一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電磁波和新型人工電磁材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于電磁波完美吸收的基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器?；谙喔煽刂频膭討B(tài)可調(diào)諧吸收器，由介質(zhì)層和人工電磁材料層組成，人工電磁材料層位于介質(zhì)層的兩側(cè)，分別刻蝕在介質(zhì)層的基底上，為人工電磁材料為周期或非周期排列的非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)單元，非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由兩個長度不等的金屬線或弧構(gòu)成，非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)包含2段不等長的金屬線或弧。本發(fā)明操作簡單，通過調(diào)節(jié)控制波的相位、新型人工電磁材料的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和材料屬性，就能夠調(diào)節(jié)吸收器的吸收頻帶，實現(xiàn)對特定頻率的電磁波的選擇性吸收。本發(fā)明同時具有便攜、重量輕、容易集成等優(yōu)點。
【專利說明】一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁波和新型人工電磁材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于電磁波完美吸收的基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器。
【背景技術(shù)】
[0002]吸波技術(shù)主要是利用吸波材料有效吸收入射電磁波并使其散射衰減的一類材料，它通過材料的各種不同的損耗機制將入射電磁波轉(zhuǎn)化成熱能或者是其它能量形式而達到吸收電磁波目的，其中，完美吸收器廣泛應用于光探測器、頻譜成像和測輻射熱儀等領(lǐng)域。新型人工電磁材料的出現(xiàn)，豐富了電磁領(lǐng)域的研究內(nèi)容，也為實現(xiàn)多種新型微波器件、微納器件提供了機遇。
[0003]新型人工電磁材料是利用自然界的常規(guī)材料人工設(shè)計的復合媒質(zhì)，其結(jié)構(gòu)單元的尺度在亞波長量級，可以實現(xiàn)天然材料所沒有的電磁特性，如負折射、完美透鏡、隱身斗篷等。新型人工電磁材料極大地豐富了電磁領(lǐng)域的研究內(nèi)容，實現(xiàn)多種功能性器件，如完美吸收器、偏振器、濾波器和調(diào)制器等?；谛滦腿斯る姶挪牧系奈掌饔捎诮Y(jié)構(gòu)超薄，能夠?qū)崿F(xiàn)對入射電磁波的完美吸收而引起了研究人員的廣泛關(guān)注。2008年，美國研究人員N.1.Landy提出了基于新型人工電磁材料的完美吸收器的概念，利用三層結(jié)構(gòu)，通過合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，使該結(jié)構(gòu)對特定頻率的電磁波既不產(chǎn)生反射也不產(chǎn)生透射，實現(xiàn)了單一頻率電磁波的完美吸收。此后，研究人員設(shè)計了多種不同結(jié)構(gòu)的完美吸收器，研究頻段從微波段擴展到THz頻段、近紅外頻段、可見光頻段。基于新型人工電磁材料的光波段吸收器，厚度約為諧振波長的1/15，實驗上實現(xiàn)了 88%的吸收率。Tao等設(shè)計了 THz頻段的超材料吸收器，在1.3THz處吸收率約 為70%。目前，越來越多的研究工作集中于多頻與寬頻超材料吸收器。Zhang提出了一種基于電諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的THz頻段雙頻吸收器，其在0.45THz與
0.92THz具有高吸收率。Shen設(shè)計一種基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的三頻吸收器，可在4.06GHz，
6.73GHz和9.22GHz分別實現(xiàn)99%，93%和95%的高吸收率。Cummer利用多層諧振環(huán)的組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了相對帶寬為6.1 %的寬頻吸收器。
