一种频率可重构全角度完美匹配吸波暗室的制作方法

1.本发明涉及微波吸波媒质和暗室领域的一种吸波暗室结构，具体涉及一种相对介电常数符合空间krammers-kronig分布的频率可重构吸波媒质及其制备的微波暗室。


背景技术：

2.传统暗室采用角锥、尖劈及铁氧体吸波材料，设计优化的目标仅针对垂直入射电磁波，对不同角度的波吸收性能不一样，当电磁波入射角度较大时，吸波效率会快速降低，因而具有很强的角度色散特性，从而造成暗室测量精度的下降。同时，传统暗室采用的角锥和尖劈等吸波材料需要数倍甚至数十倍的厚度才能达到吸波要求，导致暗室体积较大。近年来变换光学、perfectly matched layer以及parity-time对称人工媒质获得了长足的发展，虽然以上人工媒质都可以在理论上实现全角度的吸波，但媒质中增益因子的存在使得全角度吸波特性无法在无源的情况下实现。
3.目前为止，传统的暗室和基于人工媒质实现的暗室仍然有着吸波频带窄和吸波角度小的缺点，尚未有全角度宽频带吸波暗室的相关研究。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种吸波频率可重构的电小尺寸全角度吸波暗室，可以提高暗室测试精度，减小不同角度入射电磁波的影响并拓展暗室的工作带宽。
5.本发明对改进传统暗室吸波材料大角度吸波效率差和人工吸波媒质需要增益因子和窄带工作的缺点有重要的意义。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.本发明的技术方案包括吸波媒质单元、由吸波媒质单元制备的吸波媒质层、使用吸波媒质层制备的吸波媒质和采用该吸波媒质制备的频率可重构全角度完美匹配吸波暗室。
8.包括吸波媒质、上层金属盖板和下层金属盖板；上层金属盖板和下层金属盖板分别布置于频率可重构非均匀吸波媒质轴向的两端，
9.吸波媒质包括了多层同心且呈闭环形态的吸波媒质层，每层吸波媒质层均主要由吸波媒质单元在电磁波入射方向横截面上沿横截面的两个互相垂直方向周期性紧密排列构成；各层吸波媒质层在te波入射时的相对介电常数满足工作频率的频域krammers-kronig分布，使得多层吸波媒质层沿电磁波的入射传播方向依次叠加，在电磁波的入射传播方向上相对介电常数形成一个空间krammers-kronig分布。
10.每个吸波媒质单元包括介质板、介质板两侧的空气层以及位于介质板两端面的工字型单元，介质板垂直于电磁波入射传播方向布置，介质板在靠近吸波媒质中心一侧的内端面设有第一工字型单元，介质板在远离吸波媒质中心一侧的外端面设有第二工字型单元。
11.第一工字型单元和第二工字型单元的结构组成相同，均包括两条平行间隔布置的
供电线、变容二极管、s形弯折线，两条供电线之间设有变容二极管，变容二极管两端分别经s形弯折线和两条供电线电连接；第一工字型单元中的两条供电线直径的间距大于第二工字型单元中的两条供电线直径的间距，且第一工字型单元中的两条s形弯折线沿两条供电线间距方向的长度大于第二工字型单元中的两条s形弯折线沿两条供电线间距方向的长度。
12.沿电磁波的入射传播方向的各吸波媒质层中的吸波媒质单元的相对介电常数不同，通过调整各吸波媒质层中吸波媒质单元的工字型单元的s形弯折线的宽度或者变容二极管进行调节。
13.所述吸波媒质沿电磁波的入射传播方向各处的各吸波媒质层的相对介电常数符合空间-频域krammers-kronig分布，每层吸波媒质中的各个吸波媒质单元的相对介电常数相同，均按照以下公式计算设定获得：
[0014][0015]
其中，εr表示每层吸波媒质中的吸波媒质单元对应的相对介电常数，ω1和ω2为第一个和第二个lorentz谐振频率，ω
p1
和ω
p2
分别为第一个和第二个lorentz谐振频率处的等离子频率，γ1和γ2分别为第一个和第二个lorentz谐振频率处的阻尼系数，ε
∞
为频率无穷大或无穷小时候的相对介电常数值，r为各吸波媒质层对应的半径，q为沿半径方向相对介电常数的变化率，i表示虚数单位。
[0016]
所述吸波媒质中各层吸波媒质层中包含的吸波媒质单元数量相同或者不相同。
[0017]
所述吸波媒质中，相邻两层吸波媒质中包含的吸波媒质单元可以沿电磁波的入射传播方向一一对齐布置，也可以不沿电磁波的入射传播方向一一对齐布置。
[0018]
位于吸波媒质最内层的吸波媒质层的所有吸波媒质单元的相对介电常数实部为1且虚部为0。
[0019]
