基于连通矩形谐振环的双波段左手材料吸波器的制作方法

本实用新型属于人造材料吸收电磁波技术领域，尤其涉及一种基于连通矩形谐振环的双波段左手材料吸波器。

背景技术：

微波真空电子器件(Vacuum Electronics Device，VED)是现代军事装备中重要的核心器件。提高频率、增大功率、减小体积是目前VED发展的主要趋势，但同时受到成本、体积和尺寸共渡等三个主要因素的制约。随着工作频率不断提升，VED的尺寸将大大减小，但这又会导致产生功率容量降低、脉宽缩短、发生电击穿等问题。小型化、平面型行波管是减小行波管的制造成本、缩减体积和突破频率上限的主要途径。

但在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用，将动能连续不断地交给微波信号场，会产生反射波震荡。曲折波导作为一类新型全金属慢波结构，在实现大功率容量的同时，具有良好的带宽性能。同时，可以采用微细加工技术来制作。故而曲折波导慢波结构在国内外受到了广泛的关注。

但由于目前我国尚不具备研制微型螺旋线的工艺条件与技术手段，因此，必须另辟蹊径提出符合我国国情的实现小型化行波管的思路。从构成行波管关键元部件与材料结构上开拓创新，可为快速研制小型化、平面型行波管探究一条可行之路。

所以为抑制震荡的发生，设计超材料吸波器来吸收反射波。

目前，吸波结构已经有了很大的发展。2008年，Landy等首先提出了基于超材料的完美吸收器的概念，通过合理的设计和选择参数，利用开口环、短截线和分隔层构成的电磁谐振器对入射电磁波的电磁分量产生耦合，使入射到超材料表面的特定频率电磁波既不产生反射也不产生透射，实现完美吸收。Diem等从理论和实验上展示了宽角度太赫兹波段吸收器，垂直入射时吸收率达99.7％，入射角在70°时吸收率仍维持在80％以上。Liu等利用空间分布吸收能力不同的单元结构实现了红外波段的吸收成像，首次展示了超材料用于高光谱成像的巨大潜力。朱豪杰等基于同向裂口谐振环(CSRR)平面特异材料设计出了具有双极化特性的超宽带吸波材料。沈晓鹏教授等人通过利用方环嵌套的偶极子谐振单元组成紧凑型单元结构，利用双环实现了双波段完美吸收，通过入射电磁场在上下两层金属之间产生水平方向的磁谐振，在上层金属环的两侧边及对应的下金属地板上激发反向电流，当等效介电常数和磁响应等效磁导率接近即阻抗匹配时可产生完美吸收，由于单元结构具有旋转对称性，因而对于任意偏振模式的电磁波都有很好的吸收特性。由于采用了嵌套闭合环的紧凑结构，采用不同数目、不同大小的环组合，可以方便的实现单波段、双波段、三波段甚至更多波段的吸收。设计出的结构在入射角达到50°时可以达到吸收率为83％。

但是，电磁超材料仍然存在吸收率低、吸收频带窄等一些不足，限制了它在具体器件中的应用。尽管上述吸波器具有各自的优缺点，但是适合于VED的平行吸波结构方面还未完美的设计出来，在现有的结构中并没有高吸收率的双频段吸波结构。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种基于连通矩形谐振环的双波段左手材料吸波器。

技术方案：为实现上述设计目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于连通矩形谐振环的双波段左手材料吸波器，包括若干吸波器单元；每个吸波器单元内部设有 m*n方阵的连通矩形谐振环结构单元。

连通矩形谐振环结构单元为五层结构，包括顶层、第二层、第三层、第四层和底层；其中，顶层为微带线，第二层是介质层，第三层是吸波层，第四层是介质层，底层为铜板。微带线和吸波层的材料为铜。

有益效果：本实用新型的吸波器能够工作于电磁波平行入射情况下，利用左手材料明显的损耗特性，通过等效电路法，改变参数大小，调整周期结构间隔，使波阻抗与空气匹配，结合谐振损耗特性实现不同频率的吸波。

吸波单元由三层构成，顶层为两个铜制CRRs，底层为平面铜板，顶层金属结构单元与下方金属板构成一个电磁共振结构单元，共振模式与入射电磁波耦合将导致入射电磁波的吸收；这两层与垂直的电场之间形成电谐振，被介质层隔开，电磁波最终在介质层中被转化为热能而消耗掉。

