一种易于工程实现的超薄超材料吸收结构的制作方法

本发明属于微波超材料，具体涉及一种易于工程实现的超薄材料吸收结构。

背景技术：

1、甚高频波(vhf)是指频率范围在30mhz-300mhz的电磁波，频段介于高频和特高频之间，可应用于电视、调频广播、雷达、导航、移动通信。在民航领域中，vhf波段可用于民用飞机的地面与空中管制、放行及机场管制。在海事通信中，渔船、商船、游艇、游轮、救生艇、潜艇几乎都配有vhf波段的通信电台，用于搜救与对外联络通信，因此该频段通信是航海安全的必不可少的通信途径。在具体的应用中，系统的工作频带都较窄。为了避免使用时频段之间相互干扰，使用一种具有频率选择性的吸波体成为了对工作频率保护的重要手段。

2、超材料是一种人工设计的具有特殊电磁特性的电磁材料。超材料一般具有远小于波长的单元尺寸，因此可以通过人为的控制其单元的结构、尺寸、排列方式以实现一些特殊的电磁波调控特性，例如：负折射，完美吸收以及波束调控等。在超材料的现有技术设计过程中，单元的整体性能受到整体结构参数的影响，难以通过改变单一参数来调控工作频率，而保持其他性能不发生改变。因此，提高结构参数的鲁棒性和保障加工精度成为超材料设计成功的关键。同时，超材料作为一种亚波长结构，其尺寸与工作波长存在一定的相关性。甚高频波的对应波长为1m-10m。如何降低这一频段上超材料的厚度，设计出超薄单元结构，是这一频段上实现工程应用首先需要考虑的问题。目前，在超材料的基础上，通过使用调谐元件(如可变电容、电感等)和可调谐材料(如液晶、石墨烯、天然软木、离散等离子体等)均可改变入射波在单元表面的阻抗值，从而改变工作频率，进而实现吸收体工作频率的可重构。采用上述方法为吸收体工作在不同频率下赋予了新生命力，并为降低吸收体的工程实现难度提供了可能。但是，无论是使用调谐元件还是可调谐材料在工程实现中都面临极大困难。其原因在于：要实现工作频率的连续可调，需要使用连续、精准、可控的调谐元件和调谐材料。因此，为了降低对于可重构吸收体在工程实现中对于元件或材料的过渡依赖，增加可重构超材料吸收体的调控维度，需要探寻一种易于工程实现的频率可调吸收结构，以促进吸收体在甚高频上的应用。

技术实现思路

1、为了促进超材料在甚高频段上应用，本发明提出了一种易于工程实现、结构超薄的吸收结构。该结构在降低吸收剖面的同时，通过增加超材料结构调控维度，实现波束的工作频率的可调。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种易于工程实现的超薄超材料吸收结构，包括：从下至上层叠设置的金属背板，中间介质层以及上层谐振层；其中所述上层谐振层由周期排列的谐振单元组成，所述谐振单元由四块通过集总电容元件连接的方形开缝金属辐射贴片组成；其中金属背板与上层金属辐射贴片由圆形金属通孔连接，其中四块方形开缝金属辐射贴片旋转对称分居单元四角。

4、其中方形开缝金属辐射贴片开缝方向平行于其边长，且每个方形开缝金属辐射贴片内的两条金属缝隙相互垂直，两条金属缝隙形成的直角指向吸波结构单元中心。本发明中创造性地通过金属缝隙的引入为谐振结构带来了可调整的等效电容，并且向内开缝增加了谐振单元等效电长度，有利于谐振单元尺寸的小型化，此外还可以有效保证吸波结构的入射角度稳定性。

5、进一步地，所述集总电容元件位于方形贴片内侧，且平行于谐振单元边长，所述集总电容元件环形连接四个方形开缝金属辐射贴片。方形开缝金属辐射贴片和集总电容元件共同构成等效谐振电路。对于现有频率可调吸波结构设计而言，吸收频谱额调控是通过变化集总电容元件的电参数来改变等效谐振电路的谐振频率实现的。本发明通过调控金属缝隙的物理位置和几何尺寸，改变方形开缝金属辐射贴片的等效电参数，从而改变等效谐振电路的谐振频率，进而实现吸收频谱的调控。

