CN102811596A - 一种宽频吸波超材料及吸波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频吸波超材料，其包括沿电磁波传播方向依次设置的电阻层、第一基材、阵列排布的多个第一人造微结构、第二基材、阵列排布的多个第二人造微结构以及第三基材；所述电阻层贴附于第一基材外表面，多个第一人造微结构阵列排布于所述第一基材与第二基材相对表面的任一表面上，多个第二人造微结构阵列排布于所述第二基材与第三基材相对表面的任一表面上，所述电阻层与所述第三基材底面的垂直距离为所述宽频吸波超材料的第一吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。本发明将超材料原理与电阻屏吸波原理结合起来设计宽频吸波超材料，通过多层基材设置达到宽频吸波效果。本发明还提供一种吸波装置，其附着有上述宽频吸波超材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种宽频吸波超材料及吸波装置。
背景技术
随着科学技术发展的日新月异，以电磁波为媒介的各种技术和产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如，无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞；移动电话可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；即使是普通的计算机，也会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和重现，造成国防、政治、经济、科技等方面情报的泄漏。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。
现有的吸波材料利用各个材料自身对电磁波的吸收性能，通过设计不同材料的组分使得混合后的材料具备吸波特性，此类材料设计复杂且不具有大规模推广性，同时此类材料的机械性能受限于材料本身的机械性能，不能满足特殊场合的需求。同时此类吸波材料吸波频点单一，不能满足宽频吸波效果。
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，提出一种吸波频率较宽的宽频吸波超材料。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种宽频吸波超材料，其包括沿电磁波传播方向依次设置的电阻层、第一基材、阵列排布的多个第一人造微结构、第二基材、阵列排布的多个第二人造微结构以及第三基材；所述电阻层贴附于第一基材外表面，多个第一人造微结构阵列排布于所述第一基材与第二基材相对表面的任一表面上，多个第二人造微结构阵列排布于所述第二基材与第三基材相对表面的任一表面上，所述电阻层与所述第三基材底面的垂直距离为所述宽频吸波超材料的第一吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。
进一步地，所述电阻层与所述第一人造微结构的垂直距离为所述宽频吸波材料的第二吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。
进一步地，所述电阻层与所述第二人造微结构的垂直距离为所述宽频吸波材料的第三吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。
进一步地，所述电阻层电阻值为500至1000欧姆。
进一步地，所述第一人造微结构为具有第一线宽的金属环形结构。
进一步地，所述第二人造微结构包括同心且等间距设置的四个环形结构，其中最里层的两个环形结构为封闭环形结构，最外层的两个环形结构上均匀排布有四个缺口。
进一步地，所述第二人造微结构的四个环形结构具有相同的第二线宽，且第二线宽小于第一线宽。
进一步地，所述第一基材材料、第二基材材料以及第三基材材料为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或F4B材料。
进一步地，所述电阻屏通过将导电油墨均匀涂覆于电阻屏板材上构成。
本发明还提供一种吸波装置，其包括金属外壳，所述金属外壳表面贴附有所述宽频吸波超材料。
本发明将超材料原理与电阻屏吸波原理结合起来设计宽频吸波超材料，通过多层基材设置达到宽频吸波效果。
附图说明
图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；
图2为本发明宽频吸波超材料的剖视图；
图3为本发明宽频吸波超材料中阵列排布的第一人造微结构的结构示意图；
图4为本发明宽频吸波超材料中阵列排布的第二人造微结构的结构示意图；
图5为本发明吸波装置的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。
如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。人造微结构可为人造金属微结构，其具有对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸，可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应，因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波五分之一波长，优选为入射电磁波十分之一波长。本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元是一种人为的划分方法，但应知此种划分方法仅为描述方便，超材料既可由多个超材料基本单元拼接或组装而成，也可将人造金属微结构周期排布于基材上构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。
本发明利用上述超材料原理在多块基材表面排布人造微结构，并在最靠近电磁波入射方向的基材外表面贴附电阻屏以形成salisbury屏，结合salisbury屏和超材料以达到宽频吸波效果。
