基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，可用于无线通信领域。

背景技术

信息时代，吸波器在无线通信，电磁器件，探测领域具有越来越大的应用价值。超表面吸波器因其小尺寸高吸波率引起人们广泛的研究。其由超表面单元有序排列而成，这些单元通常由若干层金属贴片，介质层组成的多层结构，通过合理设计单元的物理尺寸和材料参数，实现超表面吸波器与自由空间的良好阻抗匹配，降低电磁波的反射，从而实现对于特定频带电磁波的高效吸收。随着电磁波技术飞速发展，单一频率吸波器逐渐不能满足需求，为了实现更宽频带，更加灵活的吸波，频率可调超表面吸波器开始出现。

频率可调超表面吸波器主要包括基于集总元器件、基于液晶、基于石墨烯、基于微流控、基于热敏材料的频率可调超表面吸波器，通过改变上述结构的特性，呈现出不同的匹配阻抗，实现对不同电磁波的吸收。其中，基于集总元器件的频率可调超表面吸波器存在馈电难、制造复杂以及集总元器件易损坏的问题；基于石墨烯和液晶的频率可调超表面吸波器存在制备和加工复杂的问题；基于微流控的频率可调超表面吸波器由于其复杂的切换导致响应速度慢，且这些类型的频率可调超表面吸波器存在的共同缺陷是都需要外加电源，不满足可调吸波器件在实际应用中对于有效、便捷和成本低的要求。

相比于其他几种频率可调超表面吸波器基于热敏材料不需要外加电源，例如，Liansheng Wang,Dongyan Xia等人于2019年在Journal of Electromagnetic Waves andApplications第33期期刊发表了一篇名为《Thermally tunable ultra-thinmetamaterial absorber at P band》中，提出了一种基于热敏钛酸锶的频率可调超表面吸波器，其超表面单元由顶层的铜环和钛酸锶，中间的FR-4基板和底部的铜制基板三层结构组成，通过改变温度来调控钛酸锶的电容率以实现吸波的可调。该频率可调超表面吸波器通过调整温度实现对频率的调控，减小了制造复杂性，但是其所需调节温度高，调控困难，且由于超表面单元顶层为非平面结构，导致对非垂直入射波的吸波效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，旨在降低调控难度，并提高对非垂直入射波的吸波效率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，包括M×N个周期性排布的超表面单元，M≥2，N≥2，所述超表面单元包括自上而下依次排布的介质基板1、形状记忆基板2和金属底板3；所述介质基板1的板面形状为正方形，其上表面印制有第一长方形金属贴片4，下表面印制有第二长方形金属贴片5，且第一长方形金属贴片4两条短边中点的连线与第二长方形金属贴片5两条短边中点的连线在空间上垂直；所述形状记忆基板2采用通过3D打印实现的不规则“冂”型结构，其是通过沿与介质基板1板面形状相同的正方形的一组对边的中线对称的两条平行线向下弯折α角度而成，0<α≤60；所述不规则“冂”型结构的横臂上表面与介质基板(1)的下表面固定，该不规则“冂”型结构两个侧臂的自由端与金属底板(3)固定；当入射波以与介质基板(1)的中心法线成θ角度照射时，0≤θ≤60，确定角度α的变化对超表面吸波器反射系数影响最小状态下的两个长方形金属贴片的尺寸，再通过调整夹角α的值，改变形状记忆基板(2)、形状记忆基板(2)与介质基板(1)及金属底板(3)之间的空气层组成的介质层的等效介电常数，实现对超表面吸波器吸波频率的调控。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，所述第一长方形金属贴片4，其一组长边中点的连线与介质基板1上表面任意一组对边中点的连线重合。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，所述第二长方形金属贴片5，其两条对角线的交点位于介质基板1的中心法线上。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，所述形状记忆基板2，采用VeroWhitePlus、PMMA或FullCure材料。

上述基于形状记忆材料的可调超表面吸波器，所述形状记忆基板2，其沿一组对边的中线对称的两条平行线向下弯折形成的折痕与第二长方形金属贴片5的短边在空间上垂直。

上述基于形状记忆材料的可调超表面吸波器，所述金属底板3，其板面尺寸与介质基板1的板面尺寸相同，且该金属底板3的两条对角线位于介质基板1板面两条对角线的投影位置。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明当非垂直入射波照射介质基板时，首先确定不规则“冂”型结构两个侧臂向下弯折的角度，实现对两个长方形金属贴片尺寸的优化，再通过调整两个侧臂向下弯折的角度值，改变形状记忆基板、形状记忆基板与介质基板及金属底板之间的空气层组成的介质层的等效介电常数，使得超表面吸波器的等效电路输入阻抗发生改变，实现对超表面吸波器吸波频率的调控，与现有技术相比，降低了调控难度。

