CN106252897A - 透明宽带超材料吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了透明宽带超材料吸波器，包括多个周期排列的单元结构，所述单元结构包括位于单元结构中心的上层透明谐振结构、中层透明基板及下层透明反射层，所述上层透明谐振结构位于中层透明基板的上方，所述下层透明反射层位于中层透明基板的下方；所述上层透明谐振结构为对称图形，包括一个环和位于环***的带枝节环；所述上层透明谐振结构与下层透明反射层均为透明导电材料。本发明可在X波段内有效的衰减入射电磁波的反射率，而且制造简单、工艺成熟，整体结构透光性能优异能够实现在可见光范围内透光率≥80％，具有很高的应用前景。

Description

透明宽带超材料吸波器

技术领域

本专利涉及雷达隐身和新型人工电磁材料，尤其涉及一种透明宽带材料吸波器。

背景技术

传统的多谐振结构大多是利用多层堆叠技术来实现带宽的扩展，这样对于透明吸波器而言造价高，制造困难的同时，透光性能会出现严重的恶化。

本发明中涉及的新型人工电磁材料(Metamaterials)由一定规模的亚波长单元结构周期排列组成，通过人工设计其单元结构，可以控制材料的等效介电常数、磁导率、折射率、波阻抗等电磁参数，实现自然界存在的材料所不具有的性质。随着人们对新型人工电磁材料理论研究和应用开发的深入，它在雷达隐身领域的应用也引起了众多研究人员的兴趣。基于超材料谐振吸收的原理，利用多谐振结构，通过采用透明导电材料，降低超材料吸波器在谐振位置处的Q值，将多谐振点融合形成宽带吸收，与此同时透明基板与透明导电材料以及透明粘胶剂的使用，使得整体在保证宽带吸收的同时维持高的透光性，能够实现在可见光区透光率≥80％。特别是三层透明宽带超材料吸波器，可以利用上下两层有效的保护内部镀膜层，大大增加了吸波器的环境耐性，具有高的工程应用价值。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，增强吸波器的隐身性能，本发明提供一种透明宽带超材料吸波器。

技术方案：本发明提供一种透明宽带超材料吸波器，包括多个单元结构，所述单元结构包括位于单元结构中心的上层透明谐振结构、中层透明基板及下层透明反射层，所述上层透明谐振结构位于中层透明基板的上方，所述下层透明反射层位于中层透明基板的下方；所述上层透明谐振结构为对称图形，包括一个环和位于环***的带枝节环；所述上层透明谐振结构与下层透明反射层均为透明导电材料。

优选的，还包括上层透明基板和下层透明基板，所述上层透明谐振结构位于上层透明基板与中层透明基板中间，所述下层透明反射层位于中层透明基板与下层透明基板之间。

优选的，所述环为正方形环，令单元结构的边长为a，令中层透明基板的厚度为h，令上层透明谐振结构的透明导电材料线宽为d，令规则方形环和带枝节方形环之间的间隙为g，令正方形环的边长为L，令带枝节正方形环的枝节长度为L’，取值如下：a＝10mm，h＝3.0mm，g＝0.1mm，d＝0.1mm，L＝2.8mm，L’＝2.8mm。

优选的，所述环为正方形环，令单元结构的边长为a1，上层透明基板厚度为h1，中层透明基板厚度为h2，下层透明基板厚度为h3，上层透明谐振结构中所用透明导电材料的线宽为d1，环带间隙为g1，正方形环的边长为L1，***带枝节正方形环的枝节长为L1’，取值如下：a1＝10mm，h1＝2.0mm，h2＝3.0mm，h3＝2.0mm，g1＝0.7mm，d1＝0.6mm，L1＝2.0mm。

有益效果：相比较现有技术，本发明提供的一种透明宽带超材料吸波器，结构简单，加工工艺成熟，加工方便；本发明使用的单层结构制作工序相对简单，只需要一步光刻过程，节省造价；而对于本发明中的三层结构而言，与单层结构的加工相比只增加了层与层之间粘接的程序，与传统多层结构相比避免了多层结构对齐引发的加工误差，制备工艺简单；具有宽带特性，可以实现在X波段内，使得正入射电磁波反射率10dB以上衰减；在可见光区具有优异的透光性能，能够实现透光率≥80％，具有优异的视觉效果，应用过程中不会影响视觉；三层透明宽带超材料吸波器，透明风车机构与透明反射层在上层透明基板与下层透明基板之间，能够被有效的保护起来，具有优异的环境适应性，同时可以做防弹等处理，具有高的实用价值。通过合理设计吸波器各结构参数可以使上层透明谐振结构的内环和外环分别在接近的频点上产生谐振，从而实现多谐振达到拓宽单元带宽的目的。

