CN102291969B - 结构式吸波材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构式吸波材料。主要解决现有技术只能吸收单一极化角度的电磁波、吸波入射角较窄并且只有一个吸波峰值点的缺点。它是由背面为全金属底板(230)和正面为刻蚀的金属图案(210)的介质基板(220)构成，其中金属图案(210)由4条指向中心的金属线箭头(211)和边数大于3的偶数的正多边形金属线框(212)或圆环形金属线框(512)组成；该4条金属线箭头的顶端两条短线(211B)形成中间设有一个十字形缝隙(213)的对称十字交叉结构，且每条金属线箭头的中杆(211A)尾端与金属线框连接。本发明相对于现有技术具有可吸收任意极化角度的电磁波，展宽吸波入射角，并且有两个吸波峰值点的优点。
Description
技术领域
本发明属于吸波材料技术领域，特别涉及一种结构式吸波材料，可用于常规吸波用途和热成像领域。
技术背景
随着电子信息技术的飞速发展，吸波材料的作用越来越重要，对其要求也越来越高，吸波材料正向性能稳定，厚度薄，重量轻，吸收强，制备简单等方向发展。
常见的新型吸波材料主要有如下几种：铁氧体，金属铁微粉，多晶铁纤维，乙炔炭黑，陶瓷材料，结构式吸波材料。它们的优缺点分别如下：
铁氧体，优点是吸收频带宽，吸收率高，缺点是密度大，使部件过重，并且高频效应也不太理想；
金属铁微粉，优点是温度稳定性好，缺点是其抗氧化，抗酸碱能力差，低频吸收性能较差；
多晶铁纤维，优点是密度较小，缺点是吸收率不够高；乙炔炭黑，优点是不仅能吸收电磁波，还能有效抑制红外辐射，缺点是高温抗氧化性差；
陶瓷材料，优点是耐高温，强度高，化学稳定性好，缺点是制备工艺较复杂；
结构式吸波材料，优点是制备工艺简单成熟，使用常规的印制电路板技术即可完成，厚度较薄，通过调节尺寸可吸收任意频段的电磁波，而前面所述的吸波材料都只能吸收某一特定频段的电磁波，缺点是吸收频带较窄。
结构式吸波材料最早由美国波士顿大学的N.I.Landy等人于2008年在physicalreview letters，PRL 100，207402(2008)上发表了“完美超材料吸波体”，提出了一种较薄的结构式吸波材料，如图1所示，其结构正面为背部相连的开口金属环110，背面为金属长条130，中间为有耗介质120，通过使入射的电磁波在其中谐振并消耗，达到吸波的目的。但此种结构只能吸收单一极化角度的电磁波，并且吸波性能随电磁波入射角的变大迅速恶化，而且只有单一的吸波峰值点，这些都对其应用构成了极大的限制。
发明内容
本发明的目的在于针对上述结构式吸波材料的不足，提出一种结构式吸波材料，以吸收任意极化角度的电磁波，展宽吸波入射角，增加吸波峰值点，扩宽其应用领域。
为实现上述目的，本发明对现有的开口环谐振结构进行变形，使其有两个电磁谐振点，产生双频带吸波效果，并且采用对称结构，可吸收任意极化角度的电磁波。其技术方案有以下两种：
技术方案一，
一种结构式吸波材料，包括介质基板，该基板的背面为全金属底板，正面为刻蚀的金属图案，其中：金属图案由4条指向中心的金属线箭头和正多边形金属线框组成，正多边形金属线框的边数为大于3的偶数；该4条金属线箭头的顶端两条短线形成中间设有一个十字形缝隙的对称十字交叉结构，该正多边形金属线框与每条金属线箭头的中杆尾端连接。
技术方案二，
一种结构式吸波材料，包括介质基板，该基板的背面为全金属底板，正面为刻蚀的金属图案，其中：金属图案由4条指向中心的金属线箭头和圆环形金属线框组成，该4条金属线箭头的顶端两条短线形成中间设有一个十字形缝隙的对称十字交叉结构，该圆环形金属线框与每条金属线箭头的中杆尾端连接。
所述的每条指向中心的金属线箭头顶端的两条短线与中杆的夹角为θ，且θ＝45°。
所述的介质基板采用有机高分子聚合物基板或无机陶瓷基板。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)相对于现有结构式吸波材料，本发明通过金属线箭头组成的十字交叉对称结构可降低材料对入射波极化角度的敏感度，从而吸收任意极化角度的电磁波。
(2)相对于现有结构式吸波材料，本发明通过相互连接的箭头顶端短杆、箭头主杆和金属线框，产生了较长的感应电流路径，使得整个结构的电尺寸较小，对入射波的入射角敏感度下降，展宽吸波入射角。
(3)相对于现有结构式吸波材料，本发明通过箭头与箭头之间、箭头的短杆与金属线框之间的缝隙可使不同频段的电磁波产生谐振，从而产生两个吸波峰值点。
(4)相对于现有结构式吸波材料，本发明的厚度的电尺寸小于现有技术的一半。
附图说明
图1是N.I.Landy等人提出的完美超材料吸波体结构示意图；
图2是本发明提出的结构式吸波材料第一实施例结构图；
图3是本发明提出的结构式吸波材料第二实施例结构图；
图4是本发明提出的结构式吸波材料第三实施例结构图；
