第一介質板(2)、第二金屬銅片(3)、第二介質板(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)中間開槽將第一金屬銅片(I)分為呈L形的兩個分片，開槽處的兩片分片之間連接有集總電阻(6)，第一介質板(2)和第二介質板(4)相同，第三金屬銅片(5)為具有雙環開口結構的磁諧振金屬銅片，第三金屬銅片(5)的內環開口處連接有源負阻器件(7)或者具有負阻特性的有源電路。
2.根據權利要求1所述的一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層，其特徵在於:所述的第一介質板(2)和第二介質板(4)各米用FR4介質板、PCB電路板或者羅傑斯電路板。
3.根據權利要求1所述的一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層，其特徵在於:所述的第一介質板(2)和第二介質板(4)的厚度小於1/40工作波長。
4.根據權利要求1所述的一種利用次波長諧振單元及有源電路構成的完美匹配吸波層，其特徵在於:所述的具有負阻特性的有源電路為Non-foster電路。
【文檔編號】H01Q17/00GK103943968SQ201410175775
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】葉德信, 皇甫江濤, 冉立新 申請人:浙江大學