CN104347949B - 一种超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料，包括：多层导电几何结构层，该多层导电几何结构层中的每一层包括基板以及位于该基板上的多个导电几何结构，每一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距相等，至少一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距与其他导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距不相等。本发明还提供了一种超材料，包括：多层导电几何结构层，该多层导电几何结构层中的每一层包括基板以及位于该基板上的多个导电几何结构，该多层导电几何结构层中的至少一层导电几何结构层上的多个导电几何结构当中相邻导电几何结构之间的间距不相等。

Description

一种超材料

技术领域

本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种吸波的超材料。

背景技术

吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料。在飞机、导弹等各种武器装备和军事设施上面涂覆吸波材料，就可以吸收侦察电波、衰减反射信号，实现对雷达的隐身效果，从而突破敌方雷达的防区。在日益重要的隐身技术中，电磁波吸收材料已成为现代军事中电子对抗中的法宝和“秘密武器”。另外，随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大，对人体健康造成的危害越来越引人关注。吸波材料在治理电磁污染方面也可以发挥巨大作用。

材料吸收电磁波需要良好的匹配特性和衰减特性，即电磁波入射在材料表面上时能够最大限度地进入材料内部，并且进入材料内部的电磁波能够迅速地几乎全部衰减掉。现有的吸波材料利用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往往不能满足特殊场合的性能需求。

由介质基板和设置在基板上的人造导电几何结构组成的超材料为实现高吸波率、小体积、结构简单的吸波材料提供了方向。图1示出了一种现有技术的超材料的设计。该超材料由两层介质基板以及周期性地排布在相应基板上的多个导电几何结构组成。具体而言，每一层基板上的导电几何结构之间的间距是相同的，并且每一层基板上导电几何结构之间的间距与其他层基板上导电几何结构之间的间距也是相同的，如图1所示。

公布号为“CN102620824”公开的中国专利“一种太赫兹频段可调多带吸波体”披露了在一层基板上周期性排布导电几何结构的吸波超材料。

公开号为“CN1926933”的中国专利申请“电磁波吸收体”披露了一种包括第一和第二导体单元层的电磁波吸收体，其中第一导体单元组中各导体单元在x方向和y方向的间隔与第二导体单元组中各单体单元在x方向和y方向的间隔相等。

上述以相同间距周期性排布的导电几何结构只能对一个频点或较窄频段的电磁波产生响应，具有响应频带窄的缺点。因此，本领域亟需一种具有较宽响应频带的超材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有较宽响应频带的超材料。

根据本发明的一方面，提供了一种超材料，包括：多层导电几何结构层，所述多层导电几何结构层中的每一层包括基板以及位于所述基板上的多个导电几何结构，每一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距相等，至少一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距与其他导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距不相等。

进一步地，每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构在第一方向和第二方向上排列分布，每一层导电几何结构层上的多个导电几何结构在所述第一方向和所述第二方向两个方向上相邻导电几何结构之间的间距相等。

进一步地，所述第一方向与所述第二方向正交。

进一步地，所述多层导电几何结构层中的每一层上相邻导电几何结构之间的间距与其他导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距互不相同。

进一步地，在垂直于所述多层导电几何结构层层面的法线方向上，所述多层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距逐渐增大或减小。

进一步地，所述多个导电几何结构中的至少一个导电几何结构是由导电材料构成的具有几何图案的人造结构、或具有多个人造结构的人造结构组。

进一步地，所述人造结构具有封闭几何图案、非封闭几何图案、或由不同尺寸的封闭几何图案和/或非封闭几何图案嵌套而成的图案。

进一步地，所述人造结构为旋转90度对称结构。

进一步地，所述人造结构为非旋转90度对称结构。

进一步地，所述人造结构的几何图案为三角形、长方形、五边形、六边形或椭圆形。

进一步地，每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构中的每一个皆为人造结构，所述多个导电几何结构的人造结构的几何图案相同、或所述多个导电几何结构中至少两个导电几何结构的人造结构的图案不同。

