CN102811595B - 一种宽频吸波材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频吸波材料，所述宽频吸波材料虚拟划分为多个基本单元，每一基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠的多层片层，每层片层包括基材以及涂覆于基材表面的金属涂层；沿电磁波传播方向各层片层尺寸逐渐增大且各层片层的中心轴线重合。本发明通过设计金字塔形的基本单元，并优选地使得金字塔形的基本单元不同部位的基材具有不同的介电常数从而实现阻抗匹配和宽频吸波的效果，本发明宽频吸波材料在7.5GHZ至12GHZ的频宽内，电磁波衰减度均能达到10dB以上。
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，以电磁波为媒介的各种技术和产品越来越多，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，提出一种吸波频段较宽、厚度较薄吸波性能较好的宽频吸波材料。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种宽频吸波材料，所述宽频吸波材料虚拟划分为多个基本单元，每一基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠的多层片层，每层片层包括基材以及涂覆于基材表面的金属涂层；沿电磁波传播方向各层片层尺寸逐渐增大且各层片层的中心轴线重合。
进一步地，沿电磁波传播方向，将所述基本单元划分为三部分，第一部分的片层的基材均具有第一介电常数，第二部分的片层的基材均具有第二介电常数，第三部分的片层的基材均具有第三介电常数。第一介电常数小于第二介电常数小于第三介电常数。
进一步地，沿电磁波传播方向，各层片层尺寸按照等差方式逐渐增大。
进一步地，第一部分基本单元包括四层片层，每层片层的基材的第一介电常数为2.6至2.8；第二部分基本单元包括十三层片层，每层片层的基材的第二介电常数为3.5至4.0；第三部分基本单元包括三层片层，每层片层的基材的第三介电常数为8.5至9.0。
进一步地，每层片层厚度为0.2毫米，金属涂层厚度为0.01至0.02毫米。
进一步地，所述第一部分基本单元的片层的基材材料为FR4材料、F4B材料或PS材料。
进一步地，所述第二部分基本单元的片层的基材材料为FR4材料、F4B材料或PS材料。
进一步地，所述第三部分基本单元的片层的基材材料为FR4材料、F4B材料或PS材料。
进一步地，所述金属涂层材料为铜、银或铝。
进一步地，各层片层附着有金属涂层的表面呈正方形，最大正方形表面边长为10.4毫米，最小正方形表面边长为5毫米。
本发明通过设计金字塔形的基本单元，并优选地使得金字塔形的基本单元不同部位的基材具有不同的介电常数从而实现阻抗匹配和宽频吸波的效果，本发明宽频吸波材料在7.5GHZ至12GHZ的频宽内，电磁波衰减度均能达到10dB以上。
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为本发明宽频吸波材料的基本单元的立体结构示意图；
图3为本发明宽频吸波材料优选实施例的仿真结果图。
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1以及该人造微结构附着的基材2。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，超材料既可由多个超材料基本单元拼接或组装而成，也可将人造金属微结构周期排布于基材上构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。
本发明利用上述超材料原理设计吸波超材料，与图1不同的是，本发明宽频吸波材料的基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠的多层片层，各层片层包括基材以及金属涂层，金属涂层将基材表面全部涂覆。金属涂层厚度均优选为0.01至0.02毫米，每层片层厚度均优选为0.2毫米。金属涂层材料可为铜、银、铝等各类导电金属。
