一种双频Ku波段圆极化敏感吸波器的制作方法

本发明涉及一种吸波器，尤其是涉及一种双频ku波段圆极化敏感吸波器。

背景技术：

吸波材料是一种涉及微波的重要材料，其在电磁兼容、雷达隐身等诸多领域拥有重要的应用价值。一方面，微波暗室中所采用的锥形吸波体结构，由于其结构复杂和易腐蚀破坏，因此并不适用于复杂环境的实际应用。与此同时，传统的铁氧体结构的磁性损耗技术和碳系材料为主的介电损耗技术中，也存在吸波频段窄、厚度大、质量大、缺乏动态调节性等缺点。

随着微纳加工技术的发展以及跨学科研究领域的深入研究，基于人工电磁微结构技术的超材料吸波器研究，不仅仅局限于电磁学领域，其在材料科学、太赫兹、光学以及其它信息科学等诸多研究中已得到重视，目前，在民用、军事以及通信等众多领域均实现了极高的应用价值，如电磁防护、电磁黑洞/隐身以及能量探测器/收集器、隔离器，以及电磁兼容和天线隔离度改善等。超材料吸波器于2008年最早由landyni等人在刻蚀有亚波长微结构的双层电路板所构建而成，在11ghz谐振频率点附近其吸波率大约为88％左右，参见landyni,sajuyigbes,mockjj,etal.perfectmetamaterialabsorber.physicalreviewletters,100,207402，2008。与绝大多数的电磁超材料吸波器类似，这种依靠上下层电磁谐振所产生的介质损耗技术，大多面向线性极化波，研究单一线性极化波和交叉线性极化波的吸收特性，而圆极化敏感吸波器(由于其能够有效地吸收某一种手性的圆极化波，而反射或透射另一种手性的圆极化波，因此会导致较大的吸收圆二色性差值)的报道很少，圆极化敏感吸波器在航空通讯、分子检测等领域具有更广泛的应用。2016年，美国西北大学y.m.liu教授等人，通过多层金属线模型的级联技术，在中心波长8.1μm处，实现对右旋圆极化波的较高吸收率，参见wangzg，jiah,yaok,etal.circulardichroismmetamirrorswithnear-perfectextinction,acsphotonics,3,2096-2101，2016，但是这种多层结构的级联技术，受制于层与层间的电磁耦合效应，吸收带宽局限于较窄的频率范围内，结构复杂，制作成本大；此外，圆极化波差异吸收效率仍然较低，吸收频率单一，限制了圆极化吸波器在实际应用背景中的应用前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种双频ku波段圆极化敏感吸波器，其能够在微波段实现双频圆极化波差异吸收特性，且结构简单、厚度薄、制作成本低以及圆极化波差异吸收效率高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种双频ku波段圆极化敏感吸波器，其特征在于包括一块中间损耗介质板、以覆盖形式设置于所述的中间损耗介质板的背表面上的一块金属底板、镀设于所述的中间损耗介质板的正表面上的一个金属薄膜图案结构，所述的金属底板、所述的中间损耗介质板、所述的金属薄膜图案结构构成“金属-介质-金属”三明治结构。

所述的金属薄膜图案结构为不对称“工”字形结构，所述的金属薄膜图案结构由横向段、竖直段、斜向段组成，所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的长度各不相同而宽度相同、厚度相同，所述的竖直段的顶端与所述的横向段贴合且所述的竖直段的底端与所述的斜向段贴合形成一体。通过大量实验发现不对称“工”字形结构相对其他形状，能够更好地提升圆极化波差异吸收效率；在镀设时需注意竖直段的顶端与横向段贴合且竖直段的底端与斜向段贴合，即三者相通形成一体。

