CN103165986B - 一种超介质吸波材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸波材料及制备方法，该吸波材料的基板为环氧树脂PCB板，基本结构单元为紧密S型亚波长结构。本发明在微波频段内实现超宽入射角吸波，且频率偏移小，性能稳定，制备方法简单易行。

Description

一种超介质吸波材料及制备方法
技术领域
本发明涉及微波电磁材料领域，尤其涉及一种超介质吸波材料及制备方法。
背景技术
2000年，D.R.Smith等人提出了基于J.B.Pendry构造的单负介电常数超材料、单负磁导率超材料的思想，并首次人工合成出在X波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的负折射率微波材料，实现了1976年前苏联科学家V.G.Veselago所预言的理想负折射率材料。2008年，Landy等人提出了一种完美超介质吸波材料的概念，通过合理的设计参数和选择，这种电磁谐振器超材料能够对入射电磁波的电磁分量分别产生耦合，从而在一个给定的频带内对入射到超材料表面的电磁波既不产生反射也不产生透射，实现完美吸收。现有超介质吸波材料因为工作波长与单元结构尺寸的比值较小，导致吸波材料吸波率对大入射角较为敏感，从而限制了超介质吸波材料的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超介质吸波材料及制备方法，该超介质吸波材料在微波频段内可以实现超宽入射角吸波，且频率偏移小，性能稳定。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种超介质吸波材料，采用的基板为环氧树脂PCB基板，基本结构单元为紧密S型亚波长结构。
一种超介质吸波材料的制备方法，包括：
选取环氧树脂PCB基板；
环氧树脂PCB基板的一面上刻蚀出紧密S型亚波长结构，环氧树脂PCB基板的另一面覆铜。
本发明的超介质吸波材料利用紧密S型结构来增加其基本结构单元的电感，在超介质吸波材料尺寸一定的情况下降低谐振频率，达到亚波长结构，进而增加大入射角时的吸波率，降低对入射角的敏感度。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的超介质吸波材料单元示意图。
图2是本发明实施例2提供的单元绕数为5绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图。
图3是本发明实施例3提供的单元绕数为7绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图。
图4是本发明实施例4提供的单元绕数为10绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图。
图5是本发明实施例5提供的单元绕数为12绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1是本发明具体实施方式1提供的超介质吸波材料单元示意图。
如图所示，本发明实施例的超介质吸波材料包括：1、金属紧密S型亚波长谐振结构，2、环氧树脂PCB基板，3、覆铜面；其坐标E是电场矢量方向，K是波矢量方向，H是磁场矢量方向。
本发明实施例采用电路板刻蚀技术，在厚度t＝0.25mm～1.6mm的环氧树脂PCB基板上一面刻蚀出紧密S型结构单元阵列，另一覆铜面保持不动，即制作成为基于紧密S型结构的超宽入射角超介质吸波材料。该吸波材料的单元尺寸a＝0.6mm～5mm，谐振单元(即基本结构单元)的单元尺寸b＝0.5mm～2.5mm，单元绕数n＝5绕～20绕，绕线宽度d＝0.05mm～0.4mm，绕线间隔c＝0.05mm～0.4mm，绕线厚度为0.017mm～0.035mm。相邻两个谐振单元之间的中心间距为0.6mm～5mm。
本发明实施例的吸波材料利用紧密S型结构来增加谐振结构的电感，在吸波材料尺寸一定的情况下使谐振频率下降，达到亚波长结构，进而增加大入射角时的吸波率，降低对入射角的敏感度。
图2是本发明实施例2提供的单元绕数为5绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图，其中图(a)为TE波入射，(b)为TM波入射。
所谓TE(TransverseElectric)波，是指入射波的电场矢量E与入射面垂直，入射波的磁场H与入射面平行，也被成为正交极化波或水平极化波；TM(TransverseMagnetic)波，入射波的电场矢量E与入射面平行，入射波的磁场H垂直于入射面，也被成为平行极化波或垂直极化波。
本发明实施例中，采用Ro4003基板，其介电常数ε＝3.55，损耗角正切tanδ＝0.0027。在厚度为0.8mm的基板上刻蚀出单元绕数为5绕的紧密S型单元结构，其线宽为0.2mm，厚度为0.017mm，绕线间隔为0.4mm，相邻结构单元的中心间距为3.4mm。
选取以上参数的吸波材料在不同入射角下的吸波率曲线如附图2所示。由图2(a)可以看出，在TE波入射角从0°改变为60°时，本发明实施例吸波率可以达到96％以上，即使入射角增大为80°时，吸波率仍然可以达到61％，并且工作频段在TE波入射角改变时基本没有偏移现象。由图2(b)可以看出，在TM波入射角从0°改变为60°时，本发明实施例吸波率同样可以达到96％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍有67％。由图2可以得到上述吸波材料的工作波长与其基本结构单元的比值为λ/a＝17.3。
由于相邻谐振单元在磁场方向同向震荡，而在电场方向反向震荡。当入射波垂直入射时候，相邻两个谐振单元之间接收的入射波没有相位差；而当入射波非垂直入射时，在相邻的谐振单元之间会产生相移，进而导致在大入射角时吸波率下降。
根据谐振频率表达式本发明实施例使用紧密S型结构来增加铜线长度，在吸波材料尺寸不变的情况下增大电感L，进而减小谐振频率f，增加入射波谐振波长，从而减小相邻谐振结构单元间入射波的相位差，最后增大吸波材料在大入射角时的吸波率。
图3是单元绕数为7绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图，其中图(a)为TE波入射，(b)为TM波入射。
同样采用电路板刻蚀技术，选取Ro4003板材，其具体参数与实施例二相同，此处不再赘述。在厚度为0.8mm的基板上刻蚀出单元绕数为7绕的紧密S型结构单元，其线宽为0.1mm，厚度为0.017mm，绕线间隔为0.2mm，相邻谐振单元的中心间距为2.4mm。
上述参数下的吸波材料在不同入射角下的吸波率曲线如附图3所示。由图3(a)可以看出，在TE波入射角从0°改变为60°时，本发明实施例吸波率可以达到97％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍然可以达到63％，并且工作频段在TE波入射角改变时基本没有偏移现象。由图3(b)可以看出，在TM波入射角从0°改变为60°时，本发明实施例吸波率可以达到92％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍然可以达到68％。由图2可以得到上述吸波材料的工作波长与其基本结构单元的比值λ/a＝17.7。
图4是单元绕数为10绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图，其中图(a)为TE波入射，(b)为TM波入射。
同样采用电路板刻蚀技术，选取Ro4003板材，其具体参数与实施例二相同。在厚度为0.8mm的基板上刻蚀出单元绕数为10绕的紧密S型单元结构，其线宽为0.05mm，厚度为0.017mm，绕线间隔为0.11mm，相邻谐振单元的中心间距为1.85mm，制得的样品在不同入射角下的吸波率曲线如附图4所示。
由图4(a)可以看出，在TE波入射角从0°改变为60°时，本发明吸波率仍然可以达到95％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍然可以达到58％，并且工作频段在TE波入射角改变时基本没有偏移现象。由图4(b)可以看出，在TM波入射角从0°改变为60°时，本发明吸波率仍然可以达到96％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍然可以达到78％。图4(a)中选用的吸波材料的工作波长与其基本结构单元的比值为λ/a＝19.2。
图5是单元绕数为12绕的超介质吸波材料在不同入射角下的吸波率示意图，其中图(a)为TE波入射，(b)为TM波入射。
同样采用电路板刻蚀技术，选取Ro4003板材，其具体参数与实施例二相同。在厚度为0.8mm的基板上刻蚀出出单元绕数为12绕的紧密S型单元结构，其线宽为0.08mm，厚度为0.017mm，绕线间隔为0.05mm，相邻结构单元的中心间距为1.84mm，制得样品，其在不同入射角下的吸波率曲线如附图5所示。
由图5(a)可以看出，在TE波入射角从0°改变为60°时，本发明吸波率仍然可以达到97％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍然可以达到65％，并且工作频段在TE波入射角改变时基本没有偏移现象。由图5(b)可以看出，在TM波入射角从0°改变为60°时，本发明吸波率仍然可以达到94％以上，即使入射角增大为80°，吸波率仍然可以达到74％。从图5(a)可以得到上述吸波材料的工作波长与其谐振单元的比值λ/a＝16.7。
本发明实施例的吸波材料在入射角增大到60°的情况下，对入射波的吸波率可以达到95％以上，入射角在80°的情况下仍然可以达到60％左右的吸波率，而且当入射角发生改变时基本没有偏移现象，性能稳定，同时该材料制备方法简单易行，具有很高的推广性。

