[发明专利]一种超材料吸波器及设计方法

摘要

本发明涉及一种超材料吸波器及设计方法，其特征在于包括介质板、金属板和具有周期构型的金属材料；介质板作为超材料吸波器的基体，置于金属板和具有周期构型的金属材料之间；所述具有周期构型的金属材料由多个单胞结构周期性重复排列组成；所述单胞结构由四个T字形旋转对称构成。本方法的超材料吸收结构。在特定频段下，结构的表面阻抗与自由空间阻抗达到了完美匹配。同时此结构具有极化不敏感特性，在不同极角下拥有很高的吸收率，且吸收峰频率稳定。在很宽的角度范围内，吸波结构对于斜入射TE和TM极化电磁波很好的吸收稳定性，实现了在宽角度下的高效吸收。

主权项

1.一种设计超材料吸波器中单胞结构的方法，其特征在于：所述超材料吸波器包括介质板、金属板和具有周期构型的金属材料；介质板作为超材料吸波器的基体，置于金属板和具有周期构型的金属材料之间；所述具有周期构型的金属材料由多个单胞结构周期性重复排列组成；所述单胞结构由四个T字形旋转对称构成；所述方法的具体步骤如下：步骤1：根据设计需要确定基体的材料和尺寸，金属板的材料和尺寸，具有周期构型的金属材料的材料和尺寸；采用CST电磁仿真软件计算得到与频率相关的S参数：输入反射系数S₁₁，正向传输系数S₂₁，反向传输系数S₁₂，输出反射系数S₂₂；计算整体结构的反射率R(ω)＝|S₁₁|²传输率T(ω)＝|S₂₁|²吸收率A(ω)＝1‑R(ω)‑T(ω)；步骤2：定义单胞结构的初始设计域：每个单元为边长为a的正方形区域，其中设计区域为边长为b的正方形，剩余尺寸为相邻单元的间距，大小为c；将设计区域离散为7×7的正方形小方格，每个小方格边长为l，49个小方格就是设计变量；其中：3mm≤a≤8mm,2.5mm≤b≤7.5mm,0.3mm≤c≤0.7mm,0.1mm≤l≤1.0mm；将设计域划分为四个大部分，四个大部分以平面中心为轴心的90度旋转对称区域，四个大部分的设计变量对应相等；49个小方格具有固定的编号，在平面上具有固定的位置，其中四个大部分中相同编号的方格具有相同的材料属性进行合并同类项；则49个设计变量为n个设计变量，n＝13；步骤3：设计优化模型为：设计变量x_i表示为材料属性，i＝1,2,...,n；然后金属以1表示，空气以0表示，则将材料分布问题转化为49个小方格取值为0或1进行优化；步骤4：采用有限元积分法建立等效电磁模型，运用CST电磁仿真软件分析的到对应的S参数，再以参数通过反推计算得到结构的等效电磁参数计算出当前结构的电磁波吸收率；以单元区域的材料取值为设计变量，以最大吸收率为优化目标函数，利用遗传算法进行基于材料分布的拓扑优化设计，进而得到满足要求的电磁超材料吸波构型的单胞结构。