所述的金属底板和所述的中间损耗介质板的横截面为正方形且边长为p，所述的横向段的左边距为a且右边距为b，所述的横向段的长度为l1，p＝a+b+l1，所述的竖直段的长度为l2，所述的斜向段的长度为l3，所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的宽度均为w，所述的竖直段的右侧顶端距离所述的横向段的右边起始位置的长度为w，所述的竖直段的右侧底端距离所述的斜向段的右边起始位置的长度为c，所述的竖直段与所述的斜向段之间的夹角为θ。上述这些参数决定了不对称“工”字形结构的具体结构，并限定了不对称“工”字形结构在中间损耗介质板中的位置。

p＝11.5mm，a＝1.625mm，b＝4.475mm，l1＝5.4mm，l2＝6.9mm，l3＝5.8mm，w＝1.3mm，c＝3.4mm，θ＝60°。通过大量实验发现在这些参数值下，圆极化波差异吸收效率最高。

所述的金属底板为在所述的中间损耗介质板的背表面上覆盖一层铜薄膜形成，所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段均为在所述的中间损耗介质板的正表面上镀设一层铜薄膜形成。铜薄膜作为金属底板、横向段、竖直段和斜向段的材质，能够在确保达到良好效果的前提下降低成本。

所述的金属底板、所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的导电率σ均为2.6×10⁷～5.8×10⁷s/m。

所述的金属底板、所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的厚度t均为0.035～0.2mm。由于在中间损耗介质板的厚度确定的情况下，金属底板、横向段、竖直段和斜向段的厚度对圆极化波差异吸收效率的影响不大，因此只要求金属底板、横向段、竖直段和斜向段的厚度即各铜薄膜的厚度必须大于光波透射的穿透深度(即趋肤深度)即可，这样才能保证无任何光波透过该双频ku波段圆极化敏感吸波器，通过大量实验得出t为0.035～0.2mm时均能满足条件，但取t＝0.2mm时效果最佳。

所述的中间损耗介质板为fr-4板，所述的中间损耗介质板的相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025，所述的中间损耗介质板的厚度h为2.5mm。普通的fr-4板是目前吸波器结构设计过程中常用的一种介质材料，其制作成本低，易于加工实现，具体选用相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025的fr-4板；中间损耗介质板的厚度是影响该双频ku波段圆极化敏感吸波器的圆极化波差异吸收效率的一个重要因素，通过大量实验发现取h＝2.5mm时能够更大程度地提高圆极化波差异吸收效率。

一种双频ku波段圆极化敏感吸波器，其特征在于包括一块中间损耗介质板、以覆盖形式设置于所述的中间损耗介质板的背表面上的一块金属底板、镀设于所述的中间损耗介质板的正表面上的多个金属薄膜图案结构，所述的金属底板、所述的中间损耗介质板、所述的金属薄膜图案结构构成“金属-介质-金属”三明治结构，多个所述的金属薄膜图案结构呈方阵阵列形式相互间隔排布，且排布周期为p，使每个所述的金属薄膜图案结构与所述的中间损耗介质板中对应的一块边长为p的区域和所述的金属底板中对应的一块边长为p的区域构成一个吸波单元，各个所述的吸波单元单独工作。金属薄膜图案结构的具体个数可根据应用环境调整设计。

所述的金属薄膜图案结构为不对称“工”字形结构，所述的金属薄膜图案结构由横向段、竖直段、斜向段组成，所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的长度各不相同而宽度相同、厚度相同，所述的竖直段的顶端与所述的横向段贴合且所述的竖直段的底端与所述的斜向段贴合形成一体；

每个所述的吸波单元中，p＝11.5mm，所述的横向段的左边距为a＝1.625mm且右边距为b＝4.475mm，所述的横向段的长度为l1＝5.4mm，p＝a+b+l1，所述的竖直段的长度为l2＝6.9mm，所述的斜向段的长度为l3＝5.8mm，所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的宽度均为w＝1.3mm，所述的竖直段的右侧顶端距离所述的横向段的右边起始位置的长度为w＝1.3mm，所述的竖直段的右侧底端距离所述的斜向段的右边起始位置的长度为c＝3.4mm，所述的竖直段与所述的斜向段之间的夹角为θ＝60°；

所述的金属底板为在所述的中间损耗介质板的背表面上覆盖一层铜薄膜形成，所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段均为在所述的中间损耗介质板的正表面上镀设一层铜薄膜形成；