图5是本发明提出的结构式吸波材料第四实施例结构图；
图6是本发明的第一实施例的吸波率仿真结果；
图7是本发明的第一实施例的吸波率随入射波的极化角变化仿真结果；
图8是本发明的第一实施例的吸波率随入射波的入射角变化仿真结果。
具体实施方式
实施例1
参照图2，本发明选用双面覆铜的有机高分子聚合物介质基板，根据吸波频带所对应的波长，基板厚度选择为λ/68。该基板的一面刻蚀有金属图案210，另一面不刻蚀，作为全金属底板230。金属图案210由4条指向中心的金属线箭头211和正四边形金属线框212组成，4条指向中心的金属线箭头211顶端两条短线211B形成对称十字交叉结构，该交叉结构的中间设有一个十字形缝隙213，每条金属线箭头211尾端都与正四边形金属线框212连接，其中正四边形金属线框212的周长为80λ/100，金属箭头211顶端两条短线211B、中杆211A和金属线框212的线宽均为λ/120，十字形缝隙213的宽度为λ/180，金属箭头211顶端两条短线211B的长度均为55λ/500，并且两条短线211B不与金属线框212接触。每条金属线箭头211顶端两条短线211B与其中杆211A的夹角θ＝45°。
实施例2
参照图3，本发明选用双面覆铜的无机陶瓷介质基板，根据吸波频带所对应的波长，基板厚度选择为λ/48。该基板的一面刻蚀有金属图案310，另一面不刻蚀，作为全金属底板330。金属图案310由4条指向中心的金属线箭头311和正六边形金属线框312组成，4条指向中心的金属线箭头311顶端两条短线311B形成对称十字交叉结构，该交叉结构的中间设有一个十字形缝隙313，每条金属线箭头311尾端都与正六边形金属线框312连接，其中正六边形金属线框312的周长为82λ/100，金属箭头311顶端两条短线311B、中杆311A和金属线框312的线宽均为λ/100，十字形缝隙313的宽度为λ/120，金属箭头311顶端两条短线311B的长度均为57λ/500，并且两条短线311B不与金属线框312接触。每条金属线箭头311顶端两条短线311B与其中杆311A的夹角θ＝45°。
实施例3
参照图4，本发明选用双面覆铜的有机高分子聚合物介质基板，根据吸波频带所对应的波长，基板厚度选择为λ/55。该基板的一面刻蚀有金属图案410，另一面不刻蚀，作为全金属底板430。金属图案410由4条指向中心的金属线箭头411和周长为88λ/100的正八边形金属线框412组成，4条指向中心的金属线箭头411顶端两条长度均为56λ/500的短线411B形成对称十字交叉结构，该交叉结构的中间设有一个宽度为λ/140的十字形缝隙413，每条金属线箭头411顶端两条短线411B与其中杆411A的夹角θ＝45°，且每条金属线箭头411的尾端与正八边形金属线框412连接，金属箭头411顶端两条短线411B、中杆411A和金属线框412的线宽均为λ/110，并且两条短线411B不与金属线框412接触。
实施例4
参照图5，本发明选用双面覆铜的有机高分子聚合物介质基板，根据吸波频带所对应的波长，基板厚度选择为λ/56。该基板的一面刻蚀有金属图案510，另一面不刻蚀，作为全金属底板530。金属图案510由4条指向中心的金属线箭头511和圆环形金属线框512组成，4条指向中心的金属线箭头511顶端两条短线511B形成对称十字交叉结构，该交叉结构的中间设有一个十字形缝隙513，每条金属线箭头511尾端都与圆环形金属线框512连接，其中圆环形金属线框512的周长为87λ/100，金属箭头511顶端两条短线511B、中杆511A和金属线框512的线宽均为λ/106，十字形缝隙513的宽度为λ/140，金属箭头511顶端两条短线511B的长度均为56λ/500，并且两条短线511B不与金属线框512接触。每条金属线箭头511顶端两条短线511B与其中杆511A的夹角θ＝45°。
实施例5
参照图5，本发明选用双面覆铜的无机陶瓷介质基板，根据吸波频带所对应的波长，基板厚度选择为λ/53。该基板的一面刻蚀有金属图案510，另一面不刻蚀，作为全金属底板530。金属图案510由4条指向中心的金属线箭头511和圆环形金属线框512组成，4条指向中心的金属线箭头511顶端两条短线511B形成对称十字交叉结构，该交叉结构的中间设有一个十字形缝隙513，每条金属线箭头511尾端都与圆环形金属线框512连接，其中圆环形金属线框512的周长为86λ/100，金属箭头511顶端两条短线511B、中杆511A和金属线框512的线宽均为λ/107，十字形缝隙513的宽度为λ/133，金属箭头511顶端两条短线511B的长度均为56λ/500，并且两条短线511B不与金属线框512接触。每条金属线箭头511顶端两条短线511B与其中杆511A的夹角θ＝45°。
实施例6