6、本发明使用的集总电容元件电参数不变，具有固定电容值。

7、本发明通过调整金属缝隙的物理位置与几何尺寸以调控吸波结构的谐振频率，而不是通过改变集总元件电参数调控吸收频谱，相比于现有技术，本发明对于集总电容元件的电参数要求较低，也更容易工程实现。此外较可变电容而言，本发明采用固定电容不仅具有特性稳定、使用寿命长、不易受使用环境影响的优点；还具有价格便宜的优势。

8、进一步地，所述中间介质层内设置由四个圆形金属通孔，四个通孔位于谐振单元四角，顶端连接上层谐振层，底端连接金属背板。

9、进一步地，所述中间介质层为工艺成熟的fr-4介质板，造价成本低。

10、进一步地，所述周期谐振单元边长取值远远小于谐振单元工作频段相关波长，约为0.012λ0(λ0为工作频段对应波长)。本发明的周期谐振单元边长取值满足超材料周期单元尺寸条件，并且由于单元尺寸远远小于工作波长，保证了完美吸波结构在一定程度上的入射角度鲁棒性。

11、本发明在吸波结构底层设置金属背板作为防止输入电磁波透射的全反射镜面。中间介质层作为介质承载结构。金属背板、中间介质层与上层谐振单元构成了经典的“三明治”吸波结构。集总电容元件与上层谐振单元共形成的等效谐振电路实现了与周围环境特性阻抗z0的完美匹配。

12、本发明的工作原理如下：当电磁波入射至超薄材料吸波结构上时，上层谐振单元表面等效成谐振电路，在相应谐振频率激发感应电流，而金属背板激发反向的感应电流。谐振单元与金属背板产生的感应电流通过单元角落的圆形金属通孔在吸波结构内形成感应回路电流，进而产生磁共振。感应回路电流通过中间介质层会产生介电损耗，通过谐振单元上也会产生欧姆损耗；进而将入射的电磁能量电磁波吸收并转换为热能。而不同位置、不同尺寸缝长的金属缝隙的引入使得等效集中参数不同，从而使得吸波结构能够具有不同谐振频率。因而，通过调控金属缝隙的位置及尺寸，就能改变吸收结构下完成完美吸收的功能，从而引入谐振频率调控的新维度的工作频率，以弥补工程实施中材料属性、加工安装误差、计算误差带来的工作频率偏移。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1.本发明提出的易于工程实现的超薄超材料吸收结构，其可以通过调整金属缝隙位置以及长度，从而获得多个完美吸收频点，且在多个完美吸收频点的吸波效率99％。本发明的超薄超材料吸收结构满足了甚高频段的电磁兼容领域以及电磁隐身应用中对于超材料吸波结构多频完美吸收的应用要求。

15、2.本发明提出的易于工程实现的超薄超材料吸收结构在50°以内tm/te双极化入射情况下，吸波结构均能保持90％以上的吸波效率，说明了本发明能够在大入射角度的应用场景下保持良好的吸波性能。

16、3.本发明提出的易于工程实现的超薄超材料吸收结构，相比于现有技术中的频率可调吸波结构，在制作完成后可以调节金属缝隙调整工作频率，因而更容易加工，且不依赖集总元件的电参数，对于关键结构几何尺寸的精度要求不高。本发明采取的介质层材料和金属材料为常见的fr-4介质板和无氧铜，避免了高昂的材料成本和加工成本。

17、4.本发明提出的频率可调的甚高频超材料完美吸收结构具有低剖面的优点，其结构厚度为4.075mm，约为0.0015λ0(λ0为工作波长)。本发明为工程实践应用提供了灵活的装配方案，同时减小了系统复杂度，有利于系统的紧凑化设计。