一种集成SSPP结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器

一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器
技术领域
1.本发明属于及电磁波吸收技术领域，尤其涉及一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器。


背景技术：

2.在国防军事领域，吸波材料能避开敌方雷达的跟踪和探测，使武器装备消失在敌方雷达探测器的视野中，从而提升武器装备的战场生存能力；在日常生活方面，吸波材料可用于减少各种电子设备的电磁泄露现象，减轻电磁波对人体和环境的负面影响。因此，吸波材料在军民领域均有广泛用途。
3.人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton，sspp)结构具有与表面等离激元类似的色散曲线，可以在金属结构表面激起一种表面波，该表面波被局域在介质/金属/空气的交界处，其群速度小于真空中光速。人们可以通过调节人工结构的参数来调控sspp的色散特性，从而在指定频段激发慢波，再通过引入损耗性物质实现对电磁波的吸收，此为吸收机制一。
4.以磁性吸收剂填充的磁性吸波材料具有工艺简单和使用方便的优势，在技术上已经较为成熟，工程应用也比较广泛，此为吸收机制二。但是，由于磁性材料没有结构强度，需要额外涂敷在物体表面，其每平方米的典型重量一般在1.5～4kg之间，厚度在0.5～1mm之间，所以使用磁性材料会大幅增加重量。
5.目前，已有基于sspp的电磁波吸收研究，如文献(merging absorption bands of plasmonic structures via dispersion engineering)提出了一种可定制化吸收的宽频带电磁波吸收器，但是该吸波器厚度为10mm。
6.也有将sspp吸波器与磁性材料组合的研究，如文献(integrating absorber with non-planar plasmonic structure for k-vector matching absorption enhancement)提出了一种集成磁性材料和和sspp的宽带吸波器，但该方案只是把平面磁性材料和立体sspp进行简单组合，磁性材料使得结构的质量大幅增加。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术中的不足，提供一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器。
8.本发明提供一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器，包括从上至下依次排列的吸波结构和金属底板；
9.所述吸波结构包括sspp结构和磁性薄膜；所述sspp结构利用色散效应实现一个频段的慢波传输，再通过银浆的欧姆损耗实现对电磁波额吸收；所述磁性薄膜利用所述sspp结构的局域性和慢波特性实现对低频电磁波的损耗吸收；所述金属底板提供反射面，使透射为零；
10.所述sspp结构包括多个结构相同的第一吸波体和第二吸波体；所述第一吸波体和
第二吸波体均包括电介质板和铺设在电介质板上的多对相互垂直的银浆条；一对所述银浆条分别平行于所述金属底板和垂直于所述金属底板；多对相互垂直的所述银浆条的长度从上之下依次增大；每个所述第一吸波体的两端分别垂直连接一个所述第二吸波体；两个所述第一吸波体和两个所述第二吸波体构成sspp的一个吸波单元；所述吸波单元的中心轴线垂直于所述金属底板。
11.进一步地，所述磁性薄膜位于所述电介质板远离所述银浆条的一侧。
12.进一步地，所述磁性薄膜的厚度不超过0.2mm。
13.进一步地，所述金属底板为具有全反射电磁波的导电材料。
14.进一步地，所述电介质板为fr-4基板。
15.进一步地，通过调节相互垂直的所述银浆条的对数和长度，以改变调控结构的色散曲线和吸波性能。
16.本发明提供一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器，包括从上至下依次排列的吸波结构和金属底板；所述吸波结构包括sspp结构和磁性薄膜；所述sspp结构利用色散效应实现一个频段的慢波传输，再通过银浆的欧姆损耗实现对电磁波额吸收；所述磁性薄膜利用所述sspp结构的局域性和慢波特性实现对低频电磁波的损耗吸收；所述金属底板提供反射面，使透射为零；所述sspp结构包括多个结构相同的第一吸波体和第二吸波体；所述第一吸波体和第二吸波体均包括电介质板和铺设在电介质板上的多对相互垂直的银浆条；一对所述银浆条分别平行于所述金属底板和垂直于所述金属底板；多对相互垂直的所述银浆条的长度从上之下依次增大；每个所述第一吸波体的两端分别垂直连接一个所述第二吸波体；两个所述第一吸波体和两个所述第二吸波体构成sspp的一个吸波单元；所述吸波单元的中心轴线垂直于所述金属底板。
17.sspp结构和磁性薄膜分别引入了两种不同类型的吸波机制，通过对两种结构的设计，可以将这两种吸波机制很好地组合起来，实现宽带吸波，又克服了磁性材料过重的缺点。微波宽带吸波器具有厚度薄、重量轻、吸收频带宽的特点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器的结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的sspp的色散图和波速图，其中(a)为色散曲线，(b)为波速；