进一步地，每一层导电几何结构层上的人造结构的几何图案的线宽相同，且不同导电几何结构层上的人造结构的几何图案的线宽相同或不同。

进一步地，每一层导电几何结构层上的人造结构的几何图案是由不同尺寸的图形嵌套而成的，所述不同尺寸的图形之间的间距相同。

进一步地，所述基板是陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

进一步地，所述基材还包括增强材料层。

进一步地，所述导电材料为金属或非金属导电材料。

进一步地，所述金属导电材料为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。

进一步地，所述非金属导电材料为导电石墨、导电油墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

进一步地，所述导电几何结构层表面覆盖有保护层。

进一步地，相邻所述导电几何结构层之间填充有电磁损耗材料。

本发明还涉及另一种超材料，包括：

多层导电几何结构层，所述多层导电几何结构层中的每一层包括基板以及位于所述基板上的多个导电几何结构，所述多层导电几何结构层中的至少一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构当中相邻导电几何结构之间的间距不相等。

进一步地，每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构在第一方向和第二方向上排列分布，对于所述至少一层导电几何结构层，在所述第一方向和所述第二方向中的至少一个方向上，相邻导电几何结构的间距不相等。

进一步地，所述第一方向与所述第二方向正交。

进一步地，所述多层导电几何结构层中的每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构当中相邻导电几何结构之间的间距不相等。

进一步地，所述多个导电几何结构中的至少一个导电几何结构是由导电材料构成的具有几何图案的人造结构、或具有多个人造结构的人造结构组。

进一步地，所述人造结构具有封闭几何图案、非封闭几何图案、或由不同尺寸的封闭几何图案和非封闭几何图案嵌套而成的图案。

进一步地，所述人造结构为旋转90度对称结构。

进一步地，每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构中的每一个皆为人造结构，所述多个导电几何结构的人造结构的几何图案相同、或所述多个导电几何结构中至少两个导电几何结构的人造结构的图案不同。

进一步地，每一层导电几何结构层上的人造结构的几何图案的线宽相同，以及不同导电几何结构层上的人造结构的几何图案相同或不同。

进一步地，每一层导电几何结构层上的人造结构的几何图案是由不同尺寸的图形嵌套而成的，所述不同尺寸的图形之间的间距相同。

进一步地，所述多个导电几何结构层的相应基板的厚度是相同或不同的。

进一步地，所述导电几何结构层表面覆盖有保护层。

进一步地，相邻所述导电几何结构层之间填充有电磁损耗材料。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了现有技术的超材料的示意图。

图2是示出了根据本发明的一方面的超材料的示意图。

图3（包括图3A、3B）是示出了根据本发明的一方面的人造结构的示意图。

图4（包括图4A、4B）是示出了根据本发明的一方面的人造结构的示意图。

图5（包括图5A、5B）是示出了根据本发明的一方面的人造结构的示意图。

图6（包括图6A、6B、6C）是示出了根据本发明的一方面的人造结构的示意图。

图7是示出了根据本发明的一方面的超材料的导电几何结构层的示意图。

图8是示出了根据本发明的一方面的超材料的示意图。

图9是示出了根据本发明的一方面的超材料的吸波性能的仿真结果的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

超材料作为一种由介质基板和设置在基板上的人造导电几何结构组成的多层人工材料，具有一些天然材料不具备的超常物理性质。人造导电几何结构在大小1/5到1/10个波长的尺度下，对外加电场和磁场具有电响应和磁响应，从而使超材料在整体上表现出等效介电常数和等效磁导率。通过设计每个导电几何结构的图案和/或尺寸并将导电几何结构按一定规律排布，使得材料整体的电磁参数呈一定规律排布。规律排布的电磁参数使得超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。

本发明提出了一种具有较宽响应频带的超材料。根据本发明的一方面，该超材料包括多层导电几何结构层，其中每一层导电几何结构层包括基板以及位于基板上的多个导电几何结构，每一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距相等，而至少一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距与其他导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距不相等。

