CN103402347B - 一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法。采用超材料尺度的三维光子晶体结构作为单胞，通过改变其结构参数，实现了一种局部等效介电常数可控的三维空间结构；采用光固化快速成型工艺进行三维结构制造，利用混合液体作为电磁波吸收媒介，在Ku微波频段（GHz）实现了电磁波能量吸收，该方法可实现对来自各入射方向电磁波能量的吸收。本发明所提出的全向宽带电磁波能量吸收装置具有一体化、低损耗、宽频带等优点。

Description

一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法

技术领域

本发明属于超材料与电磁波能量吸收技术领域，涉及一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法。

背景技术

超材料是一种具有可控电磁特性的结构，具有许多新颖特性，如负折射，可调等效折射率等。由于超材料结构独特的性质，使得其在高指向性天线、雷达、隐形、通信、亚波长成像等领域具有广阔的应用前景。电磁波吸收在太阳能、选频辐射仪、传感器、防辐射、无线能量传输等领域有重大的意义。超材料电磁波吸收体具有实现完美电磁波吸收的潜力，近年来成为国内外一个研亢热点。自2008年N.I.Landy和D.R.Smith在《PhysicalReviewLetters》第一次实验证明了超材料完美吸收体以来，超材料电磁吸收的研亢从微波段到光波段取得了很多进展。

目前超材料应用于电磁波吸收的主要基于其谐振特性，利用超材料等效介电常数和等效磁导率的虚部，实现电磁波吸收。正是由于其谐振的特性，使得现有超材料电磁波吸收体具有局限性，如工作频带较窄，只能吸收较单一极向和入射角度的电磁波等。如何解决这些局限，使得超材料电磁波吸收能够广泛、灵活地进行实际应用，并提高其电磁波吸收性能，成为超材料电磁波能量吸收装置的设计与制造瓶颈问题。

国内外很多研亢小组设计了不同的电磁波吸收体，推动了超材料电磁波吸收体的发展及应用。如利用空间轴对称结构超材料实现对多极化电磁波的吸收和相对较大的吸收角度；通过多层结构或阵列不同单胞的解耦实现较宽的工作频带；通过可调超材料实现交灵活的工作频带等。这些方法在各自的应用条件下不同程度地扩大了超材料吸收体的工作范围，但是基于谐振的特性它们并不能真正实现全向宽带的电磁波能量完美吸收。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，利用三维超材料结构实现全向宽带电磁波吸收的方法，并利用光固化快速成形技术，制备在微波频段(GHz)实现全向宽带电磁波能量吸收的装置。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，包括以下步骤：

1)所制备的全向宽带电磁波能量吸收装置由球壳和吸收内核组成，其介电常数分布由以下方程描述：

$\&Element;\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\&Element;}_0,& r\&GreaterEqual;R\\ {\&Element;}_0{\left(\frac{R}{r}\right)}^n,& R_c<r<R\\ {\&Element;}_c+i\mathrm{\&gamma;},& r\&le;R_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，R_c和R分别为吸收内核的半径和球壳的半径；∈₀为背景材料的介电常数，∈_c+iγ为内核的复介电常数，∈_c为复介电常数的实部，iγ为复介电常数的虚部，n≥2；

根据全向宽带电磁波能量吸收装置的工作频段、尺寸要求来确定其沿空间径向变化的等效介电常数分布；

2)将等效介电常数分布的球壳离散化为具有相同厚度的m层离散介电常数结构；

3)利用空间结构参数渐变的超材料尺度三维光子晶体实现离散化的等效介电常数渐变球壳，得到渐变结构的超材料尺度三维光子晶体结构CAD模型；

4)将三维光子晶体结构CAD模型，转换为光固化快速成型系统能够识别的STL文件，导入到光固化快速成型机中；以介电常数为∈_c的光敏树脂为材料，采用光固化快速成型工艺制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳；

5)将高介电常数的电磁损耗液体和低介电常数的无损耗液体混合，通过调整混合比例得到具有吸收内核所需的复介电常数的混合液体；将配置好的混合液体介质注入薄层的光敏树脂壳中得到吸收内核；

