CN102480909B - 一种吸波超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸波超材料，其包括基材、周期排列于基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过吸波超材料时超材料的相对介电常数和相对磁导率大致相等。本发明采用不同于传统吸波材料的吸波原理，通过将各种人造金属微结构周期排列于基材中并调整人造金属微结构的尺寸以达到理想吸波效果，其具有质量轻、厚度薄且电磁参数易于调节的优点。进一步地，本发明的人造金属微结构为三维结构，且三维结构的人造金属微结构对三维空间任意入射方向的电磁波均能有效吸收，提高了吸波超材料的实用性。

Description

一种吸波超材料

技术领域

本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种吸波超材料。

背景技术

吸波材料是指能够吸收衰减入射电磁波能量，并通过材料的介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式的一类功能复合材料。吸波材料在治理电磁污染、制造隐身材料等方面具有巨大的应用前景。

目前常用的吸波材料有铁氧体、钛酸钡、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等，其中又已铁氧体吸波材料是研究将多且比较成熟的吸波材料。铁氧体在高频下有较高的磁导率和电阻率，电磁波易于进入并能快速衰减。但是，以铁氧体为代表的此类吸波材料存在高温特性差、面密度大且电磁参数匹配困难等缺陷。

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质量轻、厚度薄、电磁参数易于调节且对三维各方向入射电磁波均具有良好吸波性能的吸波超材料。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种吸波超材料，其包括基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率大致相等，当该电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和/或相对磁导率的虚部大于该基材的相对介电常数和/或相对磁导率的虚部使得该电磁波被吸收，该人造金属微结构由三个相同的平面拓扑结构在三维空间共中心点两两垂直相交而成。

该平面拓扑结构包括：相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支；分别连接于该两条第一金属分支两端、长度小于该第一金属分支并垂直于该第一金属分支的四条第二金属分支；从该第二金属分支两端向内延伸的八条第三金属分支；一边具有缺口并设置于该四条第二金属分支围成的平面内的四边形状的第四金属分支，该第四金属分支的四边长度小于该第二金属分支且具有该缺口的一边不与该第一金属分支相交，其他三边均与该第一金属分支相交。

该平面拓扑结构还包括从该缺口两端向内延伸的两条第五金属分支。

该第三金属分支与与其相连的该第二金属分支形成的角度为45°。

该第四金属分支中心点与两条该第一金属分支交点重合。

该基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

该基材由多个片状基材组合而成，每一片状基材上附着有多个金属分支；当多个该片状基材组合后，附着在多个该片状基材上的多个该金属分支组合为该人造金属微结构。

该多个金属分支是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该片状基材上。

本发明采用不同于传统吸波材料的吸波原理，通过将各种人造金属微结构周期排列于基材中并调整人造金属微结构的尺寸以达到理想吸波效果，其具有质量轻、厚度薄且电磁参数易于调节的优点。进一步地，本发明的人造金属微结构为三维结构，其对三维空间任意入射方向的电磁波均能有效吸收，提高了吸波超材料的实用性。更进一步地，本发明采用片状基材组合成整体基材的方法来构成超材料，使得超材料内部人造金属微结构的尺寸和间隔均可分别地方便地调节即本发明超材料的相对介电常数和相对磁导率调节方便。

附图说明

图1为本发明吸波超材料人造金属微结构立体结构的平面拓扑图；

图2为本发明吸波超材料人造金属微结构立体结构示意图；

图3为本发明吸波超材料人造金属微结构平面拓扑图对应三维空间垂直于该平面入射的电磁波而拆分的可对电场响应的多个等效拓扑图；

图4为本发明吸波超材料人造金属微结构平面拓扑图对应三维空间垂直于该平面入射的电磁波而拆分的可对磁场响应的多个等效拓扑图；

图5本发明吸波超材料相对介电常数ε与电磁波频率f的ε-f关系示意图；

图6为本发明吸波超材料相对磁导率μ与电磁波频率f的μ-f关系示意图；

图7为本发明吸波超材料人造金属微结构立体结构平面拓扑图的衍生图。

具体实施方式

吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉，该材料应具备两个特性即阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指入射电磁波在吸波材料表面表现出来的反射现象，理想的吸波材料要达到完美阻抗匹配时应使得该吸波材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ相等，其中由于吸波材料存在损耗，因此相对介电常数ε=ε’-jε”，相对磁导率μ=μ’-jμ”。衰减特性是指进入材料内部的电磁波产生损耗而被吸收的现象，损耗大小可用电损耗因子tanδ_e=ε”/ε’和磁损耗因子tanδ_m=μ”/μ’来表征。既满足阻抗匹配特性又满足尽可能大的衰减特性是各类吸波材料追求的目标。