所述的金属底板、所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的导电率σ均为2.6×10⁷～5.8×10⁷s/m，所述的金属底板、所述的横向段、所述的竖直段和所述的斜向段的厚度t均为0.035～0.2mm；由于在中间损耗介质板的厚度确定的情况下，金属底板、横向段、竖直段和斜向段的厚度对圆极化波差异吸收效率的影响不大，因此只要求金属底板、横向段、竖直段和斜向段的厚度即各铜薄膜的厚度必须大于光波透射的穿透深度(即趋肤深度)即可，这样才能保证无任何光波透过该双频ku波段圆极化敏感吸波器，通过大量实验得出t为0.035～0.2mm时均能满足条件，但取t＝0.2mm时效果最佳。

所述的中间损耗介质板为fr-4板，所述的中间损耗介质板的相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025，所述的中间损耗介质板的厚度h为2.5mm；普通的fr-4板是目前吸波器结构设计过程中常用的一种介质材料，其制作成本低，易于加工实现，具体选用相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025的fr-4板；中间损耗介质板的厚度是影响该双频ku波段圆极化敏感吸波器的圆极化波差异吸收效率的一个重要因素，通过大量实验发现取h＝2.5mm时能够更大程度地提高圆极化波差异吸收效率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的双频ku波段圆极化敏感吸波器由中间损耗介质板、以覆盖形式设置于中间损耗介质板的背表面上的一块金属底板、镀设于中间损耗介质板的正表面上的一个或多个金属薄膜图案结构组成，构成了一个“金属-介质-金属”三明治结构，其结构简单、厚度薄、制作成本低、易于实现。

2)本发明的双频ku波段圆极化敏感吸波器可以在微波段11～15ghz范围内，实现面向左旋圆极化lcp波的双吸收峰，其圆极化波差异吸收效率可达到91％以上。

3)本发明的双频ku波段圆极化敏感吸波器能够在双频率点上实现强烈的吸收圆二色性特性，中心谐振频率分别为12.2ghz和14.4ghz，差异化峰值吸收率为左旋圆极化lcp波的峰值吸收率，分别为94.2％和91.7％，吸收圆二色性差值可达到76.6％和68.3％。

4)本发明的双频ku波段圆极化敏感吸波器的频率范围在11～15ghz，属于ku波段，其对数字信号传输、能量集中收集、隔离器等领域应用具有更好的应用价值。

5)本发明的双频ku波段圆极化敏感吸波器可通过比例缩放和适当参数调整，较完美的移植到其它频段。

附图说明

图1为实施例一的双频ku波段圆极化敏感吸波器的立体结构示意图；

图2为实施例一的双频ku波段圆极化敏感吸波器的正视图；

图3为实施例一的双频ku波段圆极化敏感吸波器的侧视图；

图4为实施例二的双频ku波段圆极化敏感吸波器的正视图；

图5为基于时域有限积分计算对实施例一和实施例二的吸波器进行仿真得到的圆极化波反射率图；

图6为通过反射率计算出的圆极化波入射时实施例一和实施例二的吸波器的吸收率曲线；

图7为通过圆极化波吸收率计算出的实施例一和实施例二的吸波器的吸收圆二色性值曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种双频ku波段圆极化敏感吸波器，如图1、图2和图3所示，其包括一块中间损耗介质板1、以覆盖形式设置于中间损耗介质板1的背表面上的一块金属底板2、镀设于中间损耗介质板1的正表面上的一个金属薄膜图案结构3，金属底板2、中间损耗介质板1、金属薄膜图案结构3构成“金属-介质-金属”三明治结构。

在本实施例中，金属薄膜图案结构3为不对称“工”字形结构，金属薄膜图案结构3由横向段31、竖直段32、斜向段33组成，横向段31、竖直段32和斜向段33的长度各不相同而宽度相同、厚度相同，竖直段32的顶端与横向段31贴合且竖直段32的底端与斜向段33贴合形成一体。通过大量实验发现不对称“工”字形结构相对其他形状，能够更好地提升圆极化波差异吸收效率；在镀设时需注意竖直段32的顶端与横向段31贴合且竖直段32的底端与斜向段33贴合，即三者相通形成一体。

