CN110854545B

CN110854545B - 一种基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器

Info

Publication number: CN110854545B
Application number: CN201911035251.2A
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 王子隆; 刘厚兵; 胡才星
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: CN110854545A

Abstract

本发明公开了一种基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，包括底部的水银储存槽，所述水银储存槽的上方具有由水银贴片及玻璃腔构成的谐振单元，所述水银贴片包括十字形水银环贴片及所述十字形水银环贴片四周的十字形水银贴片，所述十字形水银环贴片的中心设有十字形玻璃腔，所述十字形玻璃腔下表面中心通过圆柱通孔与底面水银储存槽上表面中心连通。本发明通过温度场的调控，利用长方体储存槽内水银的热胀冷缩，改变水银谐振单元的数量和形状，实现了吸波性能的可调节特性。

Description

一种基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器

技术领域

本发明涉及一种频带转移吸波器，尤其是一种基于水银热胀冷缩可调控的频带转系吸波器，属于微波器件技术领域。

背景技术

随着数字化、信息化时代的到来，电子网络设备的电磁辐射不仅降低自身的可靠性、稳定性，而且日渐恶化电磁环境，严重危害人类健康，是继水源、空气和噪声污染之后的第四大污染源。由于太赫兹波所处的位置非常特殊，使得它具有独特的电磁性质，广泛应用于成像、生物医学检测、军事、通信和天文物理等多个领域。随着太赫兹科学的发展，太赫兹吸收器等能改善传输过程和性能的功能器件引起了人们研究的热潮。

太赫兹波在电磁波谱中的位置非常特殊，处于毫米波(亚毫米波)与红外波段之间，它位于电子学与光子学的交叉区域，由电子学或光子学的方法都可以产生太赫兹波。由于太赫兹波所处的位置非常特殊，使得它具有独特的电磁性质，广泛应用于成像、生物医学检测、军事、通信和天文物理等多个领域。由于自然界中对太赫兹波有响应的物质很少，加上缺乏有效的太赫兹波产生方法和探测方法，使得太赫兹波技术的发展落后于其它波段，因此成为了电磁波谱研究中相对滞后的波段，被称为“太赫兹空隙”。随着太赫兹科学的发展，THz吸波器的研究一度成为研究的重点。

水银常温下是一种性能良好的液态金属，并且水银膨胀系数相对较大，在外界温度场的人工调控下，会使水银谐振单元的形状结构发生变化，从而吸波性能发生变化，具有一定的可调节特性。在以往可调谐吸波器的研究中，水银热胀冷缩特性在吸波器领域一直未被使用，因此具有极大的发展潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，在外部温度场的人工调控下，利用底层长方体储存槽内水银的热胀冷缩，改变上层水银谐振单元的数量和形状，该吸波器可以自由切换两种工作状态(初始状态和膨胀状态)，从而实现了吸波性能的可调节特性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，包括底部的水银储存槽，所述水银储存槽的上方具有由水银贴片及玻璃腔构成的谐振单元，所述水银贴片包括十字形水银环贴片及所述十字形水银环贴片四周的十字形水银贴片，所述十字形水银环贴片的中心设有十字形玻璃腔，所述十字形玻璃腔下表面中心通过圆柱通孔与底面水银储存槽上表面中心连通。

进一步的，所述十字形玻璃腔和十字形水银环贴片的中心与介质基板上表面中心重合，四个十字形水银贴片以介质基板上表面中心为中心对称分布在上表面四周。

进一步的，所述十字形玻璃腔是由两个长a＝59μm，宽b＝10μm，厚度e＝0.5μm的长方体在中心处垂直组合构成，腔壁厚度为0.05μm；所述十字形水银环贴片是由一个大十字形水银贴片在中心处去除一个同中心的小十字水银贴片构成，所述大十字形水银贴片由两个长i+2k＝75μm，宽i＝45μm，厚度e＝0.5μm的长方体在中心处垂直组合构成，小十字形水银贴片由两个长j+2k＝69μm，宽j＝39μm，厚度e＝0.5μm的长方体在中心处垂直组合构成；对称分布于上表面四周的十字形水银贴片是由长为15μm，宽为3μm，厚度为0.5μm的长方体在中心处垂直组合构成。

