CN102769210A - 一种宽频吸波超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频吸波超材料，其包括铜板底层，第一超材料片层以及第二超材料片层；所述第一超材料片层包括第一基材以及排布于第一基材上的多个第一人造微结构，所述第二超材料片层包括第二基材以及排布于第二基材上的多个第二人造微结构；所述第一人造微结构包括多个同心设置的金属圆环，所述第二人造微结构为一个金属圆环。本发明利用超材料原理设计吸波超材料，通过设置多层子单元以及各层子单元上的微结构拓扑结构以达到阻抗匹配和宽频吸波的效果。本发明宽频吸波超材料在4至18GHZ均具有较好的吸波效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种宽频吸波超材料。
背景技术
随着科学技术发展的日新月异，以电磁波为媒介的技术、各种产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如，无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞；移动电话可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；即使是普通的计算机，也会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和重现，造成国防、政治、经济、科技等方面情报的泄漏。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。
吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料，其在包括军事以及其它方面也有广泛的应用，比如隐形机、隐形衣等。材料吸收电磁波的基本条件是：（1）电磁波入射到材料上时，它能最大限度地进入材料内部，即要求材料具有匹配特性；（2）进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即衰减特性。
现有的吸波材料利用各个材料自身对电磁波的吸收性能，通过设计不同材料的组分使得混合后的材料具备吸波特性，此类材料设计复杂且不具有大规模推广性，同时此类材料的机械性能受限于材料本身的机械性能，不能满足特殊场合的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种利用超材料理论设计的宽频吸波超材料。该宽频吸波超材料吸收频段宽、吸波性能好，具有广泛的应用前景。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种宽频吸波超材料，其包括沿电磁波传播方向依次设置的第二超材料片层、第一超材料片层以及金属底层；所述第一超材料片层包括第一基材以及排布于第一基材上的多个第一人造微结构，所述第二超材料片层包括第二基材以及排布于第二基材上的多个第二人造微结构；所述第一人造微结构包括多个同心设置的金属圆环，所述第二人造微结构为一个金属圆环。
进一步地，所述第一人造微结构包括6个同心设置的金属圆环，所述6个金属圆环按半径从小到大分别为第一至第六金属圆环；第一至第六金属圆环的线宽相等，厚度相等，相邻金属圆环的间距相等。
进一步地，所述第二人造微结构的拓扑形状与所述第一人造微结构的第五金属圆环相同。
进一步地，所述第一人造微结构与第二人造微结构的材料为铜，所述铜板底层的厚度等于所述第一人造微结构或第二人造微结构厚度。
进一步地，所述第一基材为FR-4材料、陶瓷材料、铁电材料或铁氧材料。
进一步地，所述第二基材为FR-4材料、陶瓷材料、铁电材料或铁氧材料。
进一步地，所述第一人造微结构通过蚀刻、钻刻、电子刻或离子刻附着于第一基材表面上。
进一步地，所述第二人造微结构通过蚀刻、钻刻、电子刻或离子刻附着于第二基材表面上。
进一步地，所述第二人造微结构上还覆盖有覆盖层，所述第一基材、第二基材以及覆盖层的材料相同。
进一步地，所述覆盖层上还设置有阻抗匹配层，所述阻抗匹配层的阻抗值小于所述覆盖层阻抗值。
本发明利用超材料原理设计吸波超材料，通过设置多层子单元以及各层子单元上的微结构拓扑结构以达到阻抗匹配和宽频吸波的效果。本发明宽频吸波超材料在4至18GHZ均具有较好的吸波效果。
附图说明
图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；
图2为本发明宽频吸波超材料的剖视图；
图3为本发明宽频吸波超材料中第一超材料片层的立体结构示意图；
图4为本发明宽频吸波超材料中第二超材料片层的立体结构示意图；
图5为本发明宽频吸波超材料的吸波仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。
如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构100以及该人造微结构附着的基材200。人造微结构可为人造金属微结构，其具有对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸，可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应，因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波五分之一波长，优选为入射电磁波十分之一波长。本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元是一种人为的划分方法，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。