请参照图2，图2即为本发明宽频吸波材料一实施例中，基本单元的立体结构示意图。由图2可知，各层片层尺寸沿电磁波传播方向逐渐增大且各层片层的中心轴线重合。同时，沿电磁波传播方向，将基本单元划分为三部分，第一部分的片层的基材均具有第一介电常数，第二部分的片层的基材均具有第二介电常数，第三部分的片层的基材均具有第三介电常数。第一介电常数小于第二介电常数小于第三介电常数。优选地，第一部分基本单元包括四层片层，每层片层的基材的第一介电常数为2.6至2.8；第二部分基本单元包括十三层片层，每层片层的基材的第二介电常数为3.5至4.0；第三部分基本单元包括三层片层，每层片层的基材的第三介电常数为8.5至9.0。整个基本单元为二十层片层，厚度为(0.2+0.018)*20＝4.36毫米，厚度非常薄。具有第一介电常数、第二介电常数、第三介电常数的材料可为FR-4材料、F4B材料、PS材料等。
优选地，各层片层附着有金属涂层的表面为正方形，沿电磁波传播方向，各层片层的正方形表面的尺寸按等差方式逐渐增大。等差比例为：(最大正方形表面边长-最小正方形表面边长)/(片层层数-1)。优选地，本发明宽频吸波材料中，最大正方形表面边长为10.4毫米，最小正方形表面边长为5毫米。
本发明的基本单元的各层片层的尺寸逐渐增大，满足阻抗匹配效果。同时相邻片层的金属涂层构成等效电容，金属涂层本身构成等效电感，基本单元整体形成多个LC等效电路。通过合理配置金属涂层尺寸、基材等效介电常数以及基材厚度来调整LC等效电路中的各等效电容和等效电感值，使多个LC等效电路的谐振频点组合后以达到宽频吸波效果。另外，由于本发明的吸波频点由等效电容和等效电感构成的LC谐振电路决定，当需要改变吸波频点时，只需要改变金属涂层尺寸或者基材等效介电常数或者基材厚度即可。
当本发明宽频吸波材料基本单元采用20层片层，第一部分包括四层片层，每层片层的基材的第一介电常数为2.65；第二部分包括十三层片层，每层片层的基材的第二介电常数为3.73；第三部分包括三层片层，每层片层的基材的第三介电常数为8.79；每层片层厚度为0.2毫米；沿电磁波传播方向，各层片层的正方形表面的尺寸按等差方式逐渐增大，最大正方形表面尺寸为10.4毫米，最小正方形表面为5毫米时，本发明宽频吸波材料的S11参数仿真效果如图3所示。
由图3可知，本发明宽频吸波材料吸波效果较好，在7.5GHZ至12GHZ的频宽内，电磁波衰减度均能达到10dB以上。
c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)
1.一种宽频吸波材料，其特征在于：所述宽频吸波材料虚拟划分为多个基本单元，每一基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠的多层片层，每层片层包括基材以及涂覆于基材全部表面的金属涂层；沿电磁波传播方向各层片层表面边长逐渐增大且各层片层的中心轴线重合。
2.如权利要求1所述的宽频吸波材料，其特征在于：沿电磁波传播方向，将所述基本单元划分为三部分，第一部分的片层的基材均具有第一介电常数，第二部分的片层的基材均具有第二介电常数，第三部分的片层的基材均具有第三介电常数， 第一介电常数小于第二介电常数小于第三介电常数。
3.如权利要求2所述的宽频吸波材料，其特征在于：沿电磁波传播方向，各层片层表面边长按照等差方式逐渐增大。
4.如权利要求2所述的宽频吸波材料，其特征在于：第一部分基本单元包括四层片层，每层片层的基材的第一介电常数为2.6至2.8；第二部分基本单元包括十三层片层，每层片层的基材的第二介电常数为3.5至4.0；第三部分基本单元包括三层片层，每层片层的基材的第三介电常数为8.5至9.0。
5.如权利要求1或4所述的宽频吸波材料，其特征在于：每层片层厚度为0.2毫米，金属涂层厚度为0.01至0.02毫米。
6.如权利要求4所述的宽频吸波材料，其特征在于：所述第一部分基本单元的片层的基材材料为FR4材料、F4B材料或PS材料。
7.如权利要求4所述的宽频吸波材料，其特征在于：所述第二部分基本单元的片层的基材材料为FR4材料、F4B材料或PS材料。
8.如权利要求4所述的宽频吸波材料，其特征在于：所述第三部分基本单元的片层的基材材料为FR4材料、F4B材料或PS材料。
9.如权利要求1所述的宽频吸波材料，其特征在于：所述金属涂层材料为铜、银或铝。
10.如权利要求1或3所述的宽频吸波材料，其特征在于：各层片层附着 有金属涂层的表面呈正方形，最大正方形表面边长为10.4毫米，最小正方形表面边长为5毫米。
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