[发明专利]一种基于树枝结构的超材料吸收器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于树枝结构的超材料吸收器。

背景技术

超材料(Metamaterial)是一种新型人工结构材料，可以实现一系列奇异的电磁特性如 负折射和完美透镜。根据有效媒质理论，超材料的电磁特性可以用有效介电常数和有效磁导 率来表示。通过设计超材料的单元结构，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以方便 地调控其有效介电常数和有效磁导率。利用这个思想，2001年Smith等人在微波段第一次制 备了介电常数和磁导率同时为负的左手材料(Left-handed Metamaterials)，2006年Pendry和 Smith等人设计并制备了电磁隐身斗篷(Cloak)。这两部分工作分别被Science评为2003年和 2006年十大科技进展之一。

由于谐振的本性，超材料在特定频率的电磁场作用下会产生强烈的局域共振，感应出很 强的表面电流，并且在局部范围电场强度急剧增大。因此，超材料在谐振频率附近都具有较 大的金属欧姆损耗以及介电损耗。之前的研究一般都试图尽量减小超材料的损耗，更好地体 现其负磁导率或负折射率特性。但是，超材料中的损耗也具有很多潜在的应用。合理的设计 材料的几何形状以及结构参数，对于入射到超材料表面的电磁波可以确保既不反射也不透射， 达到电磁波完全吸收的科学标准。这种超材料吸收器具有吸收效率高，结构简单，体积小等 优点，可以作为高效的电磁加热装置，也可以应用于电磁波的收集和探测装置，如辐射热测 量仪。

发明内容

本发明的目的是基于树枝状的超材料结构，提供一种工作于X波段的近似100％ 吸收的超材料吸收器。该超材料吸收器由金属树枝电谐振器、介质基板和金属薄膜组成。当 电磁波垂直入射到超材料表面时，金属树枝电谐振器会对电场感应产生电谐振，同时，金属 树枝与金属薄膜在磁场作用下会感应出反平行电流，产生磁谐振。合理的设计超材料的结构 参数，可以使电谐振和磁谐振在给定的频率重叠，分别吸收入射电磁波的电场和磁场能量， 达到100％吸收的科学标准。

附图说明

图1所发明超材料吸收器的(a)树枝单元(正面)及基本结构参数，(b)金属薄膜(背面)，(c)晶格 间距。

图2所发明超材料吸收器A-1的结构示意图(正面)。

图3所发明超材料吸收器A-1、A-2、A-3的反射幅值(S₁₁)曲线。

图4所发明超材料吸收器A-1、A-2、A-3的透射幅值(S₂₁)曲线。

图5所发明超材料吸收器A-1、A-2、A-3的吸收(Absorption)曲线。

具体实施方式

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm、相对介电常数为4.9、损耗角正切 为0.025的环氧酚醛玻璃纤维介质基板的一面刻蚀金属树枝阵列，另一面保留为金属薄膜， 如图2所示。金属树枝的三级分支长度分别为a、b、c，线宽为w＝0.3mm，夹角为θ＝45°，单 元晶格间距为d(图1)。金属树枝和金属薄膜的表面做了镀锡处理以减缓氧化，处理后的金属 覆层厚度均约为0.03mm。通过德国商用电磁仿真软件CST Microwave Studio反复优化确定 结构参数。通过改变金属树枝的三级分支长度a、b、c以及单元晶格间距为d，得到在X波 段的超材料吸收器。当电磁波垂直入射到树枝表面时既不反射也不透射，达到100％吸收的标 准。

本发明的实现过程和材料性能由实施例和附图说明：

实施例一：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm的环氧酚醛玻璃纤维PCB基板的一面上刻蚀出 金属树枝状结构单元阵列，另一面为金属薄膜。金属树枝的三级分支长度分别为a＝1.2mm、 b＝0.9mm、c＝0.8mm，单元晶格间距为d＝10.0mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为130mm× 130mm，完成所发明超材料吸收器A-1的制作。超材料吸收器A-1的S₁₁、S₂₁曲线如图3，4 所示。图中可以看出，在9.13GHz附近，S₁₁达到最小值0.035，S₂₁曲线恒等于0。吸收率可 以表示为A(ω)＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²。从图5的吸收曲线可以看出，在9.13GHz时，吸收率达到99.88％。