在本实施例中，金属底板2和中间损耗介质板1的横截面为正方形且边长为p，横向段31的左边距为a且右边距为b，横向段31的长度为l1，p＝a+b+l1，竖直段32的长度为l2，斜向段33的长度为l3，横向段31、竖直段32和斜向段33的宽度均为w，竖直段32的右侧顶端距离横向段31的右边起始位置的长度为w，竖直段32的右侧底端距离斜向段33的右边起始位置的长度为c，竖直段32与斜向段33之间的夹角为θ，上述这些参数决定了不对称“工”字形结构的具体结构，并限定了不对称“工”字形结构在中间损耗介质板1中的位置；具体取p＝11.5mm，a＝1.625mm，b＝4.475mm，l1＝5.4mm，l2＝6.9mm，l3＝5.8mm，w＝1.3mm，c＝3.4mm，θ＝60°，通过大量实验发现在这些参数值下，圆极化波差异吸收效率最高。

在本实施例中，金属底板2为在中间损耗介质板1的背表面上覆盖一层铜薄膜形成，横向段31、竖直段32和斜向段33均为在中间损耗介质板1的正表面上镀设一层铜薄膜形成，铜薄膜作为金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的材质，能够在确保达到良好效果的前提下降低成本；金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的导电率σ均为2.6×10⁷～5.8×10⁷s/m，金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的厚度t均为0.035～0.2mm，由于在中间损耗介质板1的厚度确定的情况下，金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的厚度对圆极化波差异吸收效率的影响不大，因此只要求金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的厚度即各铜薄膜的厚度必须大于光波透射的穿透深度(即趋肤深度)即可，这样才能保证无任何光波透过该双频ku波段圆极化敏感吸波器，通过大量实验得出t为0.035～0.2mm时均能满足条件，但取t＝0.2mm时效果最佳。

在本实施例中，中间损耗介质板1为fr-4板，中间损耗介质板1的相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025，中间损耗介质板1的厚度h为2.5mm。普通的fr-4板是目前吸波器结构设计过程中常用的一种介质材料，其制作成本低，易于加工实现，具体选用相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025的fr-4板；中间损耗介质板1的厚度是影响该双频ku波段圆极化敏感吸波器的圆极化波差异吸收效率的一个重要因素，通过大量实验发现取h＝2.5mm时能够更大程度地提高圆极化波差异吸收效率。

实施例二：

本实施例提出的一种双频ku波段圆极化敏感吸波器，其包括一块中间损耗介质板1、以覆盖形式设置于中间损耗介质板1的背表面上的一块金属底板2、镀设于中间损耗介质板1的正表面上的多个金属薄膜图案结构3，金属底板2、中间损耗介质板1、金属薄膜图案结构3构成“金属-介质-金属”三明治结构，多个金属薄膜图案结构3呈方阵阵列形式相互间隔排布，且排布周期为p，使每个金属薄膜图案结构3与中间损耗介质板1中对应的一块边长为p的区域和金属底板2中对应的一块边长为p的区域构成一个吸波单元，各个吸波单元单独工作。金属薄膜图案结构3的具体个数可根据应用环境调整设计。

在本实施例中，金属薄膜图案结构3为不对称“工”字形结构，金属薄膜图案结构3由横向段31、竖直段32、斜向段33组成，横向段31、竖直段32和斜向段33的长度各不相同而宽度相同、厚度相同，竖直段32的顶端与横向段31贴合且竖直段32的底端与斜向段33贴合形成一体。

在本实施例中，每个吸波单元中，p＝11.5mm，横向段31的左边距为a＝1.625mm且右边距为b＝4.475mm，横向段31的长度为l1＝5.4mm，p＝a+b+l1，竖直段32的长度为l2＝6.9mm，斜向段33的长度为l3＝5.8mm，横向段31、竖直段32和斜向段33的宽度均为w＝1.3mm，竖直段32的右侧顶端距离横向段31的右边起始位置的长度为w＝1.3mm，竖直段32的右侧底端距离斜向段33的右边起始位置的长度为c＝3.4mm，竖直段32与斜向段33之间的夹角为θ＝60°。