所述的暗室的形状为任意形状，为长方形或圆形等其它闭环形状。
[0020]
吸波媒质层的周期厚度小于四分之一个工作波长。
[0021]
所述频率可重构全角度吸波暗室能吸收任一入射角度的电磁波并且实现吸波频率的可重构。
[0022]
所述的εr符合空间k-k分布的频率可重构非均匀吸波媒质采用离散化的方法，即由工作在不同频率的吸波媒质层离散化叠加实现。每层吸波媒质贡献一个该层媒质特有的εr，多层吸波媒质沿波的入射传播方向依次叠加，在波的入射传播方向上εr形成一个空间分布的k-k分布。
[0023]
可选的，各层吸波媒质上的吸波媒质单元在电磁波入射传播方向上可以对齐也可以错开。所述的入射传播方向为电磁波传播而去的方向，即暗室/频率可重构非均匀吸波媒质的径向方向。
[0024]
本发明的有益效果是：
[0025]
首先，本发明中基于空间krammers-kronig分布的微波暗室能够在无源情况下实现全角度的吸收特性，不仅改善了现有暗室采用的吸波材料对大角度入射波反射较大的缺陷，还打破了变换光学、perfectly matched layer和parity-time对称人工媒质必须增益因子才能实现全角度吸收的限制，本发明的暗室的全角度吸收特性提升了暗室中实验的测
试精度。
[0026]
其次，本发明实现的暗室具有频率可重构特性，能工作在宽频带，极大拓展了暗室的使用范围和场景。最后，本发明实现的暗室厚度仅有两到三个工作波长，相比较于传统角锥、尖劈和多层介质等方式实现的暗室有明显的小型化优势。
[0027]
本发明提供的吸波媒质可以实现全角度的电磁波吸波并且工作频率可重构，制备的频率可重构微波暗室可以实现宽频段的te波全角度的无反射吸收。
[0028]
本发明实现的吸波媒质适合各种形状的暗室，同样扩展了该暗室的使用范围。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例的圆形暗室结构示意图；
[0030]
图2为本发明实施例的各层吸波媒质实现相对介电常数空间krammers-kronig分布示意图；
[0031]
图3为本发明实施例的多层吸波媒质单元实现相对介电常数空间krammers-kronig分布媒质示意图；
[0032]
图4为本发明实施例的吸波媒质单元结构正视图；
[0033]
图5为本发明实施例的吸波媒质单元结构后视图；
[0034]
图6为本发明实施例的吸波媒质单元结构侧视图；
[0035]
图7为本发明实施例的吸波媒质在媒质中所有单元上的可变电容均为0.5pf时最里层和最外层媒质的相对介电常数频域krammers-kronig分布。
[0036]
图8为本发明实施例的吸波媒质在媒质中所有单元上的可变电容均为9pf时最里层和最外层媒质的相对介电常数频域krammers-kronig分布。
[0037]
图9为本发明实施例制备的全向吸波暗室在入射波为4.75ghz时的不同角度吸波效果图；
[0038]
图10为本发明实施例制备的全向吸波暗室在入射波为5.5ghz时的不同角度吸波效果图。
[0039]
图中所示：1-吸波媒质，2-工字型单元，3-上层金属盖板，4-下层金属盖板，5-吸波媒质单元，6-供电线，7-变容二极管，8-s形弯折线，9-焊盘，10-吸波媒质单元中的介质板，11-吸波媒质单元中的空气层。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0041]
如图1所示，具体实施的暗室包括吸波媒质1、上层金属盖板3和下层金属盖板4；上层金属盖板3和下层金属盖板4分别布置在频率可重构非均匀吸波媒质1轴向的两端，上层金属盖板3和下层金属盖板4覆盖于吸波媒质1的两端面，使得吸波媒质1内部形成相对封闭的暗室；
[0042]
吸波媒质1包括了多层同心且呈闭环形态的吸波媒质层，吸波媒质层的中心和吸波媒质1的中心轴线重合，每层吸波媒质层均主要由吸波媒质单元5在电磁波入射方向横截面上沿横截面的两个互相垂直方向周期性紧密排列构成；各层吸波媒质层在te波入射时的
相对介电常数满足工作频率的lorentz谐振频率的频域krammers-kronig分布，即该层吸波媒质层在工作频率电磁波入射时的相对介电常数为该层吸波媒质层频域krammers-kronig分布曲线上的一个确定值，使得多层吸波媒质层沿电磁波的入射传播方向依次叠加，在电磁波的入射传播方向上相对介电常数形成一个空间krammers-kronig分布。
[0043]
