一种多频段吸波超材料的制作方法

本发明属于微波吸波材料领域，具体涉及一种多频段吸波超材料。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，电磁波已经被广泛地应用于各个领域，其中以无线通信对人类生产和生活的影响最为显著。然而，伴随着无线通信技术的日益成熟，电磁污染问题也越来越严重，例如：电磁辐射不仅会影响通信的质量；干扰各种精密电子设备的正常工作；尤其来自邻近频率的电磁干扰；邻近频率的电磁波会严重影响己方电磁波的正常发射和接收。因此，急需研制出一种吸波材料，能够有选择性地吸收某个频段或者某几个频段的电磁波，进而保证其他频段电磁波的正常工作。

吸波超材料是一种能将入射在其表面的电磁波能量吸收的材料，其工作原理是通过合理设计材料的结构参数来调节材料的介电常数和磁导率，使在工作频段其达到阻抗匹配条件，从而使入射电磁波最大限度的进入到材料内部，并通过吸波超材料中的介质损耗或/和欧姆损耗，将入射到材料内部的电磁波转化成热能或者其他能量，实现对电磁波的完美吸收。

目前的多频段吸波超材料主要有两类，一种是将多个谐振器组合在一个平面内，形成一个可以响应在多个频段处的多频段吸收器，这类吸收器的各个谐振器之间不可避免地会出现耦合，而这种耦合会使吸收效果受到影响；另一种是将多个谐振器层叠放置成多层结构的吸收器，这使得吸收器整体厚度较厚，加工制造变得更加困难。此外，由于每个吸收频段之间相距较远，在一定程度上也限制了多频吸波材料的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有超材料制成的吸波器内部各谐振单元间的耦合效应从而影响各吸收峰的吸收效果的技术问题，提供一种多频段吸波超材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多频段吸波超材料，所述多频段吸波超材料由若干超材料结构单元平铺排列组成，所述超材料结构单元包括第一材质介质基板、至少2个同心金属圆环、至少一个同心绝缘圆环、第二材质介质基板和金属底板，所述第一材质介质基板、同心金属圆环、第二材质介质基板和金属底板由上到下依次粘接在一起；所述至少2个同心金属圆环按内半径从大到小由外而内设在第一材质介质基板和第二材质介质基板之间，所述每两个同心金属圆环之间设有一个同心绝缘圆环，所述同心绝缘圆环设在第一材质介质基板的下表面或第二材质介质基板的上表面上且与相邻内环的同心金属圆环的外边缘相接触。

进一步地，所述第一材质介质基板的材料为rogers、arlon、teflon或f4b，所述第一材质介质基板的厚度为0.3mm～0.5mm。

进一步地，所述第二材质介质基板的材料为fr-4。

进一步地，所述同心金属圆环的材料为铜、铝、银或金，所述同心金属圆环的厚度为0.017mm至0.036mm。

进一步地，所述同心绝缘圆环的材料为srtio3、pet或橡胶。

进一步地，所述超材料结构单元的边长为21mm～23mm，厚度为2.3～2.6mm。

进一步地，所述同心金属圆环的内半径和外半径从外向内依次递减，同心金属圆环的宽度从外向内依次递增，相邻同心金属圆环之间的间距从外向内依次递减。

进一步地，所述同心绝缘圆环的内半径和外半径从外向内依次递减，同心绝缘圆环的宽度从外向内依次递减。

本发明的有益效果是：

1、本发明在吸波超材料中添加了绝缘材料消除了同心金属圆环之间的耦合，使吸收峰值之间互不干扰，稳定地工作各自的响应频段，解决了现有吸波超材料中多个谐振单元之间的电磁耦合影响，实现在s波段和c波段上的多频吸收；

2、本发明吸波超材料结构单元中的谐振器均为简单的圆环型，方便加工制造；

3、本发明多频段吸波超材料整体厚度约为2.5mm左右，与同类吸波超材料相比，具有较薄的厚度，吸收效果好，可用于无线通讯、电磁屏蔽、热辐射探测等领域。

4、本发明的多频段吸波超材料能够在较窄的范围内2-7ghz实现多频段吸收，并且吸收率均达到99％以上。

附图说明

图1为本发明实施例1中超材料结构单元的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明实施例2中超材料结构单元的结构示意图；

图4为本发明实施例3中超材料结构单元的结构示意图；

图5为本发明实施例1的吸收效果图；

图6为本发明实施例2的吸收效果图；

图7为本发明实施例3的吸收效果图；

图中，1-第一材质介质基板，2-同心金属圆环，3-同心绝缘圆环，4-第二材质介质基板，5-金属底板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

本实施例中的一种多频段吸波超材料，所述多频段吸波超材料由若干超材料结构单元平铺排列组成，如图1和图2所示，所述超材料结构单元的边长为21mm～23mm，厚度为2.3～2.6mm。所述超材料结构单元包括第一材质介质基板1、五个同心金属圆环2、四个同心绝缘圆环3、第二材质介质基板4和金属底板5，所述第一材质介质基板1、同心金属圆环2、第二材质介质基板4和金属底板5由上到下依次粘接在一起；所述五个同心金属圆环2按内半径从大到小由外而内设在第一材质介质基板1和第二材质介质基板4之间，所述每两个同心金属圆环2之间设有一个同心绝缘圆环3，所述同心绝缘圆环3设在第一材质介质基板1的下表面或第二材质介质基板4的上表面上且与相邻内环的同心金属圆环2的外边缘相接触。

