CN105097052A

CN105097052A - 面电阻型宽带超材料吸收器

Info

Publication number: CN105097052A
Application number: CN201410235215.1A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 王兵; 顾帅
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明涉及一种微波吸收器，特别涉及面电阻型宽带超材料吸收器。这种吸波器具有三层结构，底层为铜板，中间层为PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺)介质，上层是刻蚀各向同性树枝结构的ITO薄膜。整个全向树枝单元包括八个由一级和二级分支组成的四边形开口环以及八个由二级分支构成的V形，所有的开口环单元以准周期形式分布。一级、二级树枝长度分别为a、b，树枝宽度为w，树枝间夹角为θ＝45°。当有一种树枝结构时在7.80-16.90GHz频段范围内能达到最低80％的吸收率，吸收相对带宽73.68％。当有两种树枝结构时在6.15-17.00GHz频段范围内能达到最低80％的吸收率，吸收相对带宽93.74％。本发明的吸波器可以实现各向同性和宽频带的高性能吸收，具有结构简单轻巧、成本低、制备方便等优点。

Description

面电阻型宽带超材料吸收器

技术领域本发明涉及一种微波吸波器，特别涉及面电阻型宽带超材料吸收器，利用面电阻型树枝状超材料结构使吸收频带达到宽频。

背景技术随着军事高新技术的飞速发展，吸波器因其能够有效降低目标雷达散射截面RCS而在未来隐身技术领域的作用越来越大，传统的吸波器不符合雷达吸波体“薄、轻、宽、强”的要求，而超材料吸波器因其在隐身领域的巨大潜力而受到更广泛的关注和应用。

超材料是一种人工制造的周期性电介质或者金属阵列，并且超材料的微结构远小于其工作波长，超材料吸波器本身具有的谐振吸收特征在微波吸收领域展现出广阔的应用前景，不同的几何结构需要特定的电磁波极化方式，而且谐振的频段非常窄，这在一定程度上限制了超材料吸收器的实际应用。2008年Landy等人设计的低剖面超材料完美吸波器，在一定微波频段范围内能够完全吸收电磁波，此后人们设计了各种不同工作频段的形状各异的超材料吸波器，但是这些吸收器普遍具有吸收频带窄、吸收效果差、剖面厚、对电磁波极化方式敏感等诸多缺点。针对超材料吸波器的诸多缺点，本发明通过一种面电阻型各向同性树枝结构超材料实现宽频带吸收的方法设计了一种单层的覆盖X波段和Ku波段各向同性的宽频带超材料吸波器，该吸收器具有结构简单轻便、吸收频带宽、吸收率高、剖面薄、对电磁波极化方式不敏感的优点。

发明内容本发明的目的是提供一种各向同性宽频带超材料吸波器，通过面电阻型超材料结构使吸波器吸收频带达到宽频。该超材料吸收器底层为金属铜板，中间层为PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺)介质，上层是在ITO薄膜(掺锡氧化铟)上刻蚀一种或几种各向同性树枝结构，并且通过调控树枝结构的尺寸大小实现各级树枝结构的相互耦合，使吸波器的吸收率和宽吸收带宽达到最优。将设计的结构制作成各向同性宽频带超材料吸波器，在微波暗室中测试吸波器的吸波性能，当有一种树枝结构时在7.80-16.90GHz频段范围内能达到最低80％的吸收率，吸收相对带宽73.68％。当有两种树枝结构时在6.15-17.00GHz频段范围内能达到最低80％的吸收率，吸收相对带宽93.74％。本发明的吸波器仅用三层简单结构便可以实现各向同性和宽频带的高性能吸收，具有结构简单、低剖面、厚度薄、成本低、制备方便、不易损坏、吸波性能好等优点。