每个吸波媒质单元5包括介质板10、介质板两侧的空气层11以及位于介质板10两端面的工字型单元2，介质板垂直于电磁波入射传播方向布置，介质板在靠近吸波媒质1中心一侧的内端面设有第一工字型单元，介质板在远离吸波媒质1中心一侧的外端面设有第二工字型单元。
[0044]
如图4、图5和图6所示，第一工字型单元和第二工字型单元的结构组成相同，均包括两条上下平行间隔布置的供电线6、变容二极管7、s形弯折线8，两条供电线6之间设有变容二极管7，变容二极管7两端分别经s形弯折线8和两条供电线6电连接；第一工字型单元中的两条供电线6直径的间距大于第二工字型单元中的两条供电线6直径的间距，且第一工字型单元中的两条s形弯折线8沿两条供电线6间距方向的长度大于第二工字型单元中的两条s形弯折线8沿两条供电线6间距方向的长度。
[0045]
变容二极管7两端处设有焊盘9，变容二极管7两端的焊盘9分别经各自的s形弯折线8和两条供电线6电连接。
[0046]
供电线6、s形弯折线8和焊盘9均为金属片结构。
[0047]
吸波媒质单元为电谐振单元，在te波入射时频域相对介电常数符合krammers-kronig分布。电谐振单元采用工字型单元或弯折线单元等其他电谐振单元均可实现。
[0048]
本发明在吸波媒质单元中加入了集总元件，使得吸波媒质单元的lorentz谐振频率可调，进而使得吸波媒质单元的相对介电常数可调，实现了吸波暗室频率可重构。
[0049]
如图3所示，沿电磁波的入射传播方向的各吸波媒质层中的吸波媒质单元5的相对介电常数不同，通过调整各吸波媒质层中吸波媒质单元5的工字型单元2的s形弯折线8的宽度或者变容二极管进行调节进而通过可调电容实现了频率可重构。
[0050]
s形弯折线8的宽度所在方向是指沿垂直于两条供电线6间距方向，也即沿吸波媒质1切向方向。
[0051]
如图2所示，吸波媒质1沿电磁波的入射传播方向各处的各吸波媒质层的相对介电常数符合空间-频域krammers-kronig分布，每层吸波媒质中的各个吸波媒质单元5的相对介电常数相同，均按照以下公式计算设定获得：
[0052][0053]
通过上述公式在相对介电常数空间krammers-kronig分布中实现实部为1、虚部为0的位置，即吸波媒质的相对介电常数分布在空间有两个lorentz谐振，将该吸波媒质在两个lorentz谐振之间的相对介电常实部为1且虚部为0处截断作为暗室的吸波材料，使得最靠近吸波媒质1中心的最内层吸波媒质的相对介电常数和空气的相对介电常数相同，进而能够使得最靠近吸波媒质1中心的最内层吸波媒质层和空气完美匹配。通过实现有多个电谐振的吸波媒质单元获得εr＝1或者采用线性介电常数剖面材料和空气直接匹配。
[0054]
吸波媒质1中各层吸波媒质层中包含的吸波媒质单元5数量相同或者不相同。
[0055]
吸波媒质1中，相邻两层吸波媒质中包含的吸波媒质单元5可以沿电磁波的入射传播方向一一对齐布置，也可以不沿电磁波的入射传播方向一一对齐布置。沿电磁波的入射传播方向一一对齐布置即使得相邻两层吸波媒质层各自包含的吸波媒质单元数量相同，且较外层吸波媒质的每个吸波媒质单元和较内层吸波媒质中的一个吸波媒质单元位于同一电磁波的入射传播方向方向布置。不沿电磁波的入射传播方向一一对齐布置也可以，即只要沿波的传播方向上相对介电常数分布满足krammers-kronig分布即可实现吸波效果。
[0056]
位于吸波媒质1最内层的吸波媒质层的所有吸波媒质单元的相对介电常数实部为1且虚部为0。
[0057]
暗室的形状为任意形状，为长方形或圆形等其它闭环形状。即使得吸波媒质1为长方形或圆形等其它闭环形状。
[0058]
具体实施中，吸波媒质1由多层同心且呈闭环形态的吸波媒质层构成，每层吸波媒质层均由沿周向一圈紧密布置的多个吸波媒质单元5构成，吸波媒质1沿径向从内到外各处的各吸波媒质层的相对介电常数符合空间-频域krammers-kronig分布。
[0059]
吸波媒质层的周期厚度小于暗室的四分之一个工作波长，吸波媒质层的周期厚度即为单个吸波媒质单元中的介质板厚度加前后两个空气层厚度。
[0060]
参见图1，实施例实现的暗室如图1所示。全角度完美匹配吸波暗室由厚度为198mm的吸波媒质和上下两层金属板组成。吸波媒质共44层，厚度为1mm的上下两块金属板覆盖在吸波媒质的上下两端，暗室整体高度为16mm。
[0061]