进一步的，所述长方体水银存储槽的长x＝140μm，宽x＝140μm，高y＝16.5μm，距离底层金属反射板1.5μm，椎体通道上底面直径r₃＝1μm，下底面直径x＝140μm，高l₂＝3.5μm，中间层十字形玻璃腔由两个长i＝126μm，宽j＝18μm，厚度k＝0.25μm的长方体在中心处垂直组合构成，圆柱通孔底面直径r₄＝2.5μm，高l₁＝3.25μm，上层十字形玻璃腔由两个长d＝130μm，宽f＝26μm，厚度e＝0.25μm的长方体在中心处垂直组合构成。

进一步的，所述水银环贴片与水银贴片都是处于玻璃腔之中，玻璃腔的腔壁厚度为0.05μm。

进一步的，所述介质基板边长p＝164μm，厚度h＝46μm，材质为聚酰亚胺，损耗角正切为0.02，介电常数为2，设置于金属反射板上方。

进一步的，所述圆柱通孔底面半径为1μm，高为24μm。

进一步的，所述水银储存槽呈长方形，且同时充当金属反射板的功能，长p＝110μm，宽p＝110μm，高l＝10μm。

进一步的，在外部温度场的人工调控下，利用长方体储存槽内水银的热胀冷缩，改变上层水银谐振单元的数量和形状，所述频带转移吸波器具有两种工作状态，即初始状态和膨胀状态，从而实现了吸波性能的可调节特性；

当外界温度为0℃时，水银只储存在底层长方体水银储存槽中，此状态称为初始状态，在此状态下，该吸波器可以实现对2.57THz和2.96THz频点处的双频点吸收，同时也实现了对6.37～6.94THz波段的窄带吸收，相对带宽为9.0％；通过外部的人工加热，使得吸波器所处环境温度为25℃，通过圆柱通孔充满上表面中心的十字形玻璃腔，此状态称为膨胀状态，在此状态下该结构单元可以实现对3.12THz频点处的单频点吸收，同时也实现了对6.06～7.20THz波段处的宽带吸收，相对带宽为17.2％。

本发明以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明是基于水银热胀冷缩可调控的频带转移吸波器，通过温度场的调控，利用长方体储存槽内水银的热胀冷缩，改变水银谐振单元的数量和形状，可将吸波器在初始状态下对2.57THz和2.96THz频点处的双频点吸收和对6.37～6.94THz波段的窄带吸收，转化为膨胀状态时对3.12THz频点处的单频点吸收和对6.06～7.20THz波段处的宽带吸收，实现了吸波性能的可调节特性。

(2)本发明可以在较小的物理尺寸下实现对THz波段电磁波的吸收，具有设计灵活，功能性强等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明在TE模式下电磁波垂直入射且吸波器处于初始状态吸收曲线。

图5为本发明在TE模式下电磁波垂直入射且吸波器处于膨胀状态吸收曲线。

附图标记解释：1、2、3、4—十字形水银贴片，5—十字形水银环贴片，6—十字形玻璃腔，7—圆柱通孔，8—介质基板，9—长方体水银储存槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明

作为本发明所述的一种基于水银热胀冷缩可调控的频带转移吸波器的设计和原理，该吸波器利用介质基板上表面玻璃腔中水银的谐振作用。上表面水银贴片由3部分组成，分别为中心十字形玻璃腔6，十字形水银环贴片5，分布在四周的十字形水银贴片1、2、3、4。圆柱通孔7嵌在介质基板8中，连通上表面中心玻璃腔6和底层长方体水银储存槽9。所述吸波器立体示意图如图1所示。

所述的基于水银热胀冷缩可调控的频带转移吸波器的产生方法，谐振单元为上表面水银贴片，其状态分为两种，一种是初始状态，一种是膨胀状态。初始状态时，水银储存在底层长方体水银储存槽9中，膨胀状态时，水银经过圆柱通孔7充满上表面十字形玻璃腔6。通过温度场的调控，利用长方体储存槽内水银的热胀冷缩，改变水银谐振单元的数量和形状，可将吸波器在初始状态下双频点吸收和窄带吸收，转化为膨胀状态时单频点吸收和宽带吸收，实现了吸波性能的可调节特性。