[0004]以上所述的基于新型人工電磁材料的完美吸收器，都無法實現(xiàn)吸收率的動態(tài)調(diào)控，且具有固定的工作頻率，無法實現(xiàn)工作頻率的切換。基于相干控制的電磁波完美吸收結(jié)構(gòu)是利用新型人工電磁材料的諧振特性，通過調(diào)節(jié)單元和相干波的參數(shù)來實現(xiàn)對電磁波的零反射和零透射，從而實現(xiàn)對特定頻率電磁波的選擇性吸收，并且可以動態(tài)控制電磁波的吸收率。利用相干特性的可調(diào)諧吸收器相比于傳統(tǒng)材料，制作簡單、操作方便、成本大幅降低，能夠動態(tài)控制吸收率與切換工作頻率，具有很大的潛在應用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種傳統(tǒng)材料，制作簡單、操作方便、成本大幅基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:[0007]基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，由介質(zhì)層和人工電磁材料層組成，人工電磁材料層位于介質(zhì)層的兩側(cè)，分別刻蝕在介質(zhì)層的基底上，為人工電磁材料為周期或非周期排列的非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)單元，非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由兩個長度不等的金屬線或弧構(gòu)成，非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)包含2段不等長的金屬線或弧。
[0008]非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為微米或者百納米量級，單元結(jié)構(gòu)為金屬材料；介質(zhì)層的基底的材料為PCB材料、半導體材料、玻璃，厚度為毫米或者百微米量級。
[0009]基底厚度為1.6毫米，材料是PCB，介電常數(shù)ε = 4.05-0.05i，每個人工電磁材料單元的尺寸為15毫米X 15毫米，金屬弧的材料是銅，金屬弧對應的角度為α =140度和β = 160度，內(nèi)徑r = 5.6毫米,外徑R = 6.4毫米,厚度t = 35微米。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:
[0011]本發(fā)明制作簡單，加工方便。利用成熟的PCB加工技術(shù)或者微納加工技術(shù)可以完成對本發(fā)明的加工。傳統(tǒng)的吸波材料需要復雜的工序，并且價格昂貴。本發(fā)明具有選擇性吸收特性，此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對特定頻率的電磁波的選擇性吸收，在雷達隱身、成像以及測輻射儀等領(lǐng)域均有更加廣闊的應用前景。本發(fā)明操作簡單，通過調(diào)節(jié)控制波的相位、新型人工電磁材料的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和材料屬性，就能夠調(diào)節(jié)吸收器的吸收頻帶，實現(xiàn)對特定頻率的電磁波的選擇性吸收。本發(fā)明同時具有便攜、重量輕、容易集成等優(yōu)點，較傳統(tǒng)的吸波材料，本發(fā)明僅為單層，厚度小、重量輕、易于共形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器的基本結(jié)構(gòu)單元的示意圖。
[0013]圖2是基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器的基本結(jié)構(gòu)單元前后視圖。
[0014]圖3是基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器的工作原理圖。
[0015]圖4是基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器工作時，控制波與信號波的相位差為O度(實線)和180度(虛線)時的仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0017]圖中:1.基底,2.金屬弧,3.金屬弧,4.信號波,5.控制波。
[0018]一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，屬于電磁波和新型人工電磁材料領(lǐng)域。本發(fā)明公開了一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，其特征在于，采用雙層的新型人工電磁材料，在多個頻段實現(xiàn)了對電磁波的動態(tài)可調(diào)諧吸收。所述的相干控制吸波器包括介質(zhì)層和雙新型人工電磁材料層，雙新型人工電磁材料層位于介質(zhì)層的兩側(cè)，其中新型人工電磁材料為周期性排列的非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)，每個非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由兩個長度不等的金屬弧構(gòu)成，新型人工電磁材料為亞波長結(jié)構(gòu)。所述的動態(tài)可調(diào)諧吸收由兩束相干波完成，即信號波和控制波，具有相同的振幅和波長，沿垂直于新型人工電磁材料的方向相向傳播，通過調(diào)節(jié)控制波與信號波之間的相位差，可以實現(xiàn)多頻帶電磁波吸收的動態(tài)可調(diào)諧控制。本發(fā)明所述的基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器制作工藝簡單、成本低，適用于各個頻段，在微波器件、隱身、光吸收器等領(lǐng)域有很大的應用前景。