Claims (7)

1.一种超介质吸波材料，其特征在于，所述超介质吸波材料的基板为环氧树脂PCB基板，基本结构单元为紧密S型亚波长结构，所述基本结构单元刻蚀在所述PCB基板的一面，所述PCB基板的另一覆铜面保持不动；
所述基本结构单元的单元尺寸为0.5mm～2.5mm，单元绕数为5绕～20绕，绕线宽度为0.05mm～0.4mm，绕线厚度为0.017mm～0.035mm，绕线间隔为0.05mm～0.4mm，相邻两个所述基本结构单元之间的中心间距为0.6mm～5mm；
所述环氧树脂PCB基板的单元尺寸为0.6mm～5mm，介电常数为2.2～6.0，损耗角正切为0.0018～0.04，厚度为0.25mm～1.6mm；
所述环氧树脂PCB基板为Ro4003基板。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述紧密S型亚波长结构为所述超介质吸波材料的工作波长与所述超介质吸波材料的单元尺寸的比值大于10的结构。
3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述环氧树脂PCB基板的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.8mm；所述基本结构单元的单元绕数为5绕，绕线宽度为0.2mm，绕线厚度为0.017mm，绕线间隔为0.4mm，相邻两个所述基本结构单元之间的中心间距为3.4mm。
4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述环氧树脂PCB基板的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.8mm；所述基本结构单元的单元绕数为7绕，绕线宽度为0.1mm，绕线厚度为0.017mm，绕线间隔为0.2mm，相邻两个所述基本结构单元之间的中心间距为2.4mm。
5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述环氧树脂PCB基板的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.8mm；所述基本结构单元的单元绕数为10绕，绕线宽度为0.05mm，绕线厚度为0.017mm，绕线间隔为0.11mm，相邻两个所述基本结构单元之间的中心间距为1.85mm。
6.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述环氧树脂PCB基板的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.8mm；所述基本结构单元的单元绕数为12绕，绕线宽度为0.08mm，绕线厚度为0.017mm，绕线间隔为0.05mm，相邻两个所述基本结构单元之间的中心间距为1.84mm。
7.根据权利要求1所述的一种超介质吸波材料的制备方法，其特征在于，包括：
选取环氧树脂PCB基板；
环氧树脂PCB基板的一面上刻蚀出紧密S型亚波长结构，环氧树脂PCB基板的另一面覆铜。
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