2、本发明由于超表面单元的顶层采用平面结构的介质基板结构，对于不同的非垂直入射波，多个超表面单元的谐振频率变化较一致，避免了现有技术中超表面单元顶层采用铜环和钛酸锶结构对非垂直入射波吸波效率的影响，且提高了吸波效率。

附图说明

图1是本发明超表面单元的结构示意图。

图2是本发明实施例在垂直入射波入射下的反射系数随形状记忆材料形状变化的仿真结果图。

图3是本发明实施例在不同入射角下的反射系数随形状记忆材料形状变化的仿真结果图。

图4是本发明与现有技术在不同入射角下的吸波效率的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器，包括M×N个周期性排布的超表面单元，M≥2，N≥2，所述超表面单元包括自上而下依次排布的正方形介质基板1、形状记忆基板2和正方形金属底板3；所述介质基板1采用介电常数为4.4，边长为10mm，厚度为2mm的FR-4板材，其上表面印制有长9.5mm，宽4mm的第一长方形金属贴片4，下表面印制有长10mm，宽4mm的第二长方形金属贴片5，所述金属底板3边长10mm；所述第一长方形金属贴片4两条短边中点的连线与第二长方形金属贴片5两条短边中点的连线在空间上垂直；所述形状记忆基板2采用介电常数为2.8的VeroWhitePlus打印材料通过3D打印实现的不规则“冂”型结构，其是通过沿与介质基板1板面形状相同的正方形的一组对边的中线对称的两条平行线向下弯折α角度而成，0<α≤60，两条平行线间距离m＝4mm；所述形状记忆基板2边长10mm，厚1mm，所述不规则“冂”型结构的横臂上表面与介质基板1的下表面固定，该不规则“冂”型结构两个侧臂的自由端与金属底板3固定；当入射波以与介质基板(1)的中心法线成θ角度照射时，0≤θ≤60，确定角度α的变化对超表面吸波器反射系数影响最小状态下的两个长方形金属贴片的尺寸，再通过调整夹角α的值，改变形状记忆基板2、形状记忆基板2与介质基板1及金属底板3之间的空气层组成的介质层的等效介电常数，实现对超表面吸波器吸波频率的调控。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器中，所述第一长方形金属贴片4，其一组长边中点的连线与介质基板1上表面任意一组对边中点的连线重合。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器中，所述第二长方形金属贴片5，其两条对角线的交点位于介质基板1的中心法线上。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器中，所述形状记忆基板2，其沿一组对边的中线对称的两条平行线向下弯折形成的折痕与第二长方形金属贴片5的短边在空间上垂直。

上述基于形状记忆材料的频率可调超表面吸波器中，所述金属底板3的两条对角线位于介质基板1板面两条对角线的投影位置。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

1.1利用商业仿真软件ANSYS HFSS对上述实例1中频率可调超表面吸波器单元的反射系数在10GHz-15GHz范围内在垂直电磁波照射下进行仿真，随形状记忆基板2形状变化的仿真结果如图2所示。

1.2利用商业仿真软件ANSYS HFSS对上述实例1中频率可调超表面吸波器单元的反射系数在10GHz-15GHz范围内在不同入射角电磁波照射下进行仿真，随形状记忆基板2形状变化的仿真结果如图3所示。

2、仿真结果分析：

参见图2，在垂直入射情况下，随着夹角α从60°变化到0°，其谐振频率从11.3GHz变为13.5GHz。

参见图3，在不同入射角照射情况下，随着夹角α从60°变化到0°，当入射角为10°时，其谐振频率从11.4GHz变为13.5GHz。当入射角为20°时，其谐振频率从11.5GHz变为13.6GHz。当入射角为30°时，其谐振频率从11.6GHz变为13.8GHz。在不同入射角照射下，其谐振频率变化较一致，说明其具有角度稳定性。

参见图4，本发明实现的频率可调超表面吸波器在非垂直入射波照射下的吸波效率与现有技术相比有较大提升。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。