图2示出了根据本发明的一方面的超材料的立体图。如图2所示，超材料200包括三层导电几何结构层210、220、230。导电几何结构层210包括基板211以及排布在基板211上的多个导电几何结构212，相邻导电几何结构212之间的间距相同。相邻的两个导电几何结构212之间的间距可以指这两个导电几何结构212的中心点之间的距离。例如，这多个导电几何结构212可以在正交的x方向和y方向上皆以相等的间距D1依次排开。图2中的导电几何结构212的排布方式仅是示例性而非限制性的。本领域技术人员可以理解，导电几何结构212还可以其他方式等间距地排布。例如，导电几何结构212可以在并非正交的两个方向上等间距地排布。

基板211可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。在一实施例中，各导电几何结构层的基板的厚度是相等的，如图2中所示。但是，各导电几何结构层的基板的厚度也可以不等。导电几何结构212通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在基板211上。

图2中的超材料200还包括导电几何结构层220、230。导电几何结构层210、220、230相互之间可以通过热压工艺堆叠在一起。导电几何结构层220、230的结构与上述导电几何结构层210相似，即导电几何结构层220的多个导电几何结构222以及导电几何结构层230的多个导电几何结构232也是以等间距排布。但是，导电几何结构层220的相邻导电几何结构222之间的间距为D2，以及导电几何结构层230的相邻导电几何结构232之间的间距为D3，其中D1、D2、D3互不相等。各导电几何结构层210、220、230上的导电几何结构以不同的间距进行排布可以使超材料200对多个频点或频段的电磁波产生响应。通过设计不同导电几何结构的响应频段使得响应频段能够连续，可以实现响应频段的扩展。

根据本发明的一个方面，在与导电几何结构层层面垂直的法线方向上，各导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距逐渐增大或减小。例如，如图所示，导电几何结构层210、220、230上相邻导电几何结构之间的间距逐渐增大，即D1<D2<D3。在一实施例中，导电几何结构层210、220、230上相邻导电几何结构之间的间也可以距逐渐减小，即D1>D2>D3。

导电几何结构212、222、232可以是由导电材料构成的具有几何图案的人造结构。导电材料可以是金属导电材料或非金属导电材料。例如，金属导电材料可以是金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。非金属导电材料可以是导电石墨、导电油墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。图2中的导电几何结构212、222、232为具有方形图案的人造结构，然而，这仅是说明性而非限制性的。根据具体应用需求，人造结构可以具有各种其他图案。

根据本发明的一方面，人造结构可以具有封闭几何图案。在一实施例中，封闭几何图案可以是一个图形，例如一个圆形或一个正（4*N）边形，N为正整数。例如，图2中的导电几何结构的方形几何图案即为一种封闭几何图案。在另一实施例中，封闭几何图案可以是由多个尺寸不同的图形例如圆形和/或正（4*N）边形共中心点嵌套形成的图形。包括图3A和3B的图3示出了根据本发明的一方面的人造结构的几何图案。如图3A和3B所示，这两种人造结构分别具有由两个圆形嵌套而成的图案和由两个方形嵌套而成的图案。

根据本发明的一方面，人造结构可以具有非封闭几何图案。在一实施例中，非封闭几何图案可通过一个图形例如一个圆形或一个正（4*N）边形上形成（4*N）个相同的缺口形成。或者，非封闭几何图案可以为多个尺寸不同的图形例如圆形和/或正（4*N）边形共中心点嵌套而成，每一圆形和/或正（4*N）边形上形成（4*N）个相同的缺口，不同的圆形和/或正（4*N）边形上形成的缺口相同或不同。包括图4A和4B的图4中示出了根据本发明的一方面的人造结构的几何图案。如图4A和4B所示，两种人造结构分别具有由两个非封闭圆形嵌套而成的图案和由两个非封闭方形嵌套而成的图案。