超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材中而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。

本发明利用超材料上述原理设计一种能强烈吸收特定频段电磁波的超材料。该超材料包括基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构。当基材内部未附着人造金属微结构时，其对电磁场表现出具有初始相对介电常数ε₁和初始相对磁导率μ₁；当基材内部附着有人造金属微结构后，人造金属微结构会对入射电磁场产生响应从而使得基材和人造金属微结构整体构成一种超材料，超材料对电磁场的响应会因人造金属微结构尺寸的变化而变化，即超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造金属微结构尺寸的变化而变化。当超材料用作吸波材料时，需要结合基材的初始相对介电常数ε₁和初始相对磁导率μ₁设计初始人造金属结构的拓扑图案和尺寸使之达到吸波材料的设计要求，即阻抗匹配特性和衰减特性均十分优良。

另外，本发明采用立体的人造金属微结构，其独特的拓扑结构设计使得人造微结构对任意入射方向的电磁波的电场和磁场均能产生相同的电磁响应，因此任意入射方向的电磁波通过该吸波超材料时均能被吸收，极大地提高了该吸波超材料的实用范围。

下面详细描述一种能满足本发明吸波要求的人造金属微结构。该人造金属微结构周期排列于基材内部，由于本发明解决的技术问题是吸收电磁波，因此本发明的基材可采用高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等能量损耗大的材料，其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。

在基材内部构成人造金属微结构的方法通常包括两种，一种是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等将整个人造金属微结构周期排列于基材内部；另一种是采用片状基材，其中多个片状基材上按照所需人造金属微结构的立体和平面方位排列要求分别蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻有各种形状的金属分支，该些片状基材组合后，附着于各个片状基材上的各种形状的金属分支构成了所需的人造金属微结构，此种方法工艺简单、能非常方便的分别调节人造金属微结构各金属分支的尺寸和图案。

下面结合几种人造金属微结构拓扑图案详细说明本发明设计原理。

请参照图1和图2。图2为本实施例人造金属微结构三维立体结构示意图，其由三个图1所示的平面拓扑图案在三维空间共中心点两两垂直相交而成。如图1所示，平面拓扑图案包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支101；分别连接于两条第一金属分支101两端，长度小于第一金属分支101并垂直于第一金属分支101的四条第二金属分支102；从第二金属分支102两端以相同角度向内延伸的八条第三金属分支103；一边具有缺口1041并设置于第二金属分支102围成的平面内的四边形状的第四金属分支104，第四金属分支104的四边长度小于第二金属分支102，具有缺口1041的一边不与第一金属分支101相交，其他三边均与第一金属分支101相交。

当三维空间任意入射方向的电磁波通过该超材料时，电磁波的电场方向对应的平面的金属分支之间的间隔等效为容性元件。根据公式

可知，超材料的相对介电常数ε可通过调整具有间隔的金属分支的面积S以及间距d来调整；电磁波的磁场极化方向对应的平面整体等效为感性元件并在其上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响超材料的相对磁导率μ。

具体到本实施例中，将图1所示的二维拓扑图案看作为本发明人造金属微结构其中的一个平面拓扑结构，当入射方向垂直于该平面的电磁波通过该超材料时，该平面拓扑图案响应三维空间垂直于该平面的任意入射方向的电磁波可等效拆分为如图3和图4所示的多个拓扑结构。其中图3为平面拓扑结构响应电场而拆分的多个拓扑结构，图4为平面拓扑结构响应磁场而拆分的多个拓扑结构。图3中被拆分的拓扑结构是由三类组成：（1）两对第二金属分支102，（2）四队第三金属分支103，（3）缺口1041相对的第二金属分支102以及缺口1041相对的对边1042。图4中平面拓扑结构拆分为多个开口环形金属分支，主要由两类组成：（1）第一金属分支101、第三金属分支103以及连接第一金属分支101和第三金属分支103的部分第二金属分支102，（2）第四金属分支104。从图3和图4中可以看出，由于本发明特殊的拓扑结构设计使得入射方向为三维空间垂直于平面拓扑结构任意方向的电磁波通过超材料时，超材料都可以通过调整人造金属微结构各个金属分支的面积和/或长度来调整超材料整体的相对介电常数和相对磁导率。进一步地，本发明整体人造微结构由三个相同的该平面拓扑结构在三维空间两两共交点垂直相交而成，因此本发明人造金属微结构对应三维空间任意入射方向的电磁波均可调整其相对介电常数和相对磁导率。