所述的基于水银热胀冷缩可调控的宽带转移吸波器的产生方法，由于该吸波器结构是一个高度对称的结构，所以该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，电磁波垂直入射(电场沿y轴方向)时，吸波器主要通过介质基板上表面水银贴片作用完成，实现吸波器吸收波段在THz波段的频带转移。

所述的基于水银热胀冷缩可调控的宽带转移吸波器，其中水银是一种常温下为液态的金属，液态温度范围在-38.83～356.73℃，膨胀系数为1.8×10^-4，调节范围较大。同时，水银的导电性良好，并且电导率随温度影响较小，因此，在温度场的调控下，水银具有稳定的吸波特性。

所述的介质基板是由有损耗的聚酰亚胺作为材料，其介电常数为2，损耗角正切值0.02。

该吸波器的相关参数如表1所示。

参数	a	b	d	e
					值(μm)	59	10	3	0.5
参数	f	h	i	j
					值(μm)	15	34	45	39
参数	k	l	p	x
					值(μm)	15	10	110	22

表1

图4和图5所示，是该吸波器在两种状态工作时的吸收曲线，由于该吸波器是高度对称的结构，所以该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，以下两种状态的吸收曲线均以TE模式下为例，工作时电磁波沿-z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率，故A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)。图4是初始状态的吸收曲线，该吸波器实现了对2.57THz和2.96THz频点处的双频点吸收和对6.37～6.94THz波段的窄带吸收。图5是膨胀状态的吸收曲线，该吸波器实现了对3.12THz频点处的单频点吸收和对6.06～7.20THz波段处的宽带吸收。

经过特定设计后，本发明可以根据人工需要自由调控吸波频率范围。主要吸收是由介质基板上表面水银贴片引起，可以在较小的物理尺寸下实现对电磁波的进行吸收，本发明具有结构新颖，温度场调控，设计灵活，功能性强等特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，其特征在于：包括底部的水银储存槽，所述水银储存槽的上方具有由水银贴片及玻璃腔构成的谐振单元，所述水银贴片包括十字形水银环贴片及所述十字形水银环贴片四周的十字形水银贴片，所述十字形水银环贴片的中心设有十字形玻璃腔，所述十字形玻璃腔下表面中心通过圆柱通孔与底面水银储存槽上表面中心连通；所述十字形玻璃腔和十字形水银环贴片的中心与介质基板上表面中心重合，四个十字形水银贴片以介质基板上表面中心为中心对称分布在上表面四周。

2.根据权利要求1所述的基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，其特征在于：所述十字形玻璃腔是由两个长a=59 μm，宽b=10 μm，厚度e=0.5 μm的长方体在中心处垂直组合构成，腔壁厚度为0.05 μm；所述十字形水银环贴片是由一个大十字形水银贴片在中心处去除一个同中心的小十字水银贴片构成，所述大十字形水银贴片由两个长i+2k=75 μm，宽i=45 μm，厚度e=0.5 μm的长方体在中心处垂直组合构成，小十字形水银贴片由两个长j+2k=69 μm，宽j=39 μm，厚度e=0.5 μm的长方体在中心处垂直组合构成；对称分布于上表面四周的十字形水银贴片是由长为15 μm，宽为3μm，厚度为0.5μm的长方体在中心处垂直组合构成。

3.根据权利要求1所述的基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，其特征在于：所述水银贴片处于玻璃腔之中，玻璃腔的腔壁厚度为0.05 μm。

4.根据权利要求1所述的基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，其特征在于：所述介质基板边长p=164 μm，厚度h=46 μm，材质为聚酰亚胺，损耗角正切为0.02，介电常数为2，设置于金属反射板上方。

5.根据权利要求1所述的基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，其特征在于：所述圆柱通孔底面半径为1 μm，高为24 μm。

6.根据权利要求1所述的基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器，其特征在于：所述水银储存槽呈长方形，且同时充当金属反射板的功能，长p=110 μm，宽p=110 μm，高l=10 μm。