一种基于相干控制的动态可调谐吸收器的制造方法
【专利摘要】本发明属于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种用于电磁波完美吸收的基于相干控制的动态可调谐吸收器。基于相干控制的动态可调谐吸收器，由介质层和人工电磁材料层组成，人工电磁材料层位于介质层的两侧，分别刻蚀在介质层的基底上，为人工电磁材料为周期或非周期排列的非对称开口环结构单元，非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，非对称开口环结构包含2段不等长的金属线或弧。本发明操作简单，通过调节控制波的相位、新型人工电磁材料的结构、尺寸参数和材料属性，就能够调节吸收器的吸收频带，实现对特定频率的电磁波的选择性吸收。本发明同时具有便携、重量轻、容易集成等优点。
【专利说明】一种基于相干控制的动态可调谐吸收器【技术领域】
[0001]本发明属于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种用于电磁波完美吸收的基于相干控制的动态可调谐吸收器。
【背景技术】
[0002]吸波技术主要是利用吸波材料有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的，其中，完美吸收器广泛应用于光探测器、频谱成像和测辐射热仪等领域。新型人工电磁材料的出现，丰富了电磁领域的研究内容，也为实现多种新型微波器件、微纳器件提供了机遇。
[0003]新型人工电磁材料是利用自然界的常规材料人工设计的复合媒质，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。新型人工电磁材料极大地丰富了电磁领域的研究内容，实现多种功能性器件，如完美吸收器、偏振器、滤波器和调制器等。基于新型人工电磁材料的吸收器由于结构超薄，能够实现对入射电磁波的完美吸收而引起了研究人员的广泛关注。2008年，美国研究人员N.1.Landy提出了基于新型人工电磁材料的完美吸收器的概念，利用三层结构，通过合理地设计结构参数，使该结构对特定频率的电磁波既不产生反射也不产生透射，实现了单一频率电磁波的完美吸收。此后，研究人员设计了多种不同结构的完美吸收器，研究频段从微波段扩展到THz频段、近红外频段、可见光频段。基于新型人工电磁材料的光波段吸收器，厚度约为谐振波长的1/15，实验上实现了 88%的吸收率。Tao等设计了 THz频段的超材料吸收器，在1.3THz处吸收率约 为70%。目前，越来越多的研究工作集中于多频与宽频超材料吸收器。Zhang提出了一种基于电谐振环结构的THz频段双频吸收器，其在0.45THz与
0.92THz具有高吸收率。Shen设计一种基于开口谐振环结构的三频吸收器，可在4.06GHz，
6.73GHz和9.22GHz分别实现99%，93%和95%的高吸收率。Cummer利用多层谐振环的组合结构实现了相对带宽为6.1 %的宽频吸收器。
[0004]以上所述的基于新型人工电磁材料的完美吸收器，都无法实现吸收率的动态调控，且具有固定的工作频率，无法实现工作频率的切换。基于相干控制的电磁波完美吸收结构是利用新型人工电磁材料的谐振特性，通过调节单元和相干波的参数来实现对电磁波的零反射和零透射，从而实现对特定频率电磁波的选择性吸收，并且可以动态控制电磁波的吸收率。利用相干特性的可调谐吸收器相比于传统材料，制作简单、操作方便、成本大幅降低，能够动态控制吸收率与切换工作频率，具有很大的潜在应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种传统材料，制作简单、操作方便、成本大幅基于相干控制的动态可调谐吸收器。
[0006]本发明的目的是这样实现的:[0007]基于相干控制的动态可调谐吸收器，由介质层和人工电磁材料层组成，人工电磁材料层位于介质层的两侧，分别刻蚀在介质层的基底上，为人工电磁材料为周期或非周期排列的非对称开口环结构单元，非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，非对称开口环结构包含2段不等长的金属线或弧。
[0008]非对称开口环结构厚度为微米或者百纳米量级，单元结构为金属材料；介质层的基底的材料为PCB材料、半导体材料、玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。
[0009]基底厚度为1.6毫米，材料是PCB，介电常数ε = 4.05-0.05i，每个人工电磁材料单元的尺寸为15毫米X 15毫米，金属弧的材料是铜，金属弧对应的角度为α =140度和β = 160度，内径r = 5.6毫米,外径R = 6.4毫米,厚度t = 35微米。
[0010]本发明的有益效果在于:
[0011]本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术或者微纳加工技术可以完成对本发明的加工。传统的吸波材料需要复杂的工序，并且价格昂贵。本发明具有选择性吸收特性，此结构可以实现对特定频率的电磁波的选择性吸收，在雷达隐身、成像以及测辐射仪等领域均有更加广阔的应用前景。本发明操作简单，通过调节控制波的相位、新型人工电磁材料的结构、尺寸参数和材料属性，就能够调节吸收器的吸收频带，实现对特定频率的电磁波的选择性吸收。本发明同时具有便携、重量轻、容易集成等优点，较传统的吸波材料，本发明仅为单层，厚度小、重量轻、易于共形。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是基于相干控制的动态可调谐吸收器的基本结构单元的示意图。
[0013]图2是基于相干控制的动态可调谐吸收器的基本结构单元前后视图。
[0014]图3是基于相干控制的动态可调谐吸收器的工作原理图。
[0015]图4是基于相干控制的动态可调谐吸收器工作时，控制波与信号波的相位差为O度(实线)和180度(虚线)时的仿真结果。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0017]图中:1.基底,2.金属弧,3.金属弧,4.信号波,5.控制波。
[0018]一种基于相干控制的动态可调谐吸收器，属于电磁波和新型人工电磁材料领域。本发明公开了一种基于相干控制的动态可调谐吸收器，其特征在于，采用双层的新型人工电磁材料，在多个频段实现了对电磁波的动态可调谐吸收。所述的相干控制吸波器包括介质层和双新型人工电磁材料层，双新型人工电磁材料层位于介质层的两侧，其中新型人工电磁材料为周期性排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属弧构成，新型人工电磁材料为亚波长结构。所述的动态可调谐吸收由两束相干波完成，即信号波和控制波，具有相同的振幅和波长，沿垂直于新型人工电磁材料的方向相向传播，通过调节控制波与信号波之间的相位差，可以实现多频带电磁波吸收的动态可调谐控制。本发明所述的基于相干控制的动态可调谐吸收器制作工艺简单、成本低，适用于各个频段，在微波器件、隐身、光吸收器等领域有很大的应用前景。
[0019]一种基于相干控制的新型人工电磁材料动态可调谐吸收器，采用双层的新型人工电磁材料，在多个频段实现了对电磁波的动态可调谐吸收。所述的相干控制吸波器包括介质层和双新型人工电磁材料层，双新型人工电磁材料层位于介质层的两侧，其中新型人工电磁材料为周期性或非周期排列的非对称开口环基本结构单元，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，新型人工电磁材料为亚波长结构，存在层间结构旋转角。所述的动态可调谐吸收由两束相干波完成，即信号波和控制波，具有相同的振幅和波长，沿垂直于新型人工电磁材料的方向相向传播，通过调节控制波与信号波之间的相位差，可以实现多频带电磁波吸收的动态可调谐控制。双新型人工电磁材料层分别刻蚀在基底两侧，为周期或非周期结构。双新型人工电磁材料层的结构单元相同，层间存在任意旋转角。新型人工电磁材料的基本结构单元是非对称性的，每层新型人工电磁材料的基本结构单元包含2段不等长的金属线或弧。新型人工电磁材料的基本结构单元厚度为微米或者百纳米量级，单元结构为金属材料，可以为金、银、铝或铜等。新型人工电磁材料的基底材料为PCB材料、半导体材料、玻璃等，厚度为毫米或者百微米量级。信号波和控制波具有相同的波长与振幅，相向传播，入射到新型人工电磁材料的两侧。相干控制由信号波与控制波的相互作用实现，两束相向传播的相干波形成驻波，调节控制波的相位，即动态调控新型人工材料与驻波的波节、波腹之间的相互作用，完成多频段电磁波完美吸收的相干控制，实现动态可调谐吸收器。
[0020]本发明的目的是利用新型人工电磁材料的谐振特性，提供一种基于相干控制的动态可调谐吸收器。这种电磁波吸收器可以对不同频率电磁波的选择性吸收，且效果良好。基于相干控制的动态可调谐吸收器由新型人工电磁材料单元结构组成，具有加工简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，易于和被隐身的物体共形，因此具有很高的实用价值。
[0021]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于相干控制的动态可调谐吸收器，它由一个双层的人工电磁结构组成。一束信号波以一定波长垂直入射到新型人工电磁材料上，另一束与信号波互为相干波的控制波，以同样的振幅和波长相向传播，通过改变控制波的相位和新型人工电磁材料的结构、尺寸参数和材料属性，可以实现对特定频率信号波的选择性吸收。