21.图3为本发明实施例提供的集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器的能量分布图；
22.图4为本发明实施例提供的磁性薄膜的电磁参数图；
23.图5为本发明实施例提供的集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器仿真的反射系数曲线图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.如图1所示，本发明实施例部分提供一种集成sspp结构和磁性薄膜的微波宽带吸波器，包括包括从上至下依次排列的吸波结构1和金属底板2，其中吸波结构1的高度为h。
26.吸波结构1包括sspp结构11和磁性薄膜12；sspp结构11利用色散效应实现一个频段的慢波传输，再通过银浆的欧姆损耗实现对电磁波额吸收；磁性薄膜12利用sspp结构11的局域性和慢波特性实现对低频电磁波的损耗吸收；金属底板2提供反射面，使透射为零。sspp结构11采用的银浆材料自身有着一定的欧姆损耗，可以吸收高频的电磁波。在低频，sspp结构11对电磁波也有着一定的局域作用，增强了电磁波和磁性材料的作用，使得很薄的磁性薄膜12也有很好的吸波效果。此外，sspp结构11的慢波特性在低频时也有所体现，根据以下公式得出在慢波下，较慢的波速也有利于磁性材料在低频的吸收：
[0027][0028]
其中，μ和ε分别为吸波材料的磁导率和介电常数；f为频率；h为材料厚度；vg为波速；z0为真空中的波阻抗377ω，z
in
为吸波材料的输入阻抗，s
11
为反射系数，absorption为吸收率。
[0029]
sspp结构11包括多个结构相同的第一吸波体111和第二吸波体112；第一吸波体111和第二吸波体112均包括电介质板113和铺设在电介质板113上的多对相互垂直的银浆条114；其中的电介质板113只起支撑作用，而多对相互垂直的银浆条114能激发sspp；一对银浆条114分别平行于金属底板2和垂直于金属底板2；多对相互垂直的银浆条114的长度从上之下依次增大；每个第一吸波体111的两端分别垂直连接一个第二吸波体112；两个第一吸波体111和两个第二吸波体112构成sspp的一个吸波单元；所述吸波单元的中心轴线垂直于金属底板2。本发明实施例中一个吸波体的相互垂直的银浆条114的对数为12，银浆条114的宽度为0.2mm；微波宽带吸波器参数如下:金属底板的长度p＝10mm，吸波结构的高度为h＝5mm，与金属底板平行的银浆条的最长长度a＝9.1mm，与金属底板垂直的银浆条的长度b＝4.6mm，与金属底板平行的银浆条的最短长度d＝4.7mm，电介质板厚度t＝0.75mm，磁性薄膜厚度u＝0.15mm。
[0030]
可选的，磁性薄膜12位于电介质板113远离银浆条114的一侧。
[0031]
可选的，磁性薄膜12的厚度不超过0.2mm。
[0032]
可选的，金属底板2为具有全反射电磁波的导电材料。
[0033]
可选的，通过调节相互垂直的银浆条114的对数和长度，以改变调控结构的色散曲
线和吸波性能。
[0034]
采用cst studio suite软件对模型进行理论计算。不同长度的相互垂直的银浆条114具有如图2中所示的色散曲线，记与金属底板2平行的银浆条114的最短长度为线ⅰ，记与金属底板2平行的银浆条114的最短长度为线ⅱ。其中与金属底板2平行的银浆条114具有较低的截止频率，与金属底板2垂直的银浆条114具有较长的截止频率。每对相互垂直的银浆条114会吸收截止频率附近的电磁波。将多条不同长度的相互垂直的银浆条114组合而成的结构能实现宽带吸收。进一步地，计算了不同长度的相互垂直的银浆条114的群速度，证明sspp结构11在截止频率附近的群速度接近于0，在低于截止频率时也能有效降低波速。
[0035]
如图3所示，sspp能够把电磁波局域在电介质板113一侧的银浆条114附近，图中横坐标在7ghz时，sspp加强了电磁波和磁性薄膜的耦合，使得磁性薄膜处的能量显著增强，提升了磁性材料的低频吸收性能；在12ghz时，磁性材料也几乎没有影响sspp的局域特性，也就没有破坏sspp的高频吸收性能。
[0036]
如图4所示，磁性薄膜12具有较大的电损耗和磁损耗。在sspp的局域性和慢波特性的作用下，可以只用很薄的磁性薄膜12实现低频的吸收，克服了传统磁性材料增重的缺点。
[0037]
如图5所示，微波宽带吸波器能在5.2-18ghz的波段内实现吸收率大于90％。
[0038]
采用相对介电常数为4.3，损耗正切角为0.025的fr-4基板作为电介质板113，采用方阻为1.5ohm/sq的银浆条114作为激发sspp的结构。采用的0.15mm厚的磁性薄膜12，也可使用其他具有高吸波性的薄膜材料。金属底板2可采用铜、铁、铝等金属充当反射面。
[0039]
本发明的性能优于背景技术中所提文献记载的sspp吸波体；相比于基于磁性材料的吸波体，本发明的微波宽带吸波器具有大幅减重的优势。
[0040]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。