高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器制造技术

本发明专利技术公开了一种高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器。该陶瓷基超材料吸收器结构简单紧凑，与不同介质陶瓷体系兼容度高，以获得不同频率的完美吸收特性；无需衬底，可与多种微波/毫米波器件与系统集成匹配，打破了传统构筑完美吸收器件的理论框架。所述吸收器包括陶瓷谐振单元阵列，所述陶瓷谐振单元阵列包括若干个呈矩阵分布的陶瓷谐振单元。所述陶瓷谐振单元由一块具有正交立方体结构的温度稳定型介质陶瓷构成，根据等效电路模型，其等效电阻R的表达式为：式中，Q为完美吸收频点处陶瓷的损耗角正切值的倒数；L为陶瓷谐振单元长边的长度；S为陶瓷谐振单元的横截面积，S＝h

【技术实现步骤摘要】
高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器。

技术介绍

[0002]超材料吸收器在太阳能吸收/转换，微波/毫米波抗电磁干扰、探测、成像等领域具有广阔的应用前景。近些年来，随着功能陶瓷材料的不断发展，陶瓷基超材料的相关研究不断涌现。相比于传统金属基超材料的损耗大(欧姆损耗大)、结构复杂(多种谐振结构)、无法耐受高温(衬底往往是聚合物)等缺点，该类超材料的崛起为超材料吸收器的发展提供了新的方向，有望进一步推动超材料器件的产业化进程。
[0003]目前，陶瓷基超材料吸收器主要分为以下两类：
[0004]1、基于Mie谐振理论和有效介质理论，采用高介电常数(通常在100以上)氧化物介质陶瓷(如TiO2，CaTiO3和SrTiO3等)制备超材料阵列。此时，基于单一模态吸收特点，为了提升效率获得完美吸收，大面积的金属反射板结构不可缺少，导致这类超材料吸收器可集成性和工艺匹配性仍需进一步提升，且温度稳定性较差的问题得不到解决。
[0005]2、基于等离子体的激发机制，采用导电陶瓷(如硼化物和氮化物等)制备“导电陶瓷
‑
介质
‑
导电陶瓷”的三明治结构超材料。此时，各层之间的工艺匹配性要求使得材料选择受限，为其灵活设计制造了极大障碍，不利于完美吸收的稳定实现。此外，工作温度的变化往往导致该类材料电导率发生波动，使得超材料吸收器的频率温度稳定性显著降低，循环性能较差(800℃以上易被氧化)。
[0006]应对实际应用场景下的不同需求，例如宇宙探测、飞机发动机等极端高温环境(往往高于1000℃)等，上述陶瓷基超材料吸收器面临的共同问题包括工艺结构相对复杂、可集成性不好、吸收稳定性较差，严重限制了其进一步应用。由此可见，高性能可集成的超材料吸收器亟需突破现有的超材料设计框架。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的提供一种高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器。该陶瓷基超材料吸收器结构简单紧凑，与不同介质陶瓷体系兼容度高，以获得不同频率的完美吸收特性；无需衬底，可与多种微波/毫米波器件与系统集成匹配，打破了传统构筑完美吸收器件的理论框架。
[0008]如图1所示，本专利技术所提供的高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器包括陶瓷谐振单元阵列，所述陶瓷谐振单元阵列包括陶瓷谐振单元1；若干个陶瓷谐振单元1呈矩阵分布。
[0009]根据本专利技术的一个实施例，优选地，如图2所示，所述陶瓷谐振单元由一块具有正交立方体结构的温度稳定型介质陶瓷构成，根据等效电路模型，其等效电阻R的表达式为：
[0010][0011]式中，Q为完美吸收频点处陶瓷的损耗角正切值的倒数；L为陶瓷谐振单元长边的长度；S为陶瓷谐振单元的横截面积，S＝h
×
r，S＝h
×
r，h为陶瓷谐振单元的高，r为陶瓷谐振单元短边的长度；ω为完美吸收频点；ε0为真空介电常数；ε
r
为陶瓷的相对介电常数。
[0012]上述Q值由网络分析仪测量获得陶瓷材料的Qf值，进而根据色散关系得到相应频点下陶瓷材料的Q值。该Q值可参照本领域的常规方法获得。
[0013]ε0为一个常数，近似为8.854187817
×
10
‑
12
F/m。
[0014]ω由comsol计算获得，再由测量验证。该ω值的测定方法可参照本领域的常规方法获得。
[0015]在得到合适的R值后，通过调控耦合间距d(如图3所示)，则超材料周期为L+d，可诱导陶瓷谐振单元阵列获得完美吸收特性。