参见图1和2，频率可重构全角度完美匹配吸波暗室中的各吸波媒质层沿电磁波正传播方向在空间上贡献一个特定的相对介电常数形成空间krammers-kronig分布。暗室最内部的吸波媒质层的相对介电常数实部为1虚部为0，以实现暗室和空气的匹配，暗室最外部的频率可重构吸波媒质层的相对介电常数虚部为1。
[0062]
参见图3、4、5和6，每个吸波媒质单元由介质板正面的第一工字型结构、反面的第二工字型结构、介质板以及介质板前后的空气层组成。吸波媒质单元宽14mm，高8mm，总厚度为4.5mm，其中空气层厚4mm，介质板厚0.5mm，介质板相对介电常数为2.55，损耗角正切为0.003。
[0063]
参见图4、5和6，工字型单元由两条平行间隔布置的供电线(6)、变容二极管(7)、s形弯折线(8)和焊盘(9)组成。工字型单元中的金属线宽度和间距均为0.1mm。第一工字型结构和第二工字型结构中两条供电线(6)之间的距离分别为6mm和3mm。
[0064]
两个工字型结构的lorentz谐振频率不同，第一和第二工字型结构分别对应谐振频率低和高的两个lorentz谐振。
[0065]
本实施例中，不同层的吸波媒质相对介电常数的调节基于改变工字型结构弯折线8的宽度实现。本实施例中频率可重构完美匹配吸波暗室中最内层吸波媒质上第一和第二工字型结构弯折线8的宽度分别为1.5和0.3mm，最外层吸波媒质上第一和第二工字型结构弯折线8的宽度分别为4.5和4.5mm。从第1层到第44层中第一和第二工字型结构中的弯折线8宽度依次以0.068和0.095mm的步径增加。
[0066]
第一第二工字型结构上均焊接有变容二极管7，用来进一步调节工字型结构的lorentz谐振频率，变容二极管的控制电压从工字型单元中的供电线6输入。变容二极管的电容调节范围为0.5pf-9pf，变容二极管为不同的容值时，吸波媒质的介电常数空间分布可
在不同频率电磁波入射时满足空间krammers-kronig分布，因此实施例中的吸波媒质和全角度完美匹配吸波暗室均能实现频率可重构特性。
[0067]
参见图7和图8，每一个吸波媒质单元均可实现两个lorentz谐振。图7表明当吸波媒质中所有变容二极管的容值为0.5pf时，最内层吸波媒质相对介电常数实部为1虚部为0的频率在5.5ghz，表明当变容二极管容值为0.5pf时暗室能够对5.5ghz的te模式电磁波完美匹配并吸收。同理，图8表明当变容二极管容值为9pf时暗室能够对4.75ghz的te模式电磁波完美匹配并吸收。由此可知，当变容二极管在0.5pf-9pf之间调节时，暗室有着4.75ghz-5.5ghz的频率可重构范围。
[0068]
最后，图9和图10展示了本实施例发明的暗室在comsol软件中的仿真结果。其中星号为馈源位置，两白色圆形虚线之间为本发明中截取的krammers-kronig吸波媒质。图9为变容二极管的容值为9pf，并且馈源为4.75ghz te波时所发明的频率可重构完美匹配吸波暗室的吸波效果，从电场强度分布图可以看出暗室对4.75ghz的全角度的入射波都有着无反射吸收。图10为变容二极管的容值为0.5pf，并且馈源为5.5ghz te波时所设计的频率可重构完美匹配吸波暗室的吸波效果，可以看出暗室对5.5ghz的全角度入射波都有着无反射吸收。当调整变容二极管的控制电压，使其容值在0.5pf-9pf之间变动时，所设计的频率可重构完美匹配吸波暗室能够吸收4.75ghz-5.5ghz的入射波。
[0069]
综上所述，首先，本发明的实施例实现了全角度入射波的完美吸收，改善了传统暗室吸波材料吸收效率随入射角增加而极具下降的缺陷。其次，本发明打破了变换光学、perfectly matched layer和parity-time对称人工媒质必须增益因子才能实现全角度吸收的限制。然后，本发明的暗室能够吸收4.75ghz-5.5ghz的入射波，宽的吸收频段拓展了暗室的使用范围和应用场景。最后，本发明的暗室厚度仅为3.15个波长，对比传统暗室的吸收材料厚度有着较大的优势。
[0070]
综上所述，仅是本发明的在4.75ghz-5.5ghz的较佳实例而已，并非本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
[0071]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0072]
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。