一种基于FR4全介质电磁超材料的频率选择器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于FR4全介质电磁超材料的频率选择器，属于电磁吸波超材料领域。本发明专利技术为了用于电磁屏蔽和雷达隐身并且克服金属吸波器的固有问题，我们提出一种基于FR4材料的全介质超材料完美可调频率选择器，可以在19.67GHz频率下产生S

【技术实现步骤摘要】
一种基于FR4全介质电磁超材料的频率选择器


[0001]本专利技术涉及电磁超材料领域，特别涉及全介质超材料吸波器件。在实际应用中具有在19.67GHz频率下吸收电磁波的能力。

技术介绍

[0002]随着电磁波在社会中逐渐广泛的应用，人们愈发重视过量电磁辐射下对人的伤害。而在于军事上，雷达的电磁隐身各国也一直争先发展。在微波波段，频率的选取表面应用于雷达天线罩的吸波、多频天线的副反射器、双工器以及极化鉴别器等等领域。
[0003]传统频率选择器通常由表面复杂的金属图案，和中间介质层以及底部反射层构成。但金属结构具有的低熔点，欧姆损耗高，易破裂易碎和热传导性高的特点，导致其不能有效的适应各类环境，因此应用发展受到了限制；传统的频率选择器结构复杂，传统上重量大、体积小的金属结构，增加了设计和制作的难度。因此本文以FR4为介质的超材料设计了一种基于全介质电磁超材料的频率选择器，进一步解决了传统吸波结构的这些问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了用于电磁屏蔽和雷达隐身并且克服金属频率选择器的固有问题，我们提出一种基于FR4材料的全介质电磁超材料的频率选择器，可以在19.67GHz频率下产生S
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参数为
‑
20dB以下的吸收峰。电磁波吸收率大于90％。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：通过设计特定频率下FR4结构单元的大小结构，形成介质空气层，使得该结构阵列与电磁波发生耦合谐振达到吸波效果。其特征在于，包括：
[0006]主体结构由顶部三维FR4结构阵列和底面PEC反射层组成。
[0007]所述的顶部的三维FR4结构单元如图1(a)所示，分别由两个互相垂直交叉的椭圆台组成的无棱角十字形和长方体底部平台组成。其长方体底部平台为长宽p＝30mm、高度h＝5mm，无棱角十字形高度h1＝10mm，组成十字形椭圆台长短轴分别为12mm、1mm。
[0008]所述的底面PEC反射层结构单元如图一所示，为长宽30mm，高度0.5mm的长方体层附着在FR4结构下。
[0009]通过设计全介质超材料单元尺寸结构形状，不同的结构可以激发不同的谐振模式，在亚波长条件下，谐振点处可以发生介电常数和磁导率的双负特性，而双负材料很难在自由空间阻抗匹配，因此实现带阻。
[0010]本专利技术的有益效果是：
[0011](1)使用FR4材料全介质超材料的结构设计避免了传统金属频率选择器易破碎、热传导性高、欧姆损耗高、对环境的适应能力较差等缺点，体积小，成本低，易进行大规模低成本制备；
[0012](2)以在19.67GHz频率下产生S
11
参数为
‑
20dB以下的吸收峰。电磁波吸收率大于90％。
[0013](3)该材料采用中心对称设计，对极化不敏感。
附图说明
[0014]图1(a)为超材料单元结构的结构图；图1(b)为完整阵列结构示意图；
[0015]图2(a)为S
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反射频谱，图2(b)为吸收曲线；
[0016]图3表示本专利技术中超材料吸波器在频率f＝19.67GHz处磁场分布；
[0017]图4表示本专利技术中超材料吸波器在频率f＝19.67GHz处表面电流分布；
具体实施方式
[0018]为使本专利技术实施的方法、目的及技术方案更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的技术方案，性能指标进行更加详细的描述。
[0019]图1(a)为该全介质吸波器单元的设计，图1(b)为由该全介质吸波器单元组成的阵列。我们采用基于商业有限积分技术(FIT)的软件对所提出的全介电结构的电磁性能进行了仿真研究。在基础的x和y方向上应用了周期边界条件，在z方向上应用了开放边界。激发源被选择为入射到
‑
Z方向上传播的平面波。此外，由于该结构具有旋转对称性，吸收器可以在极化条件下工作。
[0020]底部由PEC材料覆盖，由于其对电磁波的阻挡，该吸波器没有透射(S
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)，因此由公式A(ω)＝1
‑
R(ω)＝1
‑
|S
112
|(其中R(ω)为反射率，S
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为反射系数)可知，该吸波器的吸收性能可用反射系数S11来进行标示。而对于每一个吸收峰来说，当S
11
小于
‑
10dB时，吸收率为90％。如图2(a)所示19.67GHz频率下产生S
11
参数为
‑
20dB以下的吸收峰，在图2(b)中我们更详细的描述了频率和吸波程度的关系，在19.67GHz频率下吸收率大于90％。
[0021]为了了解吸收的物理机制，我们计算了f＝19.67GHz吸收峰下电磁场分布。从图3可以看出，在f＝19.67GHz处，电场在介质单元阵列中部介质
‑
空气界面区域增强。这种现象可用驻波理论来解释。当在同一条直线上沿相反方向运动的两个振幅相同的波相互叠加时，就产生了定常波。
[0022]表面电流(Surface Current)分布(图4)给出了结构内部吸收情况的更详细说明。增强的电场和PLD分布证实了功率损耗主要是由电谐振引起的。在均匀的低介电常数介质板中引入强电共振或强磁共振是困难的。然而，该设计单元的形成了介质
‑
空气界面，在那里更容易发生谐振现象。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FR4全介质电磁超材料的频率选择器，用于电磁吸波超材料领域，其特征在于，包括：通过设计FR4结构单元的大小结构，使得由该单元组成的结构阵列与电磁波发生耦合谐振达到吸波效果，主体结构由顶部三维FR4结构和底面PEC反射层组成，FR4结构分别由两个互相垂直交叉的椭圆台组成的无棱角十字形和长方体底部平台组成，无棱角十字...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金荣，龚慧慧，肖丙刚，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：