[0022]基于相干控制的动态可调谐吸收器包括基底和双层新型人工电磁材料，基底位于双层新型人工电磁材料之间，作为双层人工电磁材料的基底或者间隔层来支撑双层新型人工电磁材料；每层新型人工电磁材料由周期性排列的新型人工电磁材料基本单元构成，两层的基本单元结构完全相同，但存在结构旋转角，基本单元存在结构的非对称性，此结构不发生偏振极化和正交偏振传输。每层开口环结构单元由两段一定长度的金属线或弧构成，开口环周期性结构刻蚀在基底两侧，并沿X和Y方向进行周期延拓。所述的新型人工电磁材料的金属弧的材料，可以为金、银、铝、铜等。所述的新型人工电磁材料的基底通常采用PCB材料、半导体材料、玻璃等，厚度为毫米或者百微米量级。
[0023]在信号波的传播方向上测量通过新型人工电磁材料的信号波，获取新型人工电磁材料的吸收率。在没有新型人工电磁材料的情况下，相向传播的信号波和控制波形成驻波。一个信号源提供一定的波长信号波，垂直地向新型人工电磁材料传播，另一个控制源提供控制波，此波与信号波互为相干波，其振幅和波长均与信号波相同。若将新型人工电磁材料放置在驻波的节点或波腹位置，即信号波和控制波的相位相差为O度和180度。通过调节控制波的相位，来设置信号波与控制波两束电磁波之间的相位差，相当于新型人工电磁材料的空间位置能够在信号波和控制波形成的驻波的节点和波腹之间的进行变换，实现不同频率信号波吸收的动态调控，可以达到多频段完美吸收的效果。
[0024]该吸收器制造方便、厚度薄、重量轻、易于共形，可以对特定波长的电磁波实现完美的选择性吸收，在雷达隐身、成像等领域具有重要的应用前景。
[0025]实施例1:
[0026]本实施例由图1所示的双层开口环结构2、3和基底I组成，双层开口环周期性地排列在基底两侧，基底厚度为1.6毫米，材料是PCB，其介电常数ε = 4.05-0.05i，每个新型人工电磁材料单元的尺寸为15毫米X 15毫米。如图2所示，图1所示的结构是基底两侧的开口环互相旋转180度，并沿X和Y方向周期性延拓，形成双层开口环阵列，每一侧的开口环均是由两段长度不同的金属弧2、3构成，金属弧的材料是铜，所对应的角度分别为α=140度和β = 160度，其内径r = 5.6毫米，外径R = 6.4毫米，厚度t = 35微米，双层开口环周期性地刻蚀在基底两侧。
[0027]下面再结合附图3进一步说明实施方案，首先为相干控制的动态可调谐吸收器设置一个XYZ坐标轴作为工作平台，Z轴垂直于动态可调谐吸收器的表面。两束波为信号波4和控制波5，分别由信号源和控制源发射出。信号波和控制波为相干波，具有相同的波长和振幅，电场极化方向均为X方向，频率范围设定为4-lOGHz，并沿Z轴方向相向通过新型人工电磁材料，与双层开口环结构相互作用，电磁波呈现零透射和零反射。根据吸收率=1-反射率-透射率，该吸收器达到完美的吸波效果。
[0028]在未放置的新型人工电磁材料情况下，控制波和信号波相干涉形成驻波。当将新型人工电磁材料放在节点或波腹位置时，即信号波和控制波的相位相差O度和180度，新型人工电磁材料单元会强烈的影响信号波的传播，可以完全吸收某些频率的电磁波。调节控制波的相位，使两束波产生不同的相位差，实验结果显示，当相位差为O度时，如图4实线所示，在5.37GHz处吸收率为98.84% ;当相位差为180度时，如图4虚线所示，在4.95GHz和
5.84GHz处吸收率分别为97.53%和90.50%，由此可见，通过控制波相位的控制，可以变换吸收器的工作频率，进行选择性的吸收，3个频带的吸收率均超过90%，达到近完美吸收的效果，从而实现了基于相干控制的不同频率电磁波的选择性吸收。通过改变吸收器结构、尺寸参数和材料属性，可以实现对任意设定频率的电磁波的选择性吸收，并且效果良好。
[0029]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于相干控制的动态可调谐吸收器，由介质层和人工电磁材料层组成，其特征在于:人工电磁材料层位于介质层的两侧，分别刻蚀在介质层的基底上，为人工电磁材料为周期或非周期排列的非对称开口环结构单元，非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，非对称开口环结构包含2段不等长的金属线或弧。
2.根据权利要求1所述的一种基于相干控制的动态可调谐吸收器，其特征在于:所述的非对称开口环结构厚度为微米或者百纳米量级，单元结构为金属材料；介质层的基底的材料为PCB材料、半导体材料、玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。
3.根据权利要求1所述的一种基于相干控制的动态可调谐吸收器，其特征在于:所述基底厚度为1.6毫米，材料是PCB，介电常数ε = 4.05-0.05i，每个人工电磁材料单元的尺寸为15毫米X 15毫米，金属弧的材料是铜，金属弧对应的角度为α = 140度和β = 160度，内径r = 5.6 毫米,外径R = 6.4毫米,厚度t = 35微米。
【文档编号】G12B17/02GK104021817SQ201410246834
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】史金辉, 聂光宇, 史全超, 朱正, 关春颖 申请人:哈尔滨工程大学