CN103972616A - 微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，属于微波/光学技术领域。解决了现有技术中频率选择表面滤波器无法同时实现控制微波和可见光双波段的电磁波，且选用的材料污染环境的技术问题。本发明的频率选择表面滤波器，包括基底层、频率选择表面层、夹层、导线、开关和电压源，其中，基底层为透明基底，夹层由依次紧密接触的电致变色层、电解质层和离子存储层组成，所述电致变色层和离子存储层分别与一层频率选择表面层紧密接触。本发明的滤波器能够同时控制微波和可见光双波段的电磁波，提高了频率选择表面作为空间滤波器的实际应用性及可靠性，并且结构简单灵巧、操作方便，在实际使用过程中安全环保。

Description

微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器

技术领域

本发明涉及一种微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，属于微波/光学技术领域。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，简称FSS)是由周期性排布的金属贴片单元或金属屏上周期性排列的开孔单元构成的一种二维周期阵列结构，它能使电磁波在谐振频率处发生全反射或全透射，因此是一种对电磁波频率有选择作用的空间滤波器。

FSS作为带通滤波器在微波领域里具有广泛的应用。例如将FSS结构作为建筑物的墙壁或门窗的夹层，可实现特定频段的电磁波传输，而屏蔽其他频段的信号。然而现有技术中FSS制备完成屏蔽室后，FSS的带通滤波特性便无法改变，屏蔽室不能根据实际需要实现全频段屏蔽。

为了解决这一问题，公开号为103022602A的中国专利，公开了一种具有开关功能的智能空间滤波器，该滤波器采用导电聚合物与固态电解质组成的混合物作为两层FSS带通滤波器的中间夹层，通过FSS的金属层对混合物夹层施加电场，控制夹层材料在导体与绝缘体之间进行转换，则该两层FSS带通滤波器在微波波段可实现频率选择功能或全频段屏蔽，即实现通带开、关可控的功能。公开号为103346367A的中国专利，公开了一种使用温度控制通带开关的空间滤波器，其采用二氧化钒等热致相变材料制备的FSS滤波器，通过控温装置改变热致相变材料的温度，可以实现控制热致相变材料在导体与绝缘体之间进行可逆转换，进而在微波波段实现带通滤波器通带开、关可控的目标。但是，上述两种滤波器无法控制可见光波段电磁波的透过或吸收，进而无法实现屏蔽室的墙壁或门窗透明度的改变，限制了滤波器的应用。而且，二氧化钒是一种有毒的化学物质，对人体皮肤有刺激性，对环境也会造成污染。

电致变色是指材料在紫外、可见和近红外区域的光学属性，如透射率、反射率和吸收率等在外加电场的作用下产生稳定的可逆变化的现象，外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。现有技术中，还没有基于电致变色实现微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中频率选择表面滤波器无法同时实现控制微波和可见光双波段的电磁波，且选用的材料污染环境的技术问题，提供一种微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，包括基底层、频率选择表面层、夹层、导线、开关和电压源，所述基底层为透明基底；所述夹层由依次紧密接触的电致变色层、电解质层和离子存储层组成，所述电致变色层和离子存储层分别与一层频率选择表面层紧密接触。

优选的，所述透明基底的材料为石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)或者聚丙烯(PP)。

优选的，所述电致变色层的材料为阴极电致变色材料，更优选的，所述阴极电致变色材料为三氧化钨、三氧化钼或二氧化钛。

优选的，所述电致变色层的厚度为300nm-400nm。

优选的，所述离子存储层为阳极电致变色材料，更优选的，所述阳极电致变色材料为氧化镍、氧化铱或氧化钴。

优选的，所述离子存储层的厚度为300nm-600nm。

优选的，所述电解质层为溶胶电解质或固体电解质，所述溶胶电解质和固体电解质均含有锂离子、钠离子或氢离子。

优选的，所述频率选择表面层的材料为掺锡氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)或者掺锑氧化锡(ATO)。

本发明的有益效果：

本发明的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，与现有技术中的频率选择表面滤波器相比，既可以实现微波波段滤波和可见光波段全透过的功能，也可以实现微波和可见光双波段电磁波全屏蔽的功能，即能够同时控制微波和可见光双波段的电磁波，提高了频率选择表面作为空间滤波器的实际应用性及可靠性，并且结构简单灵巧，总厚度仅为几毫米，操作方便，在实际使用过程中安全环保。

附图说明

图1为本发明微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器的结构示意图；

图2为本发明微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器在开状态下的结构示意图；

图3为本发明微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器在关状态下的结构示意图；

图4为本发明微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器在开状态和关状态下，对微波波段的正入射电磁波传输特性对比图；

图5为本发明微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器在开状态和关状态下，对可见光波段的正入射电磁波传输特性对比图；