附图说明

图1a是单层透明宽带超材料吸波器的单个单元结构正视图。

图1b是单层透明宽带超材料吸波器的单个单元结构侧视图。

图1c是单层透明宽带超材料吸波器的单个单元结构的尺寸标注图。

图2a是三层透明宽带超材料吸波器单个单元结构正视图。

图2b是三层透明宽带超材料吸波器单个单元结构侧视图。

图2c是三层透明宽带超材料吸波器单个单元结构的尺寸标注图。

图3是单层透明宽带超材料吸波器正入射反射率仿真结果。

图4是单层透明宽带超材料吸波器表面的正面示意图。

图5是三层透明宽带超材料吸波器正入射反射率仿真结果。

图6是三层透明宽带超材料吸波器表面的正面示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例一：透明宽带超材料吸波器为单层透明宽带超材料吸波器，包括多个周期排列的单元结构，如图4所示。所述单元结构包括位于单元结构中心的上层透明谐振结构1、中层透明基板2及下层透明反射层3，所述上层透明谐振结构1位于中层透明基板2的上方，所述下层透明反射层3位于中层透明基板2的下方，如图1b所示；所述上层透明谐振结构1为对称图形，包括一个环和位于环***的带枝节环，本实施例中的上层透明谐振结构1为正方形环和位于正方形环***的带枝节正方形环，如图1a所述的风车形状，也可以是本领域技术人员可以想到的其他对称图形，如圆环和位于圆环***的带枝节圆环、正六边形环和位于正六边形环***的带枝节正六边形环；所述上层透明谐振结构1与下层透明反射层3均为氧化铟锡，也可以采用其他透明导电材料，如掺氟二氧化锡、氧化锌铝、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属网格(metal mesh)、金属纳米线材料等。中层透明基板2的材质为玻璃，也可以使用其他透明介质，如有机玻璃、石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮等。所述上层透明谐振结构1与下层透明反射层3是镀在中层透明基板2表面的，所述上层透明谐振结构1通过蚀刻、光刻或化学腐蚀形成。

单层透明宽带超材料吸波器是基于超材料谐振吸收的原理，利用对称的多谐振结构，通过采用透明导电材料，降低超材料吸波器在谐振位置处的Q值，从而将原有尖锐的吸收峰变的平滑宽泛，这样就可以将多谐振点融合形成宽带吸收。上层透明谐振结构1由位于中心的一个规则正方形环和位于***的带枝节正方形环构成，是典型的多谐振结构单元。通过合理设计上层透明谐振结构1的环带宽度、环间缝隙大小、中层透明基板2的厚度以及上层透明谐振结构1、下层透明反射层3的表面电阻，使上层透明谐振结构1的内环和外环分别在接近的频点上产生谐振，从而实现多谐振达到拓宽单元带宽的目的。

如图1c所示，单元结构为正方形，令单元结构的边长为a，中层透明基板2的厚度为h，上层透明谐振结构1中所用透明导电材料的线宽为d，位于单元中心的规则正方形环和位于该正方形环***的带枝节正方形环之间的间隙为g，正方形环边长为L，***带枝节正方形环的枝节长为L’。a、h、g、d、L、L’参数的取值范围包括，通过尺寸优化满足特定多谐振分布的所有值；所述多谐振分布是指：多谐振位置相互接近且分布于X波段甚至更宽频带内，与此同时谐振峰具有低的Q值，以便使谐振峰相互融合，形成宽带吸收。本实施例中的各参数具体设置如下：a＝10mm，h＝3.0mm，g＝0.1mm，d＝0.1mm，L＝2.8mm，L’＝2.8mm。如图3可见，结果显示在X波段，正入射电磁波反射率衰减10dB以上。

实施例二：透明宽带超材料吸波器为三层透明宽带超材料吸波器，包括多个周期排列的单元结构，如图6所示。所述单元结构包括位于单元结构中心的上层透明谐振结构4、上层透明基板5、中层透明基板6、下层透明基板7及下层透明反射层8，所述上层透明谐振结构4位于上层透明基板5与中层透明基板6之间，所述下层透明反射层8位于中层透明基板6与下层透明基板7之间，如图2b所示；所述上层透明谐振结构4为对称图形，包括一个环和位于环***的带枝节环，本实施例中的上层透明谐振结构4为正方形环和位于正方形环***的带枝节正方形环，如图2a所述的风车形状，也可以是本领域技术人员可以想到的其他对称图形，如圆环和位于圆环***的带枝节圆环、正六边形环和位于正六边形环***的带枝节正六边形环；所述上层透明谐振结构4与下层透明反射层8均为氧化铟锡，也可以采用其他透明导电材料，如掺氟二氧化锡、氧化锌铝、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属网格(metalmesh)、金属纳米线材料等。上层透明基板5、中层透明基板6、下层透明基板7的材质为玻璃，也可以使用其他透明介质，如有机玻璃、石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮等。所述上层透明谐振结构4与下层透明反射层8是镀在中层透明基板6表面的，所述上层透明谐振结构4通过蚀刻、光刻或化学腐蚀形成。所述上层透明基板与中层透明基板、中层透明基板与下层透明基板之间使用透明胶粘剂热压成型。

