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一種單頻/雙頻電磁超介質吸波材料.pdf

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一種 雙頻 電磁 介質 材料
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摘要
申請專利號:

CN201210427068.9

申請日:

2012.10.31

公開號:

CN102931495B

公開日:

2015.01.28

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有權

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IPC分類號: H01Q17/00 主分類號: H01Q17/00
申請人: 電子科技大學; 無錫成電科大科技發展有限公司
發明人: 文光俊; 黃勇軍; 王黃騰龍
地址: 214135 江蘇省無錫市新區太科園中國傳感網大學科技園立業樓A區402室
優先權:
專利代理機構: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249 代理人: 陸菊華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210427068.9

授權公告號:

102931495B|||||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2013.12.18|||2013.04.17|||2013.02.13

法律狀態類型:

授權|||著錄事項變更|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開一種單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,所述吸波材料的基材為PCB基板,在PCB基板的一面刻蝕有周期排列的雪花狀諧振結構;所述雪花狀諧振結構是由主臂和主臂上的次級臂構成的層級結構,其中,主臂有三條,且三條主臂的中心均相交于同一點,三條主臂相互成60度角,至多只有兩條主臂的長度相等;所述主臂上的次級臂呈中心對稱分布。該吸波材料在微波頻段內可以通過改變諧振單元臂長的長短來實現單頻/雙頻的轉換并且智能調節雙頻吸波的工作頻段。

權利要求書

權利要求書一種單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,所述吸波材料的基材為PCB基板,其特征在于:在PCB基板的一面刻蝕有周期排列的雪花狀諧振結構;所述雪花狀諧振結構是由主臂和主臂上的次級臂構成的層級結構,其中,主臂有三條,且三條主臂的中心均相交于同一點,三條主臂相互成60度角,至多只有兩條主臂的長度相等;所述主臂上的次級臂呈中心對稱分布。
根據權利要求1所述單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,其特征在于:所述主臂臂長4.4~6.0mm,臂寬0.3mm。
根據權利要求1所述單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,其特征在于:所述次級臂臂長1.1mm,臂寬0.2mm。
根據權利要求1所述單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,其特征在于:所述次級臂與主臂的夾角為60度。
根據權利要求1所述單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,其特征在于:所述次級臂距中心距離為1.65mm。