6)将吸收内核与球壳组装，得到全向宽带电磁波能量吸收装置。

所述等效介电常数分布是径向连续渐变的。

所述的工作频段包括X和Ku波段。

所述的m≥12。

所述的超材料尺度为：三维光子晶体的晶格常数的远小于自由空间波长；

所述的空间结构参数渐变为：改变其单胞结构参数而保持晶格常数不变，从而改变其占空比；

占空比与其等效介电常数之间的关系由下式计算：ε＝f+ε_d(1-f)，其中ε为等效介电常数，f为介质占空比，ε_d为光固化成形树脂材料的介电常数。

所述在保持其晶格常数不变的情况下，通过改变超材料尺度三维光子晶体的单胞结构参数，实现各离散层结构的渐变等效介电常数。

所述的超材料尺度三维光子晶体采用木堆结构，保持其柱间距不变，通过改变木堆结构的单胞结构的柱宽，实现各离散层结构的渐变等效介电常数。

所采用的光固化快速成型工艺，以光敏树脂为材料，采用分层光固化的方法制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳；然后用酒精冲洗干净，去除残余液体光敏树脂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果和显著的技术优点：

本发明提供的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，是以光固化工艺为基础，发挥快速成型工艺对复杂三维结构一体化设计与制造的优势。所制备的全向宽带电磁波能量吸收装置具有较高的集成化和器件化程度。本发明所制备出的电磁波能量吸收装置，在外观上为高度对称的球体，在功能方面，可以吸收来自各个方向的入射电磁波；本发明采用具有超材料尺度的光子晶体作为单胞结构，以低损耗光敏树脂作为材料，其无谐振的特性，使得其电磁响应具有较低的损耗，且在较宽的频带范围内不变，使得本发明的装置具有低损耗宽频等优点。

附图说明

图1为木堆结构光子晶体柱宽ω与等效介电常数之间的关系图；

图2-1～2-4为全向宽带电磁波能量吸收装置球壳的CAD模型示意图，其中图2-1为立体视图，图2-2为前视图，图2-3为上视图，图2-4为沿轴截面图；

图3为混合液体介质的介电常数与频率的关系。

图4-1～4-4为全向宽带电磁波能量吸收装置和仅有内核情况下的远场散射对比。

具体实施方式

本发明是以光固化快速成型技术为基础，提供了基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，包括以下步骤：

1)所制备的全向宽带电磁波能量吸收装置由球壳和吸收内核组成，其介电常数分布由以下方程描述：

$\&Element;\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\&Element;}_0,& r\&GreaterEqual;R\\ {\&Element;}_0{\left(\frac{R}{r}\right)}^n,& R_c<r<R\\ {\&Element;}_c+i\mathrm{\&gamma;},& r\&le;R_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，R_c和R分别为吸收内核的半径和球壳的半径；∈₀为背景材料的介电常数，∈_c+iγ为内核的复介电常数，∈_c为复介电常数的实部，iγ为复介电常数的虚部，n≥2；

根据全向宽带电磁波能量吸收装置的工作频段(X和Ku波段)、尺寸要求来确定其沿空间径向变化的等效介电常数分布(径向连续渐变的等效介电常数分布)；

2)将等效介电常数分布的球壳离散化为具有相同厚度的m层离散介电常数结构；

所述的m≥12；实际上，更多的层数，更近接近理论模型，会使得“黑洞”的电磁波吸收性能更佳，但增加了工程实现的难度。研亢证明，将其离散为具有同样厚度的12层，足以使得系统具有较高电磁波能量吸收效率；

3)利用空间结构参数渐变的超材料尺度三维光子晶体实现离散化的等效介电常数渐变球壳，得到渐变结构的超材料尺度三维光子晶体结构CAD模型；

所述的超材料尺度为：三维光子晶体的晶格常数的远小于自由空间波长；

所述的空间结构参数渐变为：改变其单胞结构参数而保持晶格常数不变，从而改变其占空比；占空比与其等效介电常数之间的关系由下式计算：ε＝f+ε_d(1-f)，其中ε为等效介电常数，f为介质占空比，ε_d为光固化成形树脂材料的介电常数。