根据本发明的一方面，人造结构可以具有由封闭几何图案与非封闭几何图案共中心点嵌套而成的图案。包括图5A、5B的图5示出了根据本发明的一方面的人造结构的几何图案。如图5A和5B所示，两种人造结构分别具有由封闭与不封闭的圆构成的图案和由封闭与不封闭的方形构成的图案。

根据本发明的一方面，人造结构可以是90度旋转对称结构，即人造结构绕其中心点旋转90度后得到的新人造结构与原人造结构重合。具有此种特性的人造结构表现出各向同性，即对各个方向入射的电磁波都具有相同的电磁响应。例如，上述图3所示的具有封闭图案的人造结构、图4所示的具有非封闭图案的人造结构、以及图5所示的具有封闭几何图案与非封闭几何图案共中心点嵌套而成的图案的人造结构皆为90度旋转对称结构。

根据本发明的一方面，人造结构也可以是非90度旋转对称结构，即人造结构绕其中心点旋转90度后得到的新人造结构与原人造结构不重合。具有此种特性的人造结构表现出各向异性，即对各个方向入射的电磁波具有不同的电磁响应。常见的非90度旋转对称结构的人造结构几何图案有三角形、长方形、五边形、六边形、椭圆形等等。图6示出了根据本发明的一方面的人造结构的几何图案。图6A、6B、6C中的三种人造结构分别是具有封闭图案、具有非封闭图案、以及具有封闭几何图案与非封闭几何图案嵌套而成的图案的人造结构，它们同时皆为非90度旋转对称结构。

根据本发明的一方面，每一层导电几何结构层上各个人造结构的几何图案的线宽是相同的。例如，图3-6中的人造结构的几何图案的线宽是相同的。但是，不同导电几何结构层上人造结构的几何图案的线宽可以不同。

根据本发明的一方面，人造结构可以具有由多个不同尺寸的图形嵌套而成的几何图案，这些嵌套在一起的图形之间的间距是相等的，如图3-6所示。但是，不同导电几何结构层上构成人造结构的几何图案的图形之间的间距可以不相等。

回到图2，每一层导电几何结构层210、220、230上的各导电几何结构212、222、232中的每一者皆为由导电材料构成的具有几何图案的人造结构。在一实施例中，每一层导电几何结构层上各导电几何结构的人造结构的几何图案都是相同的，例如为方形，如图2所示。在另一实施例中，每一层导电几何结构层上至少两个导电几何结构的人造结构的几何图案是不相同的。

根据本发明的一方面，每一层导电几何结构层上至少一个导电几何结构可以是具有多个人造结构的人造结构组。在一实例中，每一层导电几何结构层上的所有导电几何结构皆为人造结构组。图7示出了一导电几何结构层710，其中每个导电几何结构712皆为具有5个人造结构（即，圆形图案）的人造结构组。在此情形中，每一层导电几何结构层上的相邻导电几何结构（即，相邻人造结构组）之间的间距相等，但是不同导电几何结构层上相邻导电几何结构（即，相邻人造结构组）之间的间距不相等。

上文结合图2描述了本发明的超材料每一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距相等的一方面。根据本发明的另一方面，该超材料包括：多层导电几何结构层，每一层包括基板以及位于所述基板上的多个导电几何结构，这多层导电几何结构层中的至少一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距不相等。

图8示出了根据本发明的一方面的超材料的一层导电几何结构层810。导电几何结构层810包括基板811以及排布在基板811上的多个导电几何结构812，相邻导电几何结构812之间的间距是不相等的。尽管出于说明目的，图8仅示出了超材料的一层导电几何结构层810，但是本领域技术人员容易理解，该超材料可以包括与该导电几何结构层810堆叠在一起的其他导电几何结构层。