[0019]一種基于相干控制的新型人工電磁材料動態(tài)可調(diào)諧吸收器，采用雙層的新型人工電磁材料，在多個頻段實現(xiàn)了對電磁波的動態(tài)可調(diào)諧吸收。所述的相干控制吸波器包括介質(zhì)層和雙新型人工電磁材料層，雙新型人工電磁材料層位于介質(zhì)層的兩側(cè)，其中新型人工電磁材料為周期性或非周期排列的非對稱開口環(huán)基本結(jié)構(gòu)單元，每個非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由兩個長度不等的金屬線或弧構(gòu)成，新型人工電磁材料為亞波長結(jié)構(gòu)，存在層間結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角。所述的動態(tài)可調(diào)諧吸收由兩束相干波完成，即信號波和控制波，具有相同的振幅和波長，沿垂直于新型人工電磁材料的方向相向傳播，通過調(diào)節(jié)控制波與信號波之間的相位差，可以實現(xiàn)多頻帶電磁波吸收的動態(tài)可調(diào)諧控制。雙新型人工電磁材料層分別刻蝕在基底兩側(cè)，為周期或非周期結(jié)構(gòu)。雙新型人工電磁材料層的結(jié)構(gòu)單元相同，層間存在任意旋轉(zhuǎn)角。新型人工電磁材料的基本結(jié)構(gòu)單元是非對稱性的，每層新型人工電磁材料的基本結(jié)構(gòu)單元包含2段不等長的金屬線或弧。新型人工電磁材料的基本結(jié)構(gòu)單元厚度為微米或者百納米量級，單元結(jié)構(gòu)為金屬材料，可以為金、銀、鋁或銅等。新型人工電磁材料的基底材料為PCB材料、半導體材料、玻璃等，厚度為毫米或者百微米量級。信號波和控制波具有相同的波長與振幅，相向傳播，入射到新型人工電磁材料的兩側(cè)。相干控制由信號波與控制波的相互作用實現(xiàn)，兩束相向傳播的相干波形成駐波，調(diào)節(jié)控制波的相位，即動態(tài)調(diào)控新型人工材料與駐波的波節(jié)、波腹之間的相互作用，完成多頻段電磁波完美吸收的相干控制，實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)諧吸收器。
[0020]本發(fā)明的目的是利用新型人工電磁材料的諧振特性，提供一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器。這種電磁波吸收器可以對不同頻率電磁波的選擇性吸收，且效果良好。基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器由新型人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)組成，具有加工簡單、成本低、厚度薄、重量輕等特點，易于和被隱身的物體共形，因此具有很高的實用價值。
[0021]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，它由一個雙層的人工電磁結(jié)構(gòu)組成。一束信號波以一定波長垂直入射到新型人工電磁材料上，另一束與信號波互為相干波的控制波，以同樣的振幅和波長相向傳播，通過改變控制波的相位和新型人工電磁材料的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和材料屬性，可以實現(xiàn)對特定頻率信號波的選擇性吸收。
[0022]基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器包括基底和雙層新型人工電磁材料，基底位于雙層新型人工電磁材料之間，作為雙層人工電磁材料的基底或者間隔層來支撐雙層新型人工電磁材料；每層新型人工電磁材料由周期性排列的新型人工電磁材料基本單元構(gòu)成，兩層的基本單元結(jié)構(gòu)完全相同，但存在結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角，基本單元存在結(jié)構(gòu)的非對稱性，此結(jié)構(gòu)不發(fā)生偏振極化和正交偏振傳輸。每層開口環(huán)結(jié)構(gòu)單元由兩段一定長度的金屬線或弧構(gòu)成，開口環(huán)周期性結(jié)構(gòu)刻蝕在基底兩側(cè)，并沿X和Y方向進行周期延拓。所述的新型人工電磁材料的金屬弧的材料，可以為金、銀、鋁、銅等。所述的新型人工電磁材料的基底通常采用PCB材料、半導體材料、玻璃等，厚度為毫米或者百微米量級。
[0023]在信號波的傳播方向上測量通過新型人工電磁材料的信號波，獲取新型人工電磁材料的吸收率。在沒有新型人工電磁材料的情況下，相向傳播的信號波和控制波形成駐波。一個信號源提供一定的波長信號波，垂直地向新型人工電磁材料傳播，另一個控制源提供控制波，此波與信號波互為相干波，其振幅和波長均與信號波相同。若將新型人工電磁材料放置在駐波的節(jié)點或波腹位置，即信號波和控制波的相位相差為O度和180度。通過調(diào)節(jié)控制波的相位，來設(shè)置信號波與控制波兩束電磁波之間的相位差，相當于新型人工電磁材料的空間位置能夠在信號波和控制波形成的駐波的節(jié)點和波腹之間的進行變換，實現(xiàn)不同頻率信號波吸收的動態(tài)調(diào)控，可以達到多頻段完美吸收的效果。