在保持其晶格常数不变的情况下，通过改变超材料尺度三维光子晶体的单胞结构参数，实现各离散层结构的渐变等效介电常数。

具体的，所述的超材料尺度三维光子晶体采用木堆结构，保持其柱间距不变，通过改变木堆结构的单胞结构的柱宽，实现各离散层结构的渐变等效介电常数。

4)将三维光子晶体结构CAD模型，转换为光固化快速成型系统能够识别的STL文件，导入到光固化快速成型机中；以介电常数为∈_c的光敏树脂为材料，采用光固化快速成型工艺制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳；

具体的，在光固化快速成型系统中对CAD模型文件数据进行加支撑和分层处理，然后将分层数据上传至激光控制程序中，以光敏树脂为材料，采用分层光固化的方法制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳。制备出的球壳由酒精冲洗干净，以去除残余液体光敏树脂。

5)将高介电常数的电磁损耗液体和低介电常数的无损耗液体混合，通过调整混合比例得到具有吸收内核所需的复介电常数的混合液体；将配置好的混合液体介质注入薄层的光敏树脂壳中得到吸收内核；

6)将吸收内核与球壳组装，得到全向宽带电磁波能量吸收装置。

下面给出具体的制备实施例。

实施例1

采用具有超材料尺度的木堆结构光子晶体结构，以乙醇和油酸为混合液体介质，实现工作频段位于Ku波段(12～18GHz)的全向宽带电磁波能量吸收装置。具体包括以下步骤：

1)所设计的全向宽带电磁波能量吸收装置工作频段位于Ku波段(12～18GHz)，以此确定木堆结构光子晶体的晶格常数，即远小于自由空间波长，本实例中取为柱间距为a＝5mm，如图1所示。本实例中采用的SOMOS14120(DSM)光敏树脂介电常数为3.0，同时取吸收内核的介电常数∈_c＝3.0。根据方程(1)，计算出R_c和R分别为142.0mm和82mm；

2)将步骤1)所确定的具有径向连续渐变的等效介电常数分布的球壳离散化为厚度均取为5mm的12层分布，根据方程(1)计算出每一层的等效介电常数；

3)利用空间结构参数渐变的木堆结构三维光子晶体来实现设计中得到的等效介电常数渐变的球壳。木堆结构光子晶体的柱间距为5mm。在每一介电常数离散球层中改变木堆结构光子晶体的柱宽ω，如图1所示，而保持其柱间距不变，实现空间等效介电常数的渐变。每一离散层的等效介电常数ε(r)和对应的木堆结构光子晶体柱宽ω如表1所示；

表1单一离散层等效介电常数ε(r)和对应木堆结构光子晶体柱宽ω

层数	等效介电常数	柱宽ω(mm)
			1	2.83	4.6
2	2.52	3.8
			3	2.26	3.1
4	2.04	2.6
			5	1.85	2.1
6	1.68	1.7
			7	1.54	1.3
8	1.41	1.0
			9	1.30	0.75
10	1.20	0.51
			11	1.11	0.29
12	air	-

4)将3)中所设计的具有复杂三维结构的球壳一体化CAD模型文件(如图2-1～2-4所示)，转换为STL格式文件，导入到光固化快速成型机(SPS600B，陕西恒通智能有限公司)中。在光固化快速成型系统中对CAD模型文件数据进行加支撑和分层处理，然后将分层数据上传至激光控制程序中，以液态光敏树脂(SOMOS14120，DSM)为材料，采用分层光固化的方法制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳。制备出的球壳由酒精冲洗干净，以去除残余液体光敏树脂。