所述五个同心金属圆环2从内到外分别为第一至第五同心金属圆环，五个同心金属圆环2的内半径和外半径从外向内依次递减，同心金属圆环的宽度从外向内依次递增，相邻同心金属圆环之间的间距依次递减；五个同心金属圆环2的内半径由外向内分别为9.10mm、7.48mm、6.09mm、4.93mm、4.00mm；同心金属圆环的宽度分别为0.50mm、0.52mm、0.54mm、0.56mm、0.58mm；相邻同心金属圆环之间的间距分别为1.10mm、0.85mm、0.60mm、0.35mm。

所述四个同心绝缘圆环3从外向内分别为第一至第四同心绝缘圆环，所述四个同心绝缘圆环3的内半径和外半径从外向内依次递减，同心绝缘圆环的宽度从外向内依次递减，同心绝缘圆环之间的间距依次递减；四个同心绝缘圆环3的内半径由外而内分别为8.00mm、6.63mm、5.49mm、4.58mm；同心绝缘圆环的宽度分别为0.40mm、0.30mm、0.20mm、0.10mm；相邻同心绝缘圆环之间的间距分别为1.07mm、0.94mm、0.81mm。

所述同心金属圆环2和同心绝缘圆环3按内、外半径大小规律性排列，能够将吸收峰紧密的压缩在较小的范围内，从而在较窄的范围内(2-7ghz)实现多频段吸收，并且吸收率均达到99％以上。

所述第一材质介质基板1的材料为rogers(罗杰斯ro3006)，介电常数ε＝6.15，损耗正切值tanδ＝0.0025，厚度0.3～0.5mm；

所述第二材质介质基板4的材料为fr-4，介电常数为4.2至4.5，损耗正切值tanδ＝0.02，厚度为2mm；

所述同心金属圆环2和金属底板5的材料为铜，电导率σ＝5.8×10⁷s/m，厚度均为0.017mm至0.036mm；

所述同心绝缘圆环3的材料为srtio3，介电常数ε＝300，损耗正切值tanδ＝0.005，厚度为0.017mm至0.036mm。

实施例2

本实施例中的一种多频段吸波超材料，所述多频段吸波超材料由若干超材料结构单元周期性排列构成，如图3所示，与实施例1的区别在于，将实施例1中超材料结构单元的第二个同心金属圆环和第一个同心绝缘圆环去掉，得到吸波器，保证其他尺寸参数和所使用的材料以及仿真条件与实施例1中相同。

实施例3

本实施例中的一种多频段吸波超材料，所述多频段吸波超材料由若干超材料结构单元周期性排列构成，如图4所示，与实施例1的区别在于，将实施例1中超材料结构单元的第二个同心金属圆环、第四个同心金属圆环、第一个同心绝缘圆环以及第三个同心绝缘圆环去掉，得到吸波器，保证其他尺寸参数和所使用的材料以及仿真条件与实施例1中相同。

上述实施例中，所述同心金属圆环2和同心绝缘圆环3的个数可以根据所需吸收频段的个数相应地增加或者减少，圆环的尺寸也可以根据所需要吸收的波段进行调整。所述第一材质介质基板1的材料还可以为arlon(雅龙)、teflon(特佛龙)或f4b；所述同心金属圆环2和金属底板5的材料还可以是铝、银或金；所述同心绝缘圆环3的材料还可以为pet或橡胶。

采用基于有限元法的电磁仿真软件hfss对本发明实施例1～3中的多频段吸收材料进行仿真计算，电磁波垂直入射到吸收材料的表面，由于本发明所采用的谐振结构均为金属圆环，互相垂直的电场和磁场方向可以设置为任意方向。将仿真得到的反射系数s11和透射系数s21代入吸收率计算公式a＝1-|s11|²-|s21|²，因处于底层的金属底板阻断了电磁波的传输，使得传输系数s21＝0，吸收率的计算公式可以简化为a＝1-|s11|²。经过计算得到的吸收率曲线，如图5所示，为实施例1的吸收效果图，结果显示该超材料吸收器能够在2.48ghz，2.96ghz，3.66ghz，4.63ghz，6.13ghz处的吸收率分别达到99.5％，99.2％，99.0％，99.8％，99.1％。

如图6所示，为实施例2的吸收效果图，可以看到该吸收器能够在2.51ghz，3.70ghz，4.66ghz，6.13ghz处的吸收率分别达到99.1％，99.2％，99.9％，99.4％，

如图7所示，为实施例3的吸收效果图，可以看到该吸收器能够在2.50ghz，3.75ghz，6.15ghz处的吸收率分别达到99.0％，99.8％，99.8％。