[0024]該吸收器制造方便、厚度薄、重量輕、易于共形，可以對特定波長的電磁波實現(xiàn)完美的選擇性吸收，在雷達隱身、成像等領(lǐng)域具有重要的應用前景。
[0025]實施例1:
[0026]本實施例由圖1所示的雙層開口環(huán)結(jié)構(gòu)2、3和基底I組成，雙層開口環(huán)周期性地排列在基底兩側(cè)，基底厚度為1.6毫米，材料是PCB，其介電常數(shù)ε = 4.05-0.05i，每個新型人工電磁材料單元的尺寸為15毫米X 15毫米。如圖2所示，圖1所示的結(jié)構(gòu)是基底兩側(cè)的開口環(huán)互相旋轉(zhuǎn)180度，并沿X和Y方向周期性延拓，形成雙層開口環(huán)陣列，每一側(cè)的開口環(huán)均是由兩段長度不同的金屬弧2、3構(gòu)成，金屬弧的材料是銅，所對應的角度分別為α=140度和β = 160度，其內(nèi)徑r = 5.6毫米，外徑R = 6.4毫米，厚度t = 35微米，雙層開口環(huán)周期性地刻蝕在基底兩側(cè)。
[0027]下面再結(jié)合附圖3進一步說明實施方案，首先為相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器設(shè)置一個XYZ坐標軸作為工作平臺，Z軸垂直于動態(tài)可調(diào)諧吸收器的表面。兩束波為信號波4和控制波5，分別由信號源和控制源發(fā)射出。信號波和控制波為相干波，具有相同的波長和振幅，電場極化方向均為X方向，頻率范圍設(shè)定為4-lOGHz，并沿Z軸方向相向通過新型人工電磁材料，與雙層開口環(huán)結(jié)構(gòu)相互作用，電磁波呈現(xiàn)零透射和零反射。根據(jù)吸收率=1-反射率-透射率，該吸收器達到完美的吸波效果。
[0028]在未放置的新型人工電磁材料情況下，控制波和信號波相干涉形成駐波。當將新型人工電磁材料放在節(jié)點或波腹位置時，即信號波和控制波的相位相差O度和180度，新型人工電磁材料單元會強烈的影響信號波的傳播，可以完全吸收某些頻率的電磁波。調(diào)節(jié)控制波的相位，使兩束波產(chǎn)生不同的相位差，實驗結(jié)果顯示，當相位差為O度時，如圖4實線所示，在5.37GHz處吸收率為98.84% ;當相位差為180度時，如圖4虛線所示，在4.95GHz和
5.84GHz處吸收率分別為97.53%和90.50%，由此可見，通過控制波相位的控制，可以變換吸收器的工作頻率，進行選擇性的吸收，3個頻帶的吸收率均超過90%，達到近完美吸收的效果，從而實現(xiàn)了基于相干控制的不同頻率電磁波的選擇性吸收。通過改變吸收器結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和材料屬性，可以實現(xiàn)對任意設(shè)定頻率的電磁波的選擇性吸收，并且效果良好。
[0029]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，由介質(zhì)層和人工電磁材料層組成，其特征在于:人工電磁材料層位于介質(zhì)層的兩側(cè)，分別刻蝕在介質(zhì)層的基底上，為人工電磁材料為周期或非周期排列的非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)單元，非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由兩個長度不等的金屬線或弧構(gòu)成，非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)包含2段不等長的金屬線或弧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，其特征在于:所述的非對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為微米或者百納米量級，單元結(jié)構(gòu)為金屬材料；介質(zhì)層的基底的材料為PCB材料、半導體材料、玻璃，厚度為毫米或者百微米量級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干控制的動態(tài)可調(diào)諧吸收器，其特征在于:所述基底厚度為1.6毫米，材料是PCB，介電常數(shù)ε = 4.05-0.05i，每個人工電磁材料單元的尺寸為15毫米X 15毫米，金屬弧的材料是銅，金屬弧對應的角度為α = 140度和β = 160度，內(nèi)徑r = 5.6 毫米,外徑R = 6.4毫米,厚度t = 35微米。
【文檔編號】G12B17/02GK104021817SQ201410246834
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】史金輝, 聶光宇, 史全超, 朱正, 關(guān)春穎 申請人:哈爾濱工程大學