在本实施例中，金属底板2为在中间损耗介质板1的背表面上覆盖一层铜薄膜形成，横向段31、竖直段32和斜向段33均为在中间损耗介质板1的正表面上镀设一层铜薄膜形成；金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的导电率σ均为2.6×10⁷～5.8×10⁷s/m，金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的厚度t均为0.035～0.2mm，由于在中间损耗介质板1的厚度确定的情况下，金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的厚度对圆极化波差异吸收效率的影响不大，因此只要求金属底板2、横向段31、竖直段32和斜向段33的厚度即各铜薄膜的厚度必须大于光波透射的穿透深度(即趋肤深度)即可，这样才能保证无任何光波透过该双频ku波段圆极化敏感吸波器，通过大量实验实验得出t为0.035～0.2mm时均能满足条件，但取t＝0.2mm时效果最佳。

在本实施例中，中间损耗介质板1为fr-4板，中间损耗介质板1的相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025，中间损耗介质板1的厚度h为2.5mm，普通的fr-4板是目前吸波器结构设计过程中常用的一种介质材料，其制作成本低，易于加工实现，具体选用相对介电常数ε为4.3、损耗正切值δ为0.025的fr-4板；中间损耗介质板1的厚度是影响该双频ku波段圆极化敏感吸波器的圆极化波差异吸收效率的一个重要因素，通过大量实验发现取h＝2.5mm时能够更大程度地提高圆极化波差异吸收效率。

图5给出了基于时域有限积分计算对实施例一和实施例二的吸波器进行仿真得到的圆极化波反射率图。从图5中可以看出，左旋圆极化lcp波和右旋圆极化rcp波的反射曲线完全不同，实心矩形曲线描述的是右旋圆极化rcp波的反射率，实心圆形曲线描述的是左旋圆极化lcp波的反射率，在工作波长范围为11～15ghz时，左旋圆极化lcp波的低谷反射率分别为5.8％和8.3％，右旋圆极化rcp波的峰值反射率分别为82.4％和76.6％。

图6给出了通过反射率计算出的圆极化波入射时实施例一和实施例二的吸波器的吸收率曲线。当圆极化波入射时，位于底层的金属底板阻碍圆极化波透过，造成圆极化波的零透过率。当圆极化波入射时，实施例一的吸波器和实施例二中单个吸波单元会在12.2ghz和14.4ghz特定的频率上进行谐振，不同的圆极化波在结构表面上引起的感应电流强度不同。左旋圆极化lcp波入射时，在吸收单元结构上引起的表面电流强度明显强于右旋圆极化rcp波，导致的电谐振效应也相对较强。由于结构表面的感应电流方向和金属底板上的表面电流方向相反，因此会引起强烈的磁谐振，强烈的电谐振效应和磁谐振效应使得入射的左旋圆极化lcp波禁锢在中间损耗介质板中，并以中间损耗介质板的介电损耗形式，将左旋圆极化lcp波的电磁能量转化为热能耗散掉，而对右旋圆极化rcp波起到了高效率的反射作用。从而实现了双频段的圆极化敏感吸波器设计。从图6中可以看出，在左旋圆极化lcp波的峰值吸收率为12.2ghz频率处的94.2％和14.4ghz频率处的91.7％，右旋圆极化rcp波的低谷吸收率为12.2ghz频率处的17.6％和14.4ghz频率处的23.4％。

图7给出了通过圆极化波吸收率计算出的实施例一和实施例二的吸波器的吸收圆二色性值曲线。图7中，吸收圆二色性值为左旋圆极化lcp波的吸收率减去右旋圆极化rcp波的吸收率，圆二色性值的大小表示为对左旋圆极化lcp波和右旋圆极化rcp波的差异化吸收能力强弱，圆二色性值越大表示对左旋圆极化lcp波和右旋圆极化rcp波的差异化吸收能力就越强。从图7中可以看出，发生的差异化吸收能力最强的工作频率分别为12.2ghz和14.4ghz，实现最大的圆二色性值分别为76.6％和68.3％。