專利名稱：一種寬頻吸波超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸波材料，尤其涉及一種寬頻吸波超材料。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，以電磁波為媒介的技術(shù)、各種產(chǎn)品越來越多，電磁波輻射對(duì)環(huán)境的影響也日益增大。比如，無線電波可能對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境造成干擾，導(dǎo)致飛機(jī)航班無法正常起飛；移動(dòng)電話可能會(huì)干擾各種精密電子醫(yī)療器械的工作；即使是普通的計(jì)算機(jī)，也會(huì)輻射攜帶信息的電磁波，它可能在幾公里以外被接收和重現(xiàn)，造成國(guó)防、政治、經(jīng)濟(jì)、科技等方面情報(bào)的泄漏。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學(xué)的一大課題。吸波材料是能吸收投射到它表面的電磁波能量的一類材料，其在包括軍事以及其 它方面也有廣泛的應(yīng)用，比如隱形機(jī)、隱形衣等。材料吸收電磁波的基本條件是(I)電磁波入射到材料上時(shí)，它能最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部，即要求材料具有匹配特性；(2)進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉，即衰減特性?，F(xiàn)有的吸波材料利用各個(gè)材料自身對(duì)電磁波的吸收性能，通過設(shè)計(jì)不同材料的組分使得混合后的材料具備吸波特性，此類材料設(shè)計(jì)復(fù)雜且不具有大規(guī)模推廣性，同時(shí)此類材料的機(jī)械性能受限于材料本身的機(jī)械性能，不能滿足特殊場(chǎng)合的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種利用超材料理論設(shè)計(jì)的寬頻吸波超材料。該寬頻吸波超材料吸收頻段寬、吸波性能好，具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提出一種寬頻吸波超材料，所述寬頻吸波超材料虛擬劃分為多個(gè)基本單元，所述基本單元包括多層子單元，所述子單元包括基材以及附著于基材上的微結(jié)構(gòu)，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，沿電磁波傳播方向，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大。進(jìn)一步地，所述各層子單元上的微結(jié)構(gòu)由一個(gè)或多個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和一個(gè)或多個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述第一基本微結(jié)構(gòu)為完整的圓環(huán)形微結(jié)構(gòu)，所述第二基本微結(jié)構(gòu)為圓周上等間距設(shè)置有四個(gè)相同的缺口的圓環(huán)形微結(jié)構(gòu)；所述一個(gè)或多個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和一個(gè)或多個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)同心設(shè)置。進(jìn)一步地，所述各層子單元上的微結(jié)構(gòu)包括一個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)形狀和一個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)形狀，所述第一基本微結(jié)構(gòu)形狀的半徑小于所述第二基本微結(jié)構(gòu)形狀的半徑。進(jìn)一步地，所述各層子單元上的微結(jié)構(gòu)包括半徑為A和r2的兩個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和一個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu),所述第二基本微結(jié)構(gòu)半徑大于r2, r2大于!T1。進(jìn)一步地，所述各層子單元上的微結(jié)構(gòu)包括一個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和半徑為r/和r2’的兩個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)，:T2’大于大于所述第一基本微結(jié)構(gòu)半徑。
進(jìn)ー步地，所述基本単元包括九層子單元，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸沿波傳播方向呈線性等比例増大，比例數(shù)為0. 3-1. 5。進(jìn)ー步地,所述基材由FR4材質(zhì)制成。本發(fā)明利用超材料原理設(shè)計(jì)吸波超材料，通過設(shè)置多層子單元以及各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸漸變達(dá)到阻抗匹配和寬頻吸波的效果。本發(fā)明寬頻吸波超材料在4. 2GHZ至20GHZ區(qū)間內(nèi)對(duì)電磁波的衰減度達(dá)到5dB至14dB，其吸波頻段寬，吸波效果好。


圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明寬頻吸波超材料中構(gòu)成各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第一基本結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖3為本發(fā)明寬頻吸波超材料中構(gòu)成各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第二基本結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為本發(fā)明寬頻吸波超材料中各層子單元上附著的微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第一較佳實(shí)施例的示意圖；圖5為本發(fā)明寬頻吸波超材料中各層子單元上附著的微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第二 較佳實(shí)施例的示意圖；圖6為本發(fā)明寬頻吸波超材料中各層子單元上附著的微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第三較佳實(shí)施例的示意圖；圖7為本發(fā)明寬頻吸波超材料的基本單元的一較佳實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為由圖7所示基本單元構(gòu)成的寬頻吸波超材料的仿真結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。