CN102752996A - 频率可调的吸波装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种频率可调的吸波装置，包括：具有吸波超材料、设置在每个超材料单元上的电抗可调节的变抗器件以及用于调节变抗器件的主控单元。本发明的吸波装置可通过主控单元对设置在每个超材料单元上的变抗器件进行控制，进而对每个超材料单元的等效电磁参数进行调节，使吸波超材料对不同频率的入射电磁波均满足阻抗匹配特性和衰减匹配特性，该吸波装置具有较宽的吸波频带和较高的吸波效率。

Description

频率可调的吸波装置

技术领域

本发明涉及吸波装置领域，尤其涉及一种频率可调的吸波装置。 

背景技术

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。在机场，飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院，移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。 

目前研究与应用比较多的吸波材料有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、等离子体型吸波材料及光学透明吸波材料等。各种不同的材料其应用的范围有所不同，其覆盖的频段范围也有所差别。但是还没有一种吸波材料可以较好地满足吸收频带宽和吸收率高等条件。 

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种频率可调的吸波装置，其吸波频带宽、吸收率较高。 

为解决上述技术问题，提供了一种频率可调的吸波装置，包括： 

吸波超材料，所述吸波超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板和附着在所述基板上的多个人造微结构； 

多个电抗可调节的变抗器件，设置于所述基板上且与多个所述人造微结构一一对应电连接； 

控制单元，用于对各个变抗器件的电抗进行调节。 

进一步地，所述变抗器件为变容二极管。 

进一步地，所述控制单元包括：单片机和多个与所述单片机电连接的DA转换器。 

进一步地，所述吸波超材料由至少一个阻抗均匀的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成且所述每一片层的等效介电常数ε与等效磁导率μ相等。 

进一步地，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。 

进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。 

进一步地，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。 

进一步地，所述基板由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。 

进一步地，所述人造微结构具有对电场响应的拓扑结构。 

进一步地，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“H”形。 

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的频率可调的吸波装置包括：吸波超材料、设置在每个超材料单元上的电抗可调节的变抗器件以及用于调节变抗器件的主控单元。该吸波装置可通过主控单元对设置在每个超材料单元上的变抗器件进行控制，进而对每个超材料单元的电磁参数进行调节，使超材料对不同频率的入射电磁波均满足阻抗匹配特性和衰减匹配特性，该吸波装置具有较宽的吸波频带和较高的吸波效率。 

附图说明

图1是本发明实施例的频率可调的吸波装置的结构示意图。 

图2是本发明所采用的吸波超材料的第一实施例的结构示意图。 

图3是由图2所示人造微结构衍生的第二实施例的示意图。 

图4是由图3所示人造微结构衍生的第三实施例的示意图。 

图5是本发明所采用的吸波超材料的第四实施例的结构示意图。 

图6是“T”形金属丝和一边设置有开口的弯折金属丝叠加形成的人造微结构示意图。 

具体实施方式

吸波材料是指能吸收入射到其表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量的材料。吸波材料的基本设计思想是：电磁波入射到吸波材料上时，它能尽可能不反射而最大限度地进入材料内部，即要求吸波材料满足阻抗匹配特性；进入材料内的电磁波能因介质损耗而迅速地衰减掉，即要求吸波材料满足衰减匹配特性。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。 

目前研究与应用比较多的吸波材料有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、等离子体型吸波材料及光学透明吸波材料等。各种不同的材料其应用的范围有所不同，其覆盖的频段范围也有所差别。但现有的吸波材料不能满足重量轻、厚度薄、吸收频带宽、阻抗匹配等条件。 

超材料由至少一个厚度很薄的超材料片层3构成，每个超材料片层3包括基板1和多个阵列设置在基板1上的由具有一定图形的金属丝构成的人造微结构2。超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料。每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。基板1可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图形所具有的拓扑特征和其几何尺寸。 

图1所示为本发明的频率可调的吸波装置的结构示意图。该吸波装置包括：吸波超材料10、多个变抗器件40以及用于对各个变抗器件40的电抗进行调节控制单元。 

其中，控制单元包括单片机20和多个与单片机20相连接的DA转换器30。变抗器件40设置于吸波超材料10的每一个超材料单元内且与该超材料单元内所附着的人造微结构2电连接。DA转换器30的多路输出端分别与每个变抗器件40相连接，单片机20通过控制DA转换器30的输出可选择性的调节吸波超材料10各个超材料单元的等效电抗，从而调整可吸收的电磁波的 频率段，拓宽了吸波装置的吸波波段。具体实施时变抗器件40优选采用变容二极管。 

要使吸波超材料10具有较优良的吸波效果，要求吸波超材料10满足阻抗匹配特性和衰减匹配特性。当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。所以理想的吸波材料要达到完美的阻抗匹配时，需创造特殊的边界条件使入射电磁波在吸波材料表面的振幅反射率ρ最小(理想情况ρ＝0)从而尽可能地从表面进入介质内部。最简单的情况是电磁波从自由空间垂直射到介质表面，此时： 