请参照图2，图2为本发明宽频吸波超材料的剖视图。图2中，本发明宽频吸波超材料包括沿电磁波传播方向依次设置的电阻层10、第一基材20、阵列排布的多个第一人造微结构30、第二基材40、阵列排布的多个第二人造微结构50以及第三基材60。电阻层10贴附于第一基材20外表面，多个第一人造微结构30阵列排布于所述第一基材20与第二基材40相对表面的任一表面上，多个第二人造微结构50阵列排布于所述第二基材40与第三基材60相对表面的任一表面上。
阵列排布的多个第一人造微结构30的结构示意图如图3所示。由图3可知，第一人造微结构30为金属环形结构，其具有第一线宽。
阵列排布的多个第二人造微结构50的结构示意图如图4所示。由图4可知，第二人造微结构50包括同心且等间距设置的4个环形结构，其中最里层的2个环形结构为封闭环形结构，最外层的2个环形结构上均匀排布有4个缺口500。本实施例中，第二人造微结构50的4个环形结构具有相同的第二线宽，且第二线宽小于第一线宽。
电阻层10与第三基材60底面的垂直距离为所述宽频吸波超材料的第一吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。由于电阻层10与第三基材60底面的垂直距离为一电磁波波长的四分之一，相对该波长对应的电磁波频率，电阻层10构成salisbury屏，对该第一频率的电磁波具有吸波效果。
进一步地，电阻层10与多个第一人造微结构30的垂直距离为所述宽频吸波超材料的第二吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。由于电阻层10与第一人造微结构30的垂直距离为另一电磁波波长的四分之一，相对该波长对应的电磁波频率，电阻层10构成salisbury屏，对该第二频率的电磁波具有吸波效果。
进一步地，电阻层10与多个第二人造微结构50的垂直距离为所述宽频吸波超材料的第三吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。由于电阻层10与第二人造微结构50的垂直距离为另一电磁波波长的四分之一，相对该波长对应的电磁波频率，电阻层10构成salisbury屏，对该第三频率的电磁波具有吸波效果。
可以通过调整第一基材20、第二基材40以及第三基材60的厚度从而调整第一吸波频率、第二吸波频率以及第三吸波频率的频率，从而实现吸波频率的可调。
本发明中，电阻屏优选通过导电油墨将均匀涂覆于电阻屏板材上构成。通过选取不同型号的导电油墨以使得电阻屏具有不同的电阻值。本发明中，电阻屏电阻值优选为500至1000欧姆。
第一基材20、第二基材40以及第三基材60的材料优选为吸波性能较好的材料，例如铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等；为综合考虑其机械性能和电气性能，也可选用FR-4材料、F4B材料等。
请参照图4，图4为将上述宽频吸波超材料贴附于一装置的金属外壳70表面构成吸波装置的结构示意图。
该装置可以为飞行器、滤波器等各类具有金属外壳的装置和电子器件。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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 (10)
1.一种宽频吸波超材料，其特征在于：包括沿电磁波传播方向依次设置的电阻层、第一基材、阵列排布的多个第一人造微结构、第二基材、阵列排布的多个第二人造微结构以及第三基材；所述电阻层贴附于第一基材外表面，多个第一人造微结构阵列排布于所述第一基材与第二基材相对表面的任一表面上，多个第二人造微结构阵列排布于所述第二基材与第三基材相对表面的任一表面上，所述电阻层与所述第三基材底面的垂直距离为所述宽频吸波超材料的第一吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。
2.如权利要求1所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述电阻层与所述第一人造微结构的垂直距离为所述宽频吸波材料的第二吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。
3.如权利要求2所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述电阻层与所述第二人造微结构的垂直距离为所述宽频吸波材料的第三吸波频点对应的电磁波波长的四分之一。
4.如权利要求1所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述电阻层电阻值为500至1000欧姆。
5.如权利要求2所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述第一人造微结构为具有第一线宽的金属环形结构。
6.如权利要求3所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述第二人造微结构包括同心且等间距设置的四个环形结构，其中最里层的两个环形结构为封闭环形结构，最外层的两个环形结构上均匀排布有四个缺口。
7.如权利要求6所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述第二人造微结构的四个环形结构具有相同的第二线宽，且第二线宽小于第一线宽。
8.如权利要求1所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述第一基材材料、第二基材材料以及第三基材材料为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或F4B材料。
9.如权利要求1所述的宽屏吸波超材料，其特征在于：所述电阻屏是通过将导电油墨均匀涂覆于电阻屏板材上构成。
10.一种吸波装置，其特征在于：包括金属外壳，所述金属外壳表面贴附有权利要求1至权利要求9任一项所述的宽频吸波超材料。
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