一种用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构的制作方法

本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构。

背景技术：

超材料是一种新型人工合成材料，是由介质材料制成的基板和基板表面或内部的人工设计微结构组成，微结构可以根据设计需求呈现多种排列方式，从而形成超材料的周期单元。超材料作为一种新兴且具有超常电磁特性的人工复合材料和常规材料相比较拥有结构简洁、制作方便、易于集成等实际优势，不论在工程应用还是在科学研究都具有广阔前景。

近年来超材料在吸波材料设计的领域发展迅速。传统吸收材料例如铁氧体、金属微粉、碳化硅、导电纤维等存在厚、重、稳定性差的等缺点，应用范围受到限制，超材料利用表面共振单元的设计，可以实现例如增强表面透射、降低辐射、增强吸收等响应特性，同时利用结构组合对等效介电常数和磁导率进行调控，可以克服衍射效应给传统吸波材料带来的厚度限制，在有限的结构上实现不同的性能。

目前基于超材料的极化不敏感、宽入射角、多频带，宽频带等吸波材料都有实现，但是在设计时主要考虑的是增强吸收率，对于超材料吸波结构自身的辐射关注较少，在某些特定探测或者成像环境中，不仅要结构的吸收效率高，同时也要降低自身辐射对探测的干扰。上述问题亟待解决，为此，提出一种用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：如何在达到增强吸收和降低辐射作用的同时，解决结构复杂、加工难度大、吸收带宽小等问题，提供了一种用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构，使超材料吸波结构可以实现降低表面辐射并且保证吸收效率，同时可以通过合理设计结构参数达到宽带吸收的效果。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括自上而下依次设置的金属结构层、介质层、金属薄膜层，所述介质层设置在所述金属结构层与所述金属薄膜层之间，所述金属结构层包括多个沿x轴和y轴方向呈周期性排布的周期单元，一个所述周期单元内包括一个吸收单元与一个沿y轴方向设置的金属线栅，沿x轴方向设置的各周期单元中所述金属线栅相互平行，沿y轴方向设置的各周期单元中所述金属线栅为一体。

更进一步地，所述金属薄膜层为一层连续的金属薄膜。

更进一步地，所述金属薄膜、所述金属结构层的材质均为金、银、铜中任一种。

更进一步地，所述介质层的材料为高损耗介质材料。

更进一步地，所述介质层的材料为fr4、聚酰亚胺材料中任一种。

更进一步地，所述吸收单元包括多个共振结构，各所述共振结构分布在所述吸收单元的区域内。

更进一步地，每个所述结构对应不同的吸收峰，在吸收峰相应的频率下发生共振，通过多个吸收峰的叠加实现宽带吸收。

更进一步地，多个所述共振结构分别为五个不同尺寸的正交十字型结构、两个相同尺寸的矩形结构和一个圆形结构，矩形结构与圆形结构均设置在所述吸收单元的区域边缘位置，沿x轴方向设置，五个不同尺寸的所述正交十字型结构设置在所述吸收单元的区域中间位置。

更进一步地，五个不同尺寸的所述正交十字型结构包括一个大十字型结构与四个小十字型结构，四个所述小十字型结构分布在所述大十字型结构的周围。

更进一步地，所述超材料吸波结构吸收率的计算公式为：

a＝1-r-t

其中，r为反射率，t为透射率。

本发明相比现有技术具有以下优点：该用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构，通过吸收单元的结构设计，可以实现单一频率或者宽带吸收的功能；增加线栅结构可以一定程度上阻挡介质层的向外辐射能量，在保证吸收的前提下减小辐射；并且结构简单便于加工，可以大批量生产，结构限制较小，所用材料皆为常规材料，易于实现，同时，设计方案灵活，可以设计在微波和毫米波以及太赫兹频段，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中超材料吸波结构的主视图；

图2是本发明实施例二中金属结构层的局部俯视结构示意图；

图3是本发明实施例二中金属结构层一个周期内的俯视结构示意图；

图4是本发明实施例二中金属结构层在工作频段的透射率频谱图；

图5是本发明实施例二中超材料吸波结构在工作频段正入射情况下吸收率频谱图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构，包括三层结构，由下至上依次为金属薄膜层、介质层和金属结构层，中间介质基板层设置在金属结构层和金属薄膜层之间。所述金属薄膜层为一层连续的金属薄膜，材料优选为金、银或铜，厚度0.03mm～0.05mm较佳。所述介质层优选高损耗介质，例如fr4、聚酰亚胺等材料(材料本身具有较大的介电常数虚部)。介质层的厚度影响超材料吸波结构的吸收效果，设计时根据超材料吸波结构适用的工作频段，优化厚度参数。所述金属结构层包括金属线栅图案和吸收单元，并且沿着金属结构层上相互垂直的x轴和y轴方向呈周期性排布，厚度为0.03mm～0.05mm较佳。