光，作為電磁波的ー種，其在穿過玻璃的時(shí)候，因?yàn)楣饩€的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細(xì)節(jié)參數(shù)來描述玻璃對(duì)光線的響應(yīng)。相應(yīng)的，在研究材料對(duì)其他電磁波響應(yīng)的時(shí)候，材料中任何尺度遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)也可以用材料的整體參數(shù),例如介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率U來描述。通過設(shè)計(jì)材料每點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使得材料各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都相同或者不同，從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)即可使得材料對(duì)電磁波具有宏觀上的響應(yīng)，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、吸收電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的材料稱之為超材料。如圖I所示，圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)I以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的基材2。人造微結(jié)構(gòu)可為人造金屬微結(jié)構(gòu)，其具有對(duì)入射電磁波電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的平面或立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改變每個(gè)超材料基本単元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸，可改變每個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)。多個(gè)超材料基本單元按一定規(guī)律排列，可使超材料對(duì)電磁波具有宏觀的響應(yīng)。由于超材料整體需對(duì)入射電磁波有宏觀電磁響應(yīng)，因此各個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)需形成連續(xù)響應(yīng)，這要求每ー超材料基本単元的尺寸小于入射電磁波五分之一波長(zhǎng)，優(yōu)選為入射電磁波十分之一波長(zhǎng)。本段描述中，將超材料整體劃分為多個(gè)超材料基本單元是一種人為的劃分方法，但應(yīng)知此種劃分方法僅為描述方便，不應(yīng)看成超材料由多個(gè)超材料基本單元拼接或組裝而成，實(shí)際應(yīng)用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于基材上即可構(gòu)成，エ藝簡(jiǎn)單且成本低廉。周期排布即指上述人為劃分的各個(gè)超材料基本単元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)能對(duì)入射電磁波產(chǎn)生連續(xù)的電磁響應(yīng)。本發(fā)明利用上述超材料原理設(shè)計(jì)寬頻吸波超材料，與圖I不同的是，本發(fā)明吸波超材料的基本単元包括多層子單元，每層子単元上均附著有不同的微結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)不同的微結(jié)構(gòu)的排布實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與寬頻吸波的效果。本發(fā)明各子単元的微結(jié)構(gòu)具有相同的拓?fù)湫螤畹哂胁煌某叽?，沿波傳播方向，子単元的微結(jié)構(gòu)尺寸逐漸増大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，相同基材條件下，微結(jié)構(gòu)的尺寸越大，其對(duì)應(yīng)的子單元的折射率越大，由于本發(fā)明中各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸漸變，當(dāng)電磁波入射時(shí)，能減小由于折射率突變?cè)斐傻碾姶挪ū环瓷鋷淼脑鲆鎿p失，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的效果。同時(shí)，各層子單元的微結(jié)構(gòu)均具有吸波效果，
各層子單元的吸波效果疊加達(dá)到寬頻、高效吸波的性能。各層子單元上附著的微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可由圖2、圖3所示的基本結(jié)構(gòu)組合而成。圖2所示的第一基本微結(jié)構(gòu)形狀為完整的圓環(huán)形微結(jié)構(gòu)，圖3所示的第二基本微結(jié)構(gòu)形狀為圓周上等間距設(shè)置有相同的4個(gè)缺ロ結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形微結(jié)構(gòu)。各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可由相同或不同數(shù)量的上述兩種基本結(jié)構(gòu)組成，例如如圖4所示，圖4中，各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括ー個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和ー個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)，第一基本微結(jié)構(gòu)和第二基本微結(jié)構(gòu)同心設(shè)置且第二基本微結(jié)構(gòu)半徑大于第一基本微結(jié)構(gòu)半徑。如圖5所示，圖5中，各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括半徑分別為巧和r2的兩個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和ー個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和ー個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)同心設(shè)置且第二基本微結(jié)構(gòu)半徑大于r2，r2大于ri。