附图说明

图1是CRRs吸波器整体示意图；

图2是CRRs单元结构示意图；

图3是CRRs单元结构侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例1

人工电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)，代表一类介电常数和磁导率可人为控制、各参量可正可负的新型人工复合电磁材料。电磁超材料是由用来模拟电/磁偶极子的亚波长结构单元排列而成的等效介质，它的介电常数和磁导率可以通过设计结构单元及其排列方式来调控，突破了传统材料的局限。一般情况下，超材料的电磁参数呈现出各向异性的特征，而左手材料则是其中一种各向同性的特例。电磁超材料具有自然界中原有材料所不具备的独特性质，其中出现了许多全新的物理现象。近来利用人工电磁材料的独特电磁性质设计电磁波完美吸波材料(Perfect Absorber)成为电磁超材料研究中的另一个热点。

左手材料具有明显的损耗特性，充分利用电磁超材料的强谐振损耗性质。通过合理设计超材料电磁参数，使它的波阻抗与空气匹配，同时利用电磁特异材料的谐振损耗实现完美吸波。超材料被广泛应用于吸波材料中，要吸收电磁波，吸波材料需要两个条件：阻抗匹配，只是让电磁波能够尽可能多的进入超材料内部的先决条件；衰减特性，这是让电磁波可以在超材料内部损耗掉的先决条件。

现有吸波器表面金属结构可以等效为一些电容电感的串并联构成，空隙可以等效为电容，金属可以等效为电感。通过设置电容电感大小，调整周期结构间隔来改变参数，实现不同吸收频率的吸波。

现有吸波器因大部分为吸收垂直入射的吸波器，为实现平行条件下的吸波，将现有垂直吸波器的谐振环部分换成真空，将真空部分换成铜，形成CRRs单元。采用方环嵌套式结构进行仿真模拟，通过CRRs环开口方向的不同设计，产生不同的吸收频段，通过调整环开口方向的个数实现不同频段的吸波，通过改变环的个数和长宽高等参数来改变吸收率和吸波频段。

连通矩形谐振环结构(CRRs)，如图1所示。吸波单元由三层构成，顶层为两个铜制CRRs，底层为平面铜板，顶层金属结构单元与其下方的金属板构成一个电磁共振结构单元，共振模式与入射电磁波耦合将导致入射电磁波的吸收。这两层与垂直的电场之间形成电谐振，被介电常数为4.5的介质层隔开，如图2所示，电磁波最终在介质层中被转化为热能而消耗掉。因为CRRs单元由不同尺寸的谐振环构成，每个谐振环的谐振频率不同，所以由CRRs单元组成的吸波器必然具备多吸收峰的特性，可以通过调整 CRRs单元的结构参数使吸波器的各个吸收峰所在的频段与微波电路的工作频段及倍频相近。

工作于电磁波平行入射情况下的双波段连通矩形谐振环结构单元左手材料吸波器，利用每个谐振环上的电偶极子与底层金属板的强烈耦合，实现较高吸收率的吸波。

如图3所示是CRRs吸波器的层内部结构，该层包含了3个沿z轴排列的相同的 CRRs吸波器单元，每个吸波器单元内部的CRRs单元以3*9方阵排列，由于不同尺寸的谐振环构成的CRRs单元的谐振频率不同，所以我们设计出符合双波段的超材料吸波器。

采用CST 2015三维电磁仿真软件测试CRRs单元左手材料吸波器的传输特性，并计算吸收率，通过观察吸收效果对各个结构参数进行优化。CRRs的厚度仅为最短工作波长的1％数量级。

实施例2

改变CRRs单元的排列周期重新排布，或者调整CRRs单元的大小，即改变a、b、 g、w四个参数的大小，仿真吸波器工作性能，绘制性能曲线，比较吸波率及吸波带宽，取其最优参数。

最佳谐振环参数为：第一个环间隙b为3mm，开口间隙g为0.4mm，宽度w为 0.18mm，第二个环间隙a为1mm。

实施例3

仿真采用的模型分为五层，顶层1是微带线其材料为铜，电导率为2.25×107S/m，厚度为127μm；第二层2是介质层，材料为BN，εr＝4.5，厚度为127μm；第三层3 是CRRs吸波器，材料为铜，厚度为70μm；第四层4介质层，与第二层完全一样；最底层为铜板，厚度为20μm。CRRs吸波器层内部包含了3个沿z轴排列的相同的CRRs 吸波器单元，每个吸波器单元内部的CRRs单元以3*3方阵排列。