在一实例中，这多个导电几何结构812可以在正交的x方向和y方向上依次排开，在x方向上相邻导电几何结构812之间的间距是不相等的，并且在y方向上相邻导电几何结构812之间的间距也是不相等的，如图8所示。但是在另一实例中，在x和y方向中的一个方向上，相邻导电几何结构812之间的间距是不相等的，而在另一方向上相邻导电几何结构812之间的间距是相等的。图8中的导电几何结构812的排布方式仅是示例性而非限制性的。本领域技术人员可以理解，导电几何结构812还可以其他方式不等间距地排布。例如，导电几何结构212可以在并非正交的两个方向上不等间距的排布。

图8中所示的导电几何结构层810上每个导电几何结构812是由不同尺寸的四个图形嵌套而成的人造结构，其中外层的两个图形为非封闭圆以及内层的两个图形为封闭圆。导电几何结构层810上每个导电几何结构812的人造结构的这四个圆之间的间距是相等的。但是对于不同导电几何结构层，该间距可以是不同的。另外，导电几何结构层810上每个导电几何结构812的人造结构的这四个圆的线宽是相等的，但是在其他实施例中也可以不等。

另外，超材料外表面上的导电几何结构层表面可以覆盖有保护层，例如防潮漆、塑封外壳等。相邻导电几何结构层之间也可填充有电磁损耗材料，即对电磁波的吸收率大于50%的材料，从而进一步提高吸波效果。

图9是示出了根据本发明的超材料的吸波性能的仿真结果的示意图。通过运用CST（Computer Simulation Technology）仿真软件得到S11参数的仿真图。从图9可以看出，电磁波在3-16GHz之间具有高于10-30dB的衰减度，在较宽的频段内实现了非常好的吸波性能。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种超材料，包括：

多层导电几何结构层，所述多层导电几何结构层中的每一层包括基板以及位于所述基板上的多个导电几何结构，每一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距相等，至少一层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距与其他导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距不相等，在垂直于所述多层导电几何结构层层面的法线方向上，所述多层导电几何结构层上相邻导电几何结构之间的间距逐渐增大或减小。

2.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构在第一方向和第二方向上排列分布，每一层导电几何结构层上的多个导电几何结构在所述第一方向和所述第二方向两个方向上相邻导电几何结构之间的间距相等。

3.如权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向正交。

4.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述多个导电几何结构中的至少一个导电几何结构是由导电材料构成的具有几何图案的人造结构、或具有多个人造结构的人造结构组。

5.如权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述人造结构具有封闭几何图案、非封闭几何图案、或由不同尺寸的封闭几何图案和/或非封闭几何图案嵌套而成的图案。

6.如权利要求5所述的超材料，其特征在于，所述人造结构为旋转90度对称结构。

7.如权利要求5所述的超材料，其特征在于，所述人造结构为非旋转90度对称结构。

8.如权利要求5所述的超材料，其特征在于，所述人造结构的几何图案为三角形、四边形、五边形、六边形或圆形、椭圆形。

9.如权利要求4所述的超材料，其特征在于，每一层导电几何结构层上的所述多个导电几何结构中的每一个皆为人造结构，所述多个导电几何结构的人造结构的几何图案相同、或所述多个导电几何结构中至少两个导电几何结构的人造结构的图案不同。

10.如权利要求4所述的超材料，其特征在于，每一层导电几何结构层上的人造结构的几何图案的线宽相同，且不同导电几何结构层上的人造结构的几何图案的线宽相同或不同。

11.如权利要求4所述的超材料，其特征在于，每一层导电几何结构层上的人造结构的几何图案是由不同尺寸的图形嵌套而成的，所述不同尺寸的图形之间的间距相同。

12.如权利要求11所述的超材料，其特征在于，所述基板是陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

13.如权利要求12所述的超材料，其特征在于，所述基板还包括增强材料层。

14.如权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述导电材料为金属或非金属导电材料。

15.如权利要求14所述的超材料，其特征在于，所述金属导电材料为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。

16.如权利要求15所述的超材料，其特征在于，所述非金属导电材料为导电石墨、导电油墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

17.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述导电几何结构层表面覆盖有保护层。

18.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，相邻所述导电几何结构层之间填充有电磁损耗材料。