[0016]本专利技术中，形成所述陶瓷谐振单元的陶瓷材料的相对介电常数ε
r
可为45
‑
100，Qf值为4000
‑
10000GHz。
[0017]本专利技术中，所述耦合间距d可在0.1
‑
0.2mm范围内调节。
[0018]在本专利技术的具体实施例中，L＝3.6mm；h＝1.125mm，r＝1.57mm。
[0019]在本专利技术的具体实施例中，设置陶瓷的相对介电常数为70，品质因数Qf值为6200GHz(该类陶瓷的Qf值在微波/毫米波频段近似为定值)，d为0.12mm，其仿真结果如图4所示。此时，完美吸收的温度稳定性仅由陶瓷材料本身的介电性能决定。
[0020]本专利技术所述的R值由材料参数和单元尺寸等效而来，便于理解物理过程，并不具有实际意义，本专利技术实施例中等效电阻R约为22806Ω。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0022]结构简单紧凑，与不同介质陶瓷体系兼容度高，以获得不同频率的完美吸收特性；无需衬底，可与多种微波/毫米波器件与系统集成匹配，打破了传统构筑完美吸收器件的理论框架。
附图说明
[0023]图1为本专利技术所提供的高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器的结构示意图，其中，1为陶瓷谐振单元。
[0024]图2为图1中所示的陶瓷谐振单元的示意图；其中，L为陶瓷谐振单元长边的长度，S为陶瓷谐振单元的横截面积(S＝h
×
r)。
[0025]图3为陶瓷谐振单元结构间耦合状态示意图。
[0026]图4为L＝3.6mm，h＝1.125mm，r＝1.57mm，d＝0.12mm，介电常数为70，Qf值为6200GHz时高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器的仿真结果图。
具体实施方式
[0027]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0028]实施例1、高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器
[0029]如图1所示，本专利技术所提供的高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器包括陶瓷谐振单元阵列，所述陶瓷谐振单元阵列包括陶瓷谐振单元1；若干个陶瓷谐振单元1呈矩阵分布(如8*8矩阵排列)。
[0030]如图2所示，所述陶瓷谐振单元由一块具有正交立方体结构的温度稳定型介质陶瓷构成，根据等效电路模型，其等效电阻R的表达式为：
[0031][0032]式中，Q为完美吸收频点处陶瓷的损耗角正切值的倒数；L为陶瓷谐振单元长边的长度，L＝3.6mm；S为陶瓷谐振单元的横截面积，S＝h
×
r，h＝1.125mm，r＝1.57mm；ω为完美吸收频点；ε0为真空介电常数(其为一个常数，近似为8.854187817
×
10^
‑
12
F/m)；ε
r
为陶瓷的相对介电常数。
[0033]在得到合适的R值后，通过调控耦合间距d(如图3所示)，则超材料周期为L+d，可诱导陶瓷谐振单元阵列获得完美吸收特性。
[0034]本实施例中，设置陶瓷的相对介电常数ε
r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器，包括陶瓷谐振单元阵列，所述陶瓷谐振单元阵列包括陶瓷谐振单元；若干个陶瓷谐振单元呈矩阵分布。2.根据权利要求1所述的高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器，其特征在于：所述陶瓷谐振单元由一块具有正交立方体结构的温度稳定型介质陶瓷构成，根据等效电路模型，其等效电阻R的表达式为：式中，Q为完美吸收频点处陶瓷的损耗角正切值的倒数；L为陶瓷谐振单元长边的长度；S为陶瓷谐振单元的横截面积，S＝h
×
r，h为陶瓷谐振单元的高，r为陶瓷谐振单元短边的长度；ω为完美吸收频点；ε0为真空介电常数；ε
r
为陶瓷的相对介电常数。3.根据权利要求2所述的高性能可集成全陶瓷基超材料完美吸收器，其特征在于：设置所述陶瓷谐振单元的L＝3.6mm；h＝1.125mm，r＝1.57mm。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伟嘉，周济，文永正，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：