当电磁波入射到所述超材料吸波结构上，在吸收单元、介质层2之间激发电磁共振，同时，由于介质层2的材料本身具有较大的介电常数虚部，可以增强超材料吸波结构对入射电磁波的吸收。介质层2同时也会向外辐射电磁波，金属结构层3增加的线栅图案可以一定程度上阻挡介质层2辐射的电磁波向外辐射，整体实现增强吸收和降低辐射的作用。

吸收单元包括n个金属共振结构，每个吸收单元在x轴方向和y轴方向上的尺寸均小于金属线栅图案在y轴方向的一个周期长度。根据所需的工作频段以及吸收带宽，吸收单元的每个共振结构可以是完全相同的形状，也可以是多个不同形状、不同尺寸参数的图案。例如，实现宽带吸收，则需要设计不同尺寸的共振结构，每个金属共振结构对应不同的谐振频率，在对应的谐振频率下发生共振形成吸收峰，通过多个吸收峰的叠加实现宽带吸收。仿真计算单金属图案层的透过率，优化金属线栅的宽度以达到减小透射率的效果。

本发明所述一种用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构，其吸收率的计算公式为：

a＝1-r-t

其中，r为反射率，t为透射率。

为了使所述吸收率a最大化，故要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的所述吸波单元中所述下层金属底板反射层3为全金属，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此所述吸收率a的计算公式可简化为a＝1-r。反射率r可以通过电磁仿真及实验测试所得的s11参数计算得到。

实施例二

本实施例增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构，工作频段为w波段，能够实现宽带吸收效果。如图1所示，图1为所述超材料吸波结构的主视图，在本实施例中，所述金属薄膜层1选用材料为铜，厚度为0.03mm，采用金属基底可极大减小电磁波的透射，在计算吸收效率时可以忽略透射影响。所述介质层2采用fr4损耗介质，厚度为0.18mm，所述金属结构层3材料为铜，厚度为0.03mm。

本实施例的超材料吸波结构工作频段为w波段，即在75～110ghz实现宽带吸收效果。图2为金属结构层3的局部俯视结构示意图。图3为金属结构层3一个周期(虚线方框内)内的俯视结构示意图，每个周期由五个不同尺寸的正交十字型结构、两个相同尺寸的矩形和一个圆形结构组成的吸收单元，加上边缘的金属线栅构成，在整个金属结构层3上沿x轴和y轴方向周期性排列，周期为3.08mm。线栅宽度为0.68mm，沿着y轴方向延伸；中间正交十字型结构的两个边长分别为0.8mm和0.85mm，周围四个正交十字型结构的尺寸相同，两个边长分别为0.74mm和0.65mm；矩形的长和宽分别为0.5mm和0.2mm，圆形贴片的直径为0.5mm。所述金属共振结构的尺寸均小于周期3.08mm，而且每个金属共振结构排布均在金属线栅之间的中间区域，与两侧平行的线栅不重叠。吸收单元内的共振结构(分别为五个不同尺寸的正交十字型结构、两个相同尺寸的矩形、一个圆形结构)分别对应不同的谐振频率，在对应的谐振频率下发生共振形成吸收峰，通过多个吸收峰的叠加实现宽带吸收。

图4为金属结构层3仿真计算的透过率，如图4所示，在w波段的透过率普遍低于20％，因此对于介质层2的电磁波对外辐射具有一定的降辐效果。

图5为本实施例的超材料吸波结构在w波段对正入射电磁波的吸收结果，基于实施例一中所述吸收率a的计算公式，在整个频谱范围内透射率t忽略不计，如图5所示，本实施例的超材料吸波结构在w波段具有很好的吸收效果，而且本发明实现了宽带吸收的特性。同时可以看出，通过调整所述吸收单元的共振结构数量、形状、尺寸以及排列，可以实现吸收带宽的调控。

需要说明的是，金属共振结构不一定是本实施例中的形状，也可以是圆片、环形、矩形、雪花形状等等，数量也可以增加或者减少。

综上所述，上述实施例的用于增强吸收降低表面辐射的超材料吸波结构，通过吸收单元的结构设计，可以实现单一频率或者宽带吸收的功能；增加线栅结构可以一定程度上阻挡介质层的向外辐射能量，在保证吸收的前提下减小辐射；并且结构简单便于加工，可以大批量生产，结构限制较小，所用材料皆为常规材料，易于实现，同时，设计方案灵活，可以设计在微波和毫米波以及太赫兹频段，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。