ρ＝(η-η₀)/(η+η₀)； 

式中ρ表示电磁波在介质表面的振幅反射率；η表示介质的相对本性阻抗；η₀表示自由空间的相对本性阻抗，欲使ρ＝0，则η＝η₀。由于： 

η₀＝(μ₀/ε₀)^1/2，η＝(μ/ε)^1/2； 

式中μ₀和ε₀分别表示自由空间的相对磁导率和相对介电常数，均为1；μ和ε分别表示介质的相对磁导率和相对介电常数。所以可得ε＝μ。 

可见，要使直射电磁波完全进入吸波材料，其阻抗完全匹配，吸波材料的相对磁导率和相对介电常数要相等。事实上还没有这种电磁参数的介质，只能通过调整吸波材料的介电常数和磁导率以达到近似匹配。根据上述原理调整吸波超材料10的每个超材料单元所设置的变抗元件40，就可对吸波超材料10中每一点的电磁参数进行设置，使超材料单元的等效介电常数和磁导率近似相等，进而实现吸波超材料10与入射介质间的阻抗匹配。进一步地，如果入射电磁波包括多个不同的频率段，可设置多个超材料片层3，通过单片机20控制DA转换器30的输出可选择性的调节吸波超材料10的不同超材料片层3的等效电抗，通过多层超材料片层3吸收不同频段的电磁波从而拓宽了吸波材料的吸收频带。 

为了达到良好的吸波性能还需要继续对每个超材料单元内的变抗器件40进行调整，使吸波超材料10对入射电磁波有最大的能量损耗。由于吸波材料存在损耗，所以相对介电常数ε＝ε’-jε”，相对磁导率μ＝μ’-jμ”，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，不同材料 的基板1对应不同的主要损耗因子，例如铁电材料主要为电损耗因子、铁磁材料主要为磁损耗因子而铁氧材料则两者皆有。当入射电磁波的频率等于每个超材料单元内的人造微结构2和变抗器件40形的小电路的谐振频率时，吸波超材料10的相对介电常数的虚部ε”增大，从而具有最大的电损耗因子tanδ_e＝ε”/ε’，所以当超材料单元内的人造微结构2和变抗器件40形的小电路的谐振频率与入射电磁波的频率相同时具有最好的吸波效果。可以理解，调整变抗器件40以满足吸波超材料10的相对介电常数ε和相对磁导率μ大致相等以及改善基板1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。 

满足上述条件的超材料有很多种可实现方式。图2所示是本发明所采用的吸波超材料10的第一实施例的结构示意图。如图所示吸波超材料10由至少一个均匀的超材料片层3沿垂直于片层表面方向堆叠形成，每个超材料片层3包括前后表面平行从而成等厚片状的基板1，还包括附着在基板1上或嵌在每片基板1内部的多个相同且阵列排布的人造微结构2。 

人造微结构2可以采用具有对电场响应的拓扑结构，如：“工”字形、“十”字形或“H”形以及其衍生结构等。本实施例中人造微结构2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。 

图3所示是图2所示实施例的人造微结构2的衍生，其人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。 

图4所示是图3的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图3的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的对电场响应的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。 

同样，人造微结构2也可以采用具有对磁场响应的拓扑结构，如：带有缺口的多边形或带有缺口的环形等。当然，对磁场响应的人造微结构2还有 很多种，本文不再一一列举。 

图5是本发明所采用的吸波超材料的第四实施例的结构示意图。本实施例中吸波超材料10的各超材料片层3附着的人造微结构2具有不同的拓扑结构，包括对电场响应的“工”字形和“雪花”型的人造微结构2，也包括对磁场响应的带有缺口的三角形的人造为结构2。 

图6所示的人造微结构2是“T”形金属丝601和一边设置有开口的弯折金属丝602的叠加，其中“T”形金属601丝能够对电场产生响应，而弯折金属丝602能够对磁场产生相应。同理，可通过调节每个变抗器件40从而改变每个超材料单元等效介电常数ε和等效磁导率μ，通过合理的设计可满足阻抗匹配特性和衰减匹配特性，实现良好的吸波效果。 

具体实施时，人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构。基板1高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得，其中高分子材料可采用聚四氟乙烯、FR-4或F4b等。 

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种频率可调的吸波装置，其特征在于，包括：

吸波超材料，所述吸波超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板和附着在所述基板上的多个人造微结构；

多个电抗可调节的变抗器件，设置于所述基板上且与多个所述人造微结构一一对应电连接；

控制单元，用于对各个变抗器件的电抗进行调节。

2.如权利要求1所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述变抗器件为变容二极管。

3.如权利要求1所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述控制单元包括：单片机和多个与所述单片机电连接的DA转换器。

4.如权利要求1所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述吸波超材料由至少一个阻抗均匀的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成且所述每一片层的等效介电常数ε与等效磁导率μ相等。

5.如权利要求1至4任一项所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

6.如权利要求5所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

7.如权利要求6所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

8.如权利要求1至4任一项所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述基板由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

9.根据权利要求1至4任一项所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述人造微结构具有对电场响应的拓扑结构。

10.根据权利要求9所述的频率可调的吸波装置，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“H”形。

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