如圖6所示，圖6中，各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括ー個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)以及半徑分別為r/和r2’的兩個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)，其中第一基本微結(jié)構(gòu)和兩個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)同心設(shè)置且1"2 ’大于大于第一基本微結(jié)構(gòu)半徑。結(jié)合上述說明還可以有很多其他不同種類的組合方式，在此不再一一贅述。如圖7所示，圖7為本發(fā)明寬頻吸波材料的基本單元的一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7中，寬頻吸波超材料的基本単元包括九層子單元，每層子単元均包括基材以及附著于基材上的微結(jié)構(gòu)。各基材材質(zhì)相同，本實(shí)施例中均為FR4材料。各基材上的微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，均為圖4所示拓?fù)湫螤睢Ｑ夭▊鞑シ较?，各基材上的微結(jié)構(gòu)尺寸逐漸増大。尺寸增大的規(guī)律可為線性等比例増大也可為指數(shù)増大等方式，本實(shí)施例中采用線性等比例增大，比例數(shù)為0. 3-1.5。圖8為圖7所不的寬頻吸波材料利用CST (Computer Simulation Technology)仿真軟件得到的Sll參數(shù)仿真效果圖。從圖8可以看出，本實(shí)施例的寬頻吸波超材料吸波頻段寬、吸波性能好，在4. 2GHZ至20GHZ之間具有良好的吸波效果，電磁波衰減度為5dB至14dB。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗g和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明 的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種寬頻吸波超材料，其特征在于所述寬頻吸波超材料虛擬劃分為多個(gè)基本單元，所述基本単元包括多層子單元，所述子單元包括基材以及附著于基材上的微結(jié)構(gòu)，各層子単元上的微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，沿電磁波傳播方向，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大。
2.如權(quán)利要求I所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述各層子単元上的微結(jié)構(gòu)由ー個(gè)或多個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和ー個(gè)或多個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述第一基本微結(jié)構(gòu)為完整的圓環(huán)形微結(jié)構(gòu)，所述第二基本微結(jié)構(gòu)為圓周上等間距設(shè)置有四個(gè)相同的缺ロ的圓環(huán)形微結(jié)構(gòu)；所述ー個(gè)或多個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和ー個(gè)或多個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)同心設(shè)置。
3.如權(quán)利要求2所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述各層子単元上的微結(jié)構(gòu)包括ー個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)形狀和ー個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)形狀，所述第一基本微結(jié)構(gòu)形狀的半徑小于所述第二基本微結(jié)構(gòu)形狀的半徑。
4.如權(quán)利要求2所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述各層子単元上的微結(jié)構(gòu)包括半徑為A和r2的兩個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和ー個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu),所述第二基本微結(jié)構(gòu)半徑大于r2, r2大于
5.如權(quán)利要求2所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述各層子単元上的微結(jié)構(gòu)包括ー個(gè)第一基本微結(jié)構(gòu)和半徑為r/和r2’的兩個(gè)第二基本微結(jié)構(gòu)，r2’大于r/，r/大于所述第一基本微結(jié)構(gòu)半徑。
6.如權(quán)利要求3所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述基本単元包括九層子單元，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸沿波傳播方向呈線性等比例増大，比例數(shù)為0. 3-1. 5。
7.如權(quán)利要求6所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述基材由FR4材質(zhì)制成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種寬頻吸波超材料，所述寬頻吸波超材料虛擬劃分為多個(gè)基本單元，所述基本單元包括多層子單元，所述子單元包括基材以及附著于基材上的微結(jié)構(gòu)，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，沿電磁波傳播方向，各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大。本發(fā)明利用超材料原理設(shè)計(jì)吸波超材料，通過設(shè)置多層子單元以及各層子單元上的微結(jié)構(gòu)尺寸漸變達(dá)到阻抗匹配和寬頻吸波的效果。本發(fā)明寬頻吸波超材料在4.2GHZ至20GHZ區(qū)間內(nèi)對(duì)電磁波的衰減度達(dá)到5dB至14dB，其吸波頻段寬，吸波效果好。
文檔編號(hào)H01Q17/00GK102800991SQ20121027524
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 寇超鋒, 何嘉威 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司