超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ的与电磁波频率f的关系图如图5、图6所示。在图5和图6中我们可以发现，相对介电常数ε和相对磁导率μ在远离谐振频点处，其变化是微小的，因此调整人造金属微结构金属尺寸改变相对介电常数ε和相对磁导率μ所起到的作用也十分微小。但是在接近谐振频点的频段处，相对介电常数ε和相对磁导率μ均成指数变化，此时调整人造金属微结构金属尺寸将极大影响超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ，因此可以达到本发明的阻抗匹配要求，即一频段处相对介电常数ε和相对磁导率μ相等。因此，本发明所需的电磁波频段通常为偏离人造金属微结构谐振频点且可使相对介电常数ε和相对磁导率μ成指数衰减的频段。当然，此段说明仅为描述本发明实验过程中的规律，并非用以限定本发明电磁波入射频段。

当人造金属微结构的尺寸使得具有一频段的入射电磁波通过超材料时，超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ大致相等时即满足本发明阻抗匹配的设计要求。所谓大致相等是指相对介电常数ε和相对磁导率μ只存在不影响阻抗匹配效果的误差。同时，为了达到优良的吸波性能还需要继续调整人造金属微结构的尺寸使超材料对入射电磁波有最大的能量损耗。能量损耗主要是通过电损耗因子tanδ_e和磁损耗因子tanδ_m来表征，不同的基材对应不同的主要损耗，例如铁电材料主要为电损耗、铁磁材料主要为磁损耗而铁氧材料则两者皆有。人造金属微结构对超材料整体衰减特性的影响是通过改善基材的衰减特性，即提高超材料整体相对介电常数和/或相对磁导率的虚部从而提高超材料整体的衰减特性。可以理解的，调整人造金属微结构的尺寸使超材料满足相对介电常数ε和相对磁导率μ大致相等以及改善基材衰减特性的过程是交互的，并非调整完一个条件以后再在原有基础上调整第二个条件。

图7为本发明吸波超材料平面二维拓扑图案的衍生图。其与第一较佳实施例的不同点在于，缺口1041两端还向内延伸有两条相对的第五金属分支105。第五金属分支105使得人造微结构对应三维空间各方向入射的电磁波形成的等效容性元件增加一类，并改变第四金属分支104中开口环形电流分布。使得调整整个超材料相对介电常数ε和相对磁导率μ的参数增加一个，更容易实现本发明目的。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，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 (8)

1.一种吸波超材料，其特征在于：包括基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率大致相等，当该电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和/或相对磁导率的虚部大于该基材的相对介电常数和/或相对磁导率的虚部使得该电磁波被吸收，该人造金属微结构由三个相同的平面拓扑结构在三维空间共中心点两两垂直相交而成。

2.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：该平面拓扑结构包括：相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支；分别连接于该两条第一金属分支两端、长度小于该第一金属分支并垂直于该第一金属分支的四条第二金属分支；从该第二金属分支两端向内延伸的八条第三金属分支；一边具有缺口并设置于该四条第二金属分支围成的平面内的四边形状的第四金属分支，该第四金属分支的四边长度小于该第二金属分支且具有该缺口的一边不与该第一金属分支相交，其他三边均与该第一金属分支相交。

3.如权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于：该平面拓扑结构还包括从该缺口两端向内延伸的两条第五金属分支。

4.如权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于：该第三金属分支与与其相连的该第二金属分支形成的角度为45°。

5.如权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于：该第四金属分支中心点与两条该第一金属分支交点重合。

6.如权利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于：该基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

7.如权利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于：该基材由多个片状基材组合而成，每一片状基材上附着有多个金属分支；当多个该片状基材组合后，附着在多个该片状基材上的多个该金属分支组合为该人造金属微结构。

8.如权利要求7所述的吸波超材料，其特征在于：该多个金属分支是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该片状基材上。

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