参照图5，本发明选用双面覆铜的无机陶瓷介质基板，根据吸波频带所对应的波长，基板厚度选择为λ/48。该基板的一面刻蚀有金属图案510，另一面不刻蚀，作为全金属底板530。金属图案510由4条指向中心的金属线箭头511和周长为85λ/100的圆环形金属线框512组成，4条指向中心的金属线箭头511顶端的两条长度均为55λ/500的短线511B形成对称十字交叉结构，该交叉结构的中间设有一个宽度为λ/130的十字形缝隙513，每条金属线箭头511顶端两条短线511B与其中杆511A的夹角θ＝45°，且每条金属线箭头511的尾端与圆环形金属线框512连接，金属箭头511顶端两条短线511B、中杆511A和金属线框512的线宽均为λ/110，并且两条短线511B不与金属线框512接触。
本发明的效果可通过仿真结果进一步说明：
图6是本发明对实施例1的吸波率仿真结果，其中吸波率定义为1-|S11|2-|S21|2，
式中|S11|为反射系数的模值，|S21|为透射系数的模值，当吸波率等于1时表示既无反射也无透射，即电磁波被全部吸收。从图6中可看出，有两个吸波频带，且两个吸波峰值的吸波率都接近1，即电磁波的全吸收。
图7给出了本发明实施例1的吸波率随入射波的极化角变化仿真结果，从图7中可以看出本发明对任意极化角度的电磁波都有很好的吸收效果。
图8给出了本发明实施例1的吸波率随入射波的入射角变化仿真结果，从图8中可以看出在0-60度的范围内，入射角的变化对本发明的吸波率影响不大。
Claims (10)
1.一种结构式吸波材料，包括介质基板（220），该基板的背面为全金属底板（230），正面为刻蚀的金属图案（210），其特征在于：金属图案（210）由4条指向中心的金属线箭头（211）和正多边形金属线框（212）组成，正多边形金属线框的边数为大于3的偶数；该4条金属线箭头的顶端两条短线（211B）形成中间设有一个十字形缝隙（213）的对称十字交叉结构，该正多边形金属线框与每条金属线箭头的中杆（211A）尾端连接。
2.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：介质基板（220）采用有机高分子聚合物基板或无机陶瓷基板。
3.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：每条指向中心的金属线箭头顶端的两条短线（211B）与中杆（211A）的夹角为θ，且θ＝45°。
4.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：介质基板（220）厚度为λ/68～λ/48,其中，λ为吸波频带所对应的波长。
5.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：正多边形金属线框（212）周长为80λ/100～88λ/100，其中，λ为吸波频带所对应的波长。
6.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：金属线箭头（211）顶端两条短线（211B）、中杆（211A）和正多边形金属线框（212）的线宽均为λ/120～λ/100，其中，λ为吸波频带所对应的波长。
7.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：十字形缝隙（213）的宽度为λ/180～λ/120，其中，λ为吸波频带所对应的波长。
8.根据权利要求1所述的结构式吸波材料，其特征在于：金属箭头（211）顶端两条短线（211B）的长度均为55λ/500～57λ/500，其中，λ为吸波频带所对应的波长。
9.一种结构式吸波材料，包括介质基板（520），该基板的背面为全金属底板（530），正面为刻蚀的金属图案（510），其特征在于：金属图案（510）由4条指向中心的金属线箭头（511）和圆环形金属线框（512）组成，该4条金属线箭头的顶端两条短线（511B）形成中间设有一个十字形缝隙（513）的对称十字交叉结构，该圆环形金属线框与每条金属线箭头的中杆（511A）尾端连接。
10.根据权利要求9所述的结构式吸波材料，其特征在于：每条指向中心的金属线箭头顶端的两条短线（511B）与中杆（511A）的夹角为θ，且θ＝45°；介质基板（520）厚度为λ/56～λ/48；圆环形金属线框（512）周长为85λ/100～87λ/100；金属线箭头（511）顶端两条短线（511B）、中杆（511A）和正多边形金属线框（512）的线宽均为λ/110～λ/106；十字形缝隙（513）的宽度为λ/140～λ/130；金属箭头（511）顶端两条短线（511B）的长度均为55λ/500～56λ/500，其中，λ为吸波频带所对应的波长。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131120 |