三层透明宽带超材料吸波器的吸收机理设计与吸收性能调节的方法与单层透明宽带超材料吸波器是类似的，即通过合理设计上层透明谐振结构4的环带宽度、环间缝隙大小、上中下层透明基板的厚度以及上层透明谐振结构4、下层透明反射层8的表面电阻，使上层透明谐振结构4的内环和外环分别在接近的频点上产生谐振，从而实现多谐振达到拓宽单元带宽的目的。

如图2c所示，单元结构为正方形，令单元结构的边长为a1，上层透明基板5厚度为h1，中层透明基板6厚度为h2，下层透明基板7厚度为h3，上层透明谐振结构4中所用透明导电材料的线宽为d1，环带间隙为g1，正方形环的边长为L1，***带枝节正方形环的枝节长为L1’。a1、h1、h2、h3、g1、d1、L1、L1’参数的取值范围包括，通过尺寸优化满足特定多谐振分布的所有值；所述多谐振分布是指：多谐振位置相互接近且分布于X波段甚至更宽频带内，与此同时谐振峰具有低的Q值，以便使谐振峰相互融合，形成宽带吸收。本实施例选取的参数具体如下：a1＝10mm，h1＝2.0mm，h2＝3.0mm，h3＝2.0mm，g1＝0.7mm，d1＝0.6mm，L1＝2.0mm，L1’＝2.0mm。如图5可见，结果显示在X波段，正入射电磁波反射率衰减10dB以上。

上述单层以及三层宽带透明超材料吸波器，均可在X波段实现正入射电磁波反射率10dB以上衰减。

以上描述和解释了本发明的主要特征、基本原理和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。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，例如技术人员可以对上述各种参数进行修改以使其工作在其他波段，或者修改相关参数以使其结构、性能与本实施例有所不同，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims (10)

1.一种透明宽带超材料吸波器，其特征在于，包括多个周期排列的单元结构，所述单元结构包括位于单元结构中心的上层透明谐振结构、中层透明基板及下层透明反射层，所述上层透明谐振结构位于中层透明基板的上方，所述下层透明反射层位于中层透明基板的下方；所述上层透明谐振结构为对称图形，包括一个环和位于环***的带枝节环；所述上层透明谐振结构与下层透明反射层均为透明导电材料。

2.根据权利要求1所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层透明谐振结构与下层透明反射层是镀在透明基板表面的，所述上层透明谐振结构通过蚀刻、光刻或化学腐蚀形成。

3.根据权利要求1或2所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，还包括上层透明基板和下层透明基板，所述上层透明谐振结构位于上层透明基板与中层透明基板中间，所述下层透明反射层位于中层透明基板与下层透明基板之间。

4.根据权利要求1或2所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述中层透明基板的材质为玻璃、有机玻璃、石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮中的一种或几种。

5.根据权利要求1或2所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层透明谐振结构与所述下层透明反射层为氧化铟锡、掺氟二氧化锡、氧化锌铝、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属网格、金属纳米线材料中的一种或几种。

6.根据权利要求3所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层透明基板与下层透明基板的材质为玻璃、石英玻璃、有机玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮中的一种或几种。

7.根据权利要求3所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述上层透明基板与中层透明基板、中层透明基板与下层透明基板之间使用透明胶粘剂热压成型。

8.根据权利要求1或2所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述单元结构为正方形，所述环为正方形环，所述带枝节环为带枝节正方形环。

9.根据权利要求8所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，令单元结构的边长为a，令中层透明基板的厚度为h，令上层透明谐振结构的透明导电材料线宽为d，令规则方形环和带枝节方形环之间的间隙为g，令正方形环的边长为L，令带枝节正方形环的枝节长度为L’，取值如下：a＝10mm，h＝3.0mm，g＝0.1mm，d＝0.1mm，L＝2.8mm，L’＝2.8mm。

10.根据权利要求3所述的透明宽带超材料吸波器，其特征在于，所述单元结构为正方形，所述环为正方形环，所述带枝节环为带枝节正方形环，令单元结构的边长为a1，上层透明基板厚度为h1，中层透明基板厚度为h2，下层透明基板厚度为h3，上层透明谐振结构中所用透明导电材料的线宽为d1，环带间隙为g1，正方形环的边长为L1，***带枝节正方形环的枝节长为L1’，取值如下：a1＝10mm，h1＝2.0mm，h2＝3.0mm，h3＝2.0mm，g1＝0.7mm，d1＝0.6mm，L1＝2.0mm，L1’＝2.0mm。