附图说明

图1树枝结构示意图

图2树枝结构单元示意图

图3实施例一超材料吸波器样品示意图

图4实施例一超材料吸波器吸收性能测试结果

图5实施例二超材料吸波器最小周期结构示意图

图6实施例二超材料吸波器样品示意图

图7实施例二超材料吸收器吸收性能测试结果

具体实施方式采用ITO激光刻蚀技术制作覆盖X波段和Ku波段各向同性宽带超材料吸波器，首先设计一种面电阻型树枝结构单元，结构模型图如图1和图2所示，上层刻蚀的整个全向树枝单元包括八个由一级和二级分支组成的四边形开口环以及八个由二级分支构成的V形，所有的开口环单元以准周期形式分布。一级、二级树枝长度分别为a、b，树枝宽度为w，树枝间夹角为θ＝45°，而且结构单元是以中心轴线方向按45°旋转对称的。将基本的结构单元组合排列成周期性结构并且通过加工成为矩形的吸波器，采用激光刻蚀技术制备完全吸收器，在面电阻值为40Ω的ITO薄膜上刻蚀出设计好的树枝结构2，中间介质基板为介电常数为1.2的PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺)，其底面为铜接地板，其几何大小与泡沫介质基板的大小相同，最终设计加工为覆盖X波段和Ku波段各向同性宽带超材料吸波器。本发明实施例中使用了两种宽频带的超材料吸波器。

本发明的实现过程和材料性能由实施例和附图说明：

实施例一：

采用激光刻蚀技术，在ITO薄膜上刻蚀出大小相同且呈周期性排列的树枝结构单元，每种树枝结构均由二级树枝对称旋转组成，树枝间夹角θ＝45°，树枝线宽w＝1.2mm，每个周期内介质基板的边长1＝10mm。超材料吸收器的单元排列如图2所示，树枝结构材料为薄膜表面一层导电层材料掺锡氧化铟，其一级树枝长度为1.8mm，二级树枝长度为2.6mm，中间PMI泡沫介质(聚甲基丙烯酰亚胺)基板厚度为3mm，底层铜板厚度为2mm。最后周期性树枝结构超材料吸收器大小为440mm×480mm。最终制作的超材料吸波器如图3所示。对于这种几何参数的吸收器，其80％以上吸收率工作频带为7.80GHz-16.90GHz(吸收带宽为9.10GHz)。图4为本发明实施例超材料吸波器对微波的吸收性能。

实施例二：

采用激光刻蚀技术，在ITO薄膜上刻蚀出两种不同尺寸且呈周期性排列的树枝结构单元，每种树枝结构均由二级树枝对称旋转组成，树枝间夹角θ＝45°。第一种树枝结构T1的一级、二级树枝长度分别a1＝5.0mm，b＝6.5mm，树枝线宽w＝2.0mm，第二种树枝结构T2的一级、二级树枝长度分别a1＝10mm，b＝12mm，树枝线宽w＝7mm，最小周期单元排列如图5所示。其中PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺)介质基板的厚度为3mm，其底面完全覆盖厚度为2mm的金属铜板，通过三层结构组合制作成为超材料吸波器，其结构尺寸为440mm×480mm，最终制作的超材料吸波器如图6所示。对于这种几何参数的吸收器，其80％以上吸收率工作频带为6.15-17.00GHz(吸收带宽为10.85GHz)。图7为本发明实施例超材料吸波器对微波的吸收性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims

1.面电阻型宽带超材料吸收器，该吸收器组成包括金属铜板、PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺)介质、刻有树枝图案的ITO导电薄膜；其主要特征是：在ITO导电薄膜上刻蚀一种或几种树枝单元组成的阵列，通过改变树枝单元的几何尺寸，使该超材料吸收器工作在X和Ku波段。

2.如权利要求1所述面电阻型宽带超材料吸波器，其特征是当吸波器最小周期结构单元由一种尺寸大小的树枝组成，一级树枝结构长度在1.5mm至2.5mm之间，二级树枝结构长度在2.0mm至3.0mm之间，树枝结构宽度为0.8mm至1.6mm之间，最小结构单元边长为8mm至12mm，吸收率超过80％的频带在7.80至16.90GHz之间调节；当吸波器最小周期结构单元由两种尺寸大小的树枝组成时，取树枝一级树枝结构长度在5mm至10mm之间，二级树枝结构长度为6.5至12mm，树枝结构宽度为2.0mm至7mm，最小结构单元边长为25mm至50mm，吸收率超过80％的频带在6.15至17.00GHz之间调节。

3.如权利要求1所述的面电阻型宽带超材料吸波器，其特征是在ITO导电薄膜表层用激光刻蚀出面电阻型树枝，ITO导电薄膜面电阻为40Ω。

4.如权利要求1所述的面电阻型宽带超材料吸波器，其特征是中间介质基板为PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺)，其厚度为3mm，介电常数为1.2。