說明書

說明書一種單頻/雙頻電磁超介質吸波材料
技術領域
本發明屬于微波電磁材料領域,具體涉及一種實現單頻/雙頻轉換的電磁超介質吸波材料。
背景技術
2000年,D.R. Smith等人基于J.B. Pendry提出的構造單負介電常數超材料、單負磁導率超材料的思想,首次人工合成出在X波段等效介電常數和等效磁導率同時為負的負折射率微波材料,實現了1968年前蘇聯科學家V.G. Veselago所預言的理想負折射率材料。2008年,Landy等人提出了一種完美超介質吸波材料的概念,通過合理的設計和選擇參數,這種電磁諧振器超材料能夠對入射電磁波的電磁分量分別產生耦合,從而在一個給定的頻帶內對入射到超材料表面的電磁波既不產生反射也不產生透射,實現完美吸收。現有的多頻超介質吸波材料主要是利用多個大小不同、結構相似的諧振單元組合而成,通過不同諧振單元工作頻段不同達到多個頻段,其工作頻段的調控較難實現,并且無法實現單頻/多頻工作頻段的轉換,從而限制了超介質吸波材料的實際應用。 
發明內容
本發明的目的是解決現有電磁超介質吸波材料無法實現單頻/多頻工作頻段的轉換,提供一種實現單頻/雙頻工作頻段轉換以及雙頻頻段智能控制的電磁超介質吸波材料。
本發明實現上述目的所采用的技術方案如下:
一種單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,所述吸波材料的基材為PCB基板,在PCB基板的一面刻蝕有周期排列的雪花狀諧振結構;所述雪花狀諧振結構是由主臂和主臂上的次級臂構成的層級結構,其中,主臂有三條,且三條主臂的中心均相交于同一點,三條主臂相互成60度角,至多只有兩條主臂的長度相等;所述主臂上的次級臂呈中心對稱分布。
進一步,所述主臂臂長4.4~6.0mm,臂寬0.3mm。
進一步,所述次級臂臂長1.1mm,臂寬0.2mm。
進一步,所述次級臂與主臂的夾角為60度。
進一步,所述次級臂距中心距離為1.65mm。
本發明所述的單頻/雙頻電磁超介質吸波材料,其基本結構單元為雪花狀諧振結構。相同幾何參數的雪花狀諧振結構按照一定的周期間隔排列而成,該吸波材料在微波頻段內可以通過改變諧振單元臂長的長短來實現單頻/雙頻的轉換并且智能調節雙頻吸波的工作頻段。
附圖說明
圖1為本發明具有雪花狀諧振結構的單頻/雙頻電磁超介質吸波材料樣品(左)以及單元結構尺寸示意圖(右)。
圖2(a)L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3從6.0mm變化到4.4mm時的吸波率數值仿真結果;(b)L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3從6.0mm變化到4.4mm時的吸波率實際測試結果。
圖3(a)L1=5.8mm,L3=4.4mm,L2從6.0mm變化到4.4mm時的吸波率數值仿真結果;(b)L1=5.8mm,L3=4.4mm,L2從6.0mm變化到4.4mm時的吸波率實際測試結果。
圖4(a)L2=6.0mm,L3=4.4mm,L1從5.8mm變化到4.6mm時的吸波率數值仿真結果;(b)L2=6.0mm,L3=4.4mm,L1從5.8mm變化到4.6mm時的吸波率實際測試結果。
圖5(a)L1=5.8mm,L2=L3=6.0mm,在9.85GHz處諧振單元表面電流分布圖;(b)L1=5.8mm,L2=L3=4.4mm,在10.68GHz處諧振單元表面電流分布圖;(c)L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3=4.4mm,在9.95GHz處諧振單元表面電流分布圖;(d)L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3=4.4mm,在10.36GHz處諧振單元表面電流分布圖。
具體實施方式
本發明所提出的可調諧雪花狀單頻/雙頻電磁超介質吸波材料示意圖如圖1所示,該結構為層級結構,三條主臂分別為L1、L2和L3,主臂L1、L2和L3的中心相交在同一點,且三條主臂相互成60度夾角,至多只有兩條主臂的長度相等;每條主臂上各有四個對稱的次級臂,各主臂上的次級臂距離諧振結構的中心距離相同,呈中心對稱分布,次級臂與主臂的夾角為60度。
在以下實施例中采用環氧樹脂PCB基板,PCB板的兩面均為金屬銅,中間介質為絕緣層,如FR4板材(介質厚度為0.8mm,其相對介電常數                                                ,損耗角正切;兩面的金屬銅的厚度為0.018mm),在PCB基板的一面刻蝕出雪花狀金屬諧振結構。該諧振結構主臂臂長4.4mm~6.0mm,臂寬0.3mm;次級臂臂長1.1mm,臂寬0.2mm,次級臂距中心距離為1.65mm,該諧振結構的排列周期8mm。
本發明的工作機理如下:
本發明所提及的超介質吸波材料中雪花狀諧振結構單元陣列在入射電磁波作用下能產生電諧振響應,其宏觀特性對應于有效介電常數;單元諧振結構與介質基板背面的銅板之間同時產生磁諧振響應,其宏觀特性對應于有效磁導率。調節諧振結構單元的形狀大小以及諧振結構與銅板之間的距離(即介質基板的厚度),可使得,因此其歸一化阻抗,與自由空間Z0阻抗匹配,反射系數。調節優化參數的同時,保證有效介電常數以及磁導率的虛部同時最大化,從而使得表征介質吸波損耗效應的參數以及最大化。而介質板背面的銅板使得傳輸系數,因此改吸波材料的吸波率可定義為,達到完美吸波。
 一般的吸波材料都采用軸對稱諧振單元結構,在軸對稱諧振單元結構產生諧振時,單元的表面電流也是對稱的,從而實現電諧振特性。一個簡單的諧振結構只能產生一個諧振頻段,使用不同諧振單元結構相組合或者相連接能達到多頻段諧振的效果,但是較難控制其諧振頻率。而本發明與其他諧振單元的最大不同點在于,簡單調節雪花狀諧振結構的主臂臂長使得其中兩個主臂相等時(其為軸對稱結構),可以得到單一的工作頻段。而當調節主臂臂長不相等時,使得諧振結構為非對稱結構。在諧振頻率附近,其表面電流表現出旋轉對稱,同樣能實現電諧振,因此可以實現共振吸波特性。而且在非對稱情況下,該單元結構可實現雙頻共振吸波特性,其雙頻共振頻率可進一步地由調節其主臂臂長調節。
實施例一
    采用電路板刻蝕技術,在厚度為0.836mm 的FR4板材一面刻蝕出周期排列的雪花狀金屬諧振結構(按照設計的圖案,將該面多余的金屬銅刻蝕去掉后,余下的銅即為雪花狀金屬諧振結構),其中,諧振結構單元的主臂臂長L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3從6.0mm以步長0.4mm變化到4.4mm,主臂臂寬a=0.3mm,次級臂臂長d=1.1mm,次級臂臂寬b=0.2mm,次級臂距中心距離c=1.65mm,相鄰諧振結構單元間距8mm,雪花狀金屬諧振結構以及FR4板材另一面的金屬銅厚度均為0.018mm。制得五組樣品,其吸波率仿真以及測試結果如圖2所示,其中(a)為數值仿真結果,(b)為樣品測試結果。由圖2(a)可知,L3=6.0mm時,該諧振結構為軸對稱結構,僅在9.85GHz處有一個吸波頻段。在L3從5.6mm變化到4.4mm時,單一吸波頻段變為雙頻吸波,并且第一個吸波頻段在L3減小時頻率緩慢增加,吸波率下降;第二個吸波頻段在L3減小時頻率快速增加,吸波率升高。圖5(a)為L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3=6.0mm時諧振單元的表面電流圖,由圖可知,表面電流軸對稱,因此只有一個吸波頻段。
實施例二
    采用電路板刻蝕技術,在厚度為0.836mm 的FR4板材一面刻蝕出周期排列的雪花狀金屬諧振結構(方法同實施例一),其中,諧振結構單元的主臂臂長L1=5.8mm,L3=4.4mm,L2從4.4mm以步長0.4mm變化到6.0mm,主臂臂寬a=0.3mm,次級臂臂長d=1.1mm,次級臂臂寬b=0.2mm,次級臂距中心距離c=1.65mm,相鄰諧振結構單元間距8mm,雪花狀金屬諧振結構以及FR4板材另一面的金屬銅厚度均為0.018mm。制得五組樣品,其吸波率仿真以及測試結果如圖3所示,其中(a)為數值仿真結果,(b)為樣品測試結果。由圖3(a)可知,L2=4.4mm時,諧振結構為對稱結構,僅在10.68GHz處有一個吸波頻段。在L2從4.8mm變化到6.0mm時,單一吸波頻段變為雙頻吸波,并且第一個吸波頻段在L2增大時頻率快速增加,吸波率下降;第二個吸波頻段在L2增大時頻率緩慢增加,吸波率升高。圖5(b)為L1=5.8mm,L3=4.4mm,L2=4.4mm時諧振單元的表面電流圖,由圖可知,表面電流軸對稱,因此只有一個吸波頻段。
實施例三
    采用電路板刻蝕技術,在厚度為0.836mm 的FR4板材一面刻蝕出周期排列的雪花狀金屬諧振結構(方法同實施例一),其中,諧振結構單元的主臂臂長L2=6.0mm,L3=4.4mm,L1從5.8mm以步長0.4mm變化到4.6mm,主臂臂寬a=0.3mm,次級臂臂長d=1.1mm,次級臂臂寬b=0.2mm,次級臂距中心距離c=1.65mm,相鄰諧振結構單元間距8mm,雪花狀金屬諧振結構以及FR4板材另一面的金屬銅厚度均為0.018mm。制得四組樣品,其吸波率仿真以及測試結果如圖4所示,其中(a)為數值仿真結果,(b)為樣品測試結果。由圖4(a)可知,該種情況下出現了兩個吸波頻帶,L1的長度降低時,兩個諧振頻段同時升高,并且第一個吸波頻段吸波率上升,第二個吸波頻段吸波率下降。圖5(c)和(d)為L1=5.8mm,L2=6.0mm,L3=4.4mm,在入射波頻率為9.95GHz和10.36GHz時諧振單元的表面電流圖,由圖可知,表面電流在兩個頻點均為旋轉對稱的,因此有兩個吸波頻段。
    由實施例可知,通過改變主臂的長度,本發明可以進行單頻/雙頻的轉換并且對雙頻頻段進行簡單控制。

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