5)通过混合乙醇和油酸液体介质的方法实现全向宽带电磁波能量吸收装置的复介电常数为3.0+iγ的吸收内核。乙醇为损耗介质，由安捷伦介电探头套件测得其在X和Ku频段的复介电常数实部为4.7，虚部大于1.1。加入X和Ku波段介电常数为2.2的无损介质油酸以调整其介电常数。当混合液体介质中乙醇和油酸的体积分数比为60∶40时，实现了所需的实部为3.0的复介电常数，如示意图3所示。同时为了封装液体，并保证内核-球壳的阻抗匹配条件，将配置好的混合液体介质注入厚度为0.2mm的光敏树脂球壳中；

6)将吸收内核及球壳组装，得到Ku波段(12～18GHz)的全向宽带电磁波能量吸收装置。

7)对全向宽带电磁波能量吸收装置进行远场散射测试，并与仅内核情况下的远场散射进行对比。对比实验结果如图4所示，其中图4-1～图4-2分别在12GHz，13GHz，14GHzand15GHz，结果表明全向宽大电磁波能量吸收装置显著的降低了远场散射，电磁波吸收效果明显。

Claims (8)

1.一种基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)所制备的全向宽带电磁波能量吸收装置由球壳和吸收内核组成，其介电常数分布由以下方程描述：

$\&Element;\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\&Element;}_0,& r\&GreaterEqual;R\\ {\&Element;}_0{\left(\frac{R}{r}\right)}^n,& R_c<r<R\\ {\&Element;}_c+i\mathrm{\&gamma;},& r\&le;R_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，R_c和R分别为吸收内核的半径和球壳的半径；∈₀为背景材料的介电常数，∈_c+iγ为内核的复介电常数，∈_c为复介电常数的实部，iγ为复介电常数的虚部， $R_c=R\sqrt{\frac{{\&Element;}_0}{{\&Element;}_c}},$ n≥2；

根据全向宽带电磁波能量吸收装置的工作频段、尺寸要求来确定其沿空间径向变化的等效介电常数分布；

2)将等效介电常数分布的球壳离散化为具有相同厚度的m层离散介电常数结构；

3)利用空间结构参数渐变的超材料尺度三维光子晶体实现离散化的等效介电常数渐变球壳，得到渐变结构的超材料尺度三维光子晶体结构CAD模型；

4)将三维光子晶体结构CAD模型，转换为光固化快速成型系统能够识别的STL文件，导入到光固化快速成型机中；以介电常数为∈_c的光敏树脂为材料，采用光固化快速成型工艺制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳；

5)将高介电常数的电磁损耗液体和低介电常数的无损耗液体混合，通过调整混合比例得到具有吸收内核所需的复介电常数的混合液体；将配置好的混合液体介质注入薄层的光敏树脂壳中得到吸收内核；

6)将吸收内核与球壳组装，得到全向宽带电磁波能量吸收装置。

2.如权利要求1所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，所述等效介电常数分布是径向连续渐变的。

3.如权利要求1所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，所述的工作频段包括X和Ku波段。

4.如权利要求1所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，m≥12。

5.如权利要求1所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，所述的超材料尺度为：三维光子晶体的晶格常数的远小于自由空间波长；

所述的空间结构参数渐变为：改变其单胞结构参数而保持晶格常数不变，从而改变其占空比；

占空比与其等效介电常数之间的关系由下式计算：ε＝f+ε_d(1-f)，其中ε为等效介电常数，f为介质占空比，ε_d为光固化成形树脂材料的介电常数。

6.如权利要求1所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，在保持其晶格常数不变的情况下，通过改变超材料尺度三维光子晶体的单胞结构参数，实现各离散层结构的渐变等效介电常数。

7.如权利要求6所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，所述的超材料尺度三维光子晶体采用木堆结构，保持其柱间距不变，通过改变木堆结构的单胞结构的柱宽，实现各离散层结构的渐变等效介电常数。

8.如权利要求1所述的基于三维超材料的全向宽带电磁波能量吸收装置的制备方法，其特征在于，所采用的光固化快速成型工艺，以光敏树脂为材料，采用分层光固化的方法制备全向宽带电磁波能量吸收装置的球壳；然后用酒精冲洗干净，去除残余液体光敏树脂。