本发明利用上述超材料原理设计宽频吸波超材料，与图1不同的是，本发明吸波超材料的基本单元包括多层子单元，每层子单元上均附着有不同的微结构。通过设计不同的微结构的排布实现阻抗匹配与宽频吸波的效果。
请参照图2，图2为本发明宽频吸波超材料的剖视图。沿电磁波传播方向，本发明宽频吸波超材料包括第二超材料片层2、第一超材料片层1以及金属底层3。本实施例中，金属底层3由纯铜板构成。第一超材料片层1的立体结构示意图如图3所示，其包括第一基材10以及排布于第一基材10上的多个第一人造微结构11；第二超材料片层2的立体结构示意图如图4所示，其包括第二基材20以及排布于第二基材20上的多个第二人造微结构21。
第一人造微结构11包括多个同心设置的金属圆环，本实施例中，包括6个同心设置的金属圆环，6个金属圆环按半径从小到大分别为第一至第六金属圆环，每一金属圆环的线宽相等，厚度相等，且相邻金属圆环的间距相等。
第二人造微结构21由一个金属圆环构成，该金属圆环的尺寸与第一人造微结构11中的第五金属圆环相同。
第一基材10以及第二基材20的材料可相同也可不同，其材料可选取为FR4材料、铁电材料、铁氧材料或陶瓷材料等。可以想象地，第一基材10以及第二基材20选取具有一定吸波性能的材料时会使得本发明宽频吸波超材料的吸波性能更好。
底层3的厚度等于第一人造微结构11和第二人造微结构21上的金属圆环的厚度。
第一人造微结构11和第二人造微结构21上的金属圆环的材料可为铜、银、铝或其他导电金属，其可通过蚀刻、钻刻、电子刻、离子刻等附着于第一基材10以及第二基材20表面上。
在本发明中，多个第一人造微结构11被夹持于第一基材10以及第二基材20之间，为了保护第二人造微结构21，本发明还在第二人造微结构21上覆盖有覆盖层4，覆盖层4的材料和第二基材20材料相同。
进一步地，为使得电磁波入射到本发明宽频吸波超材料时不会因为阻抗变化过大而造成大量反射，本发明还在覆盖层4上设置有阻抗匹配层5。阻抗匹配层5的阻抗值小于第二基材20的阻抗值，使得阻抗渐变。
利用CST（Computer Simulation Technology）软件仿真本发明宽频吸波超材料的吸波性能，仿真结果如图5所示。从图5可以看出，本发明宽频吸波超材料的吸波频段较宽，在4至18GHZ均能达到-5至-20dB的吸波效果，其中在8.5至13GHZ频率，吸波性能最佳，能达到-15至-20dB的吸波效果。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种宽频吸波超材料，其特征在于：包括沿电磁波传播方向依次设置的第二超材料片层、第一超材料片层以及金属底层；所述第一超材料片层包括第一基材以及排布于第一基材上的多个第一人造微结构，所述第二超材料片层包括第二基材以及排布于第二基材上的多个第二人造微结构；所述第一人造微结构包括多个同心设置的金属圆环，所述第二人造微结构为一个金属圆环。
2.如权利要求1所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第一人造微结构包括6个同心设置的金属圆环，所述6个金属圆环按半径从小到大分别为第一至第六金属圆环；第一至第六金属圆环的线宽相等，厚度相等，相邻金属圆环的间距相等。
3.如权利要求2所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第二人造微结构的拓扑形状与所述第一人造微结构的第五金属圆环相同。
4.如权利要求3所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第一人造微结构与第二人造微结构的材料为铜，所述铜板底层的厚度等于所述第一人造微结构或第二人造微结构厚度。
5.如权利要求1所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第一基材为FR-4材料、陶瓷材料、铁电材料或铁氧材料。
6.如权利要求1所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第二基材为FR-4材料、陶瓷材料、铁电材料或铁氧材料。
7.如权利要求1所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第一人造微结构通过蚀刻、钻刻、电子刻或离子刻附着于第一基材表面上。
8.如权利要求1所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第二人造微结构通过蚀刻、钻刻、电子刻或离子刻附着于第二基材表面上。
9.如权利要求1至4任一项所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述第二人造微结构上还覆盖有覆盖层，所述第一基材、第二基材以及覆盖层的材料相同。
10.如权利要求9所述的宽频吸波超材料，其特征在于：所述覆盖层上还设置有阻抗匹配层，所述阻抗匹配层的阻抗值小于所述覆盖层阻抗值。
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