图中，1、基底层，2、频率选择表面层，3、电致变色层，4、电解质层，5、离子存储层，6、导线，7、开关，8、电压源。

具体实施方式

为使本领域技术人员进一步了解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器包括两层基底层1，两层频率选择表面层2，电致变色层3，电解质层4，离子存储层5，导线6，开关7和电压源8；电解质层4一侧与电致变色层3紧密接触，另一侧与离子存储层5紧密接触，电致变色层3和离子存储层5的另一侧分别与一层频率选择表面层2紧密接触，两层频率选择表面层2的另一侧分别与一层基底层1紧密接触；即形成了基底层1，频率选择表面层2，电致变色层3，电解质层4，离子存储层5，频率选择表面层2和基底层1从上至下依次紧密排列的多层结构；电压源8通过导线6与两层频率选择表面层2连接，通过开关7控制电压源8是否与频率选择表面层2连通。

本发明采用电致变色层3、电解质层4和离子存储层5共同组成滤波器的中间夹层。以两层频率选择表面层2作为中间夹层的正、负电极，通过控制电压源8对中间夹层施加不同的电压，使电致变色层3的颜色、透明度和导电性发生可逆的变化，进而实现对微波和可见光双波段的电磁波进行控制。当电致变色层3连接电压源8正极，离子存储层5连接电压源8负极，则中间夹层为透明的绝缘体，滤波器能实现可见光全透过，并且在微波波段进行滤波的功能，滤波器为开状态；当电致变色层3连接电压源8负极，离子存储层5连接电压源8正极，则电致变色层3颜色变深，并且由绝缘体转变为导体，滤波器可实现同时阻挡可见光和微波的功能，滤波器为关状态。即通过控制电场方向的改变，滤波器可实现控制微波和可见光双波段电磁波的开关功能。

本实施方式中，基底层1为透明基底，材料可以选用对可见光透明的绝缘玻璃或绝缘塑料，如石英玻璃、PET、PMMA、PC、PVC或PP，厚度范围为0.1mm-0.4mm；频率选择表面层2的材料可以选用对可见光透明的导电薄膜，如ITO、FTO、AZO、GZO或ATO，频率选择表面层2的单元图形可以选用十字孔、圆形孔、方形孔、Y形孔等形状的图案，厚度范围为100nm-400nm；电致变色层3的材料为阴极电致变色材料，可以选用三氧化钨、三氧化钼、二氧化钛等，厚度范围为300nm-400nm；离子存储层5为阳极电致变色材料，可以选用氧化镍、氧化铱、氧化钴等，厚度范围为300nm-600nm；电解质层4的材料可选用含有锂离子、钠离子或氢离子的溶胶电解质或固体电解质，电解质层4透明，厚度范围为1mm-1.5mm。

实施例

微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器：

两层基底层1均选用透明石英玻璃板，厚度为0.2mm；在两片石英玻璃板一侧采用磁控溅射方法制备ITO透明导电膜，膜的厚度为320nm，再通过涂胶、曝光、显影和刻蚀等工艺，针对谐振频点的要求和各层材料的参数，在ITO薄膜上制备出符合要求的十字孔结构，得到频率选择表面层2；电致变色层3的材料选用三氧化钨，以一片带有频率选择表面层2的石英玻璃板为基底，采用磁控溅射的方法在频率选择表面层2的表面沉积三氧化钨薄膜，其厚度为380nm；离子存储层5的材料选用氧化镍，以另一片带有频率选择表面层2的石英玻璃板为基底，采用化学浴沉积的方式在频率选择表面层2的表面沉积氧化镍薄膜，厚度为500nm；在室温下将0.25mol柠檬酸溶解在100ml无水乙醇中，再加入0.1mol正硅酸乙酯，然后加入5.5g碳酸锂并充分溶解，最后加入25g乙二醇以促进聚合反应的进行，将所得无色透明溶液加热到65℃并保温获得溶胶电解质，电解质具有粘性，将其均匀涂在电致变色层3的表面，得到电解质层4，其厚度为1.2mm；再将离子存储层5粘贴在电解质层4之上，在此状态下将样件加热到65℃并保温24小时，使电解质层4完全固化；导线6选用金属铜制备，一端与频率选择表面层2相连接，另一端与电压源8相连接，电压源电压为±3V，由开关7控制电压源与频率选择表面层2的连通。

结合图2-5说明本实施例。当电致变色层3连接电压源8的正极，离子存储层5连接电压源8的负极，如图2所示，当开关7闭合时，滤波器为开状态，如图4和图5所示，滤波器在微波波段具有良好的滤波功能，并且在可见光波段实现透光，滤波器为透明状态；当电致变色层3连接电压源8的负极，离子存储层5连接电压源8的正极，如图3所示，开关7闭合时，滤波器为关状态，如图4和图5所示，滤波器在微波波段实现宽频段屏蔽功能，而在可见光波段其透过率均在25％以下，即滤波器不再透明，而呈现出蓝黑色状态；当电致变色层3再次连接电压源8的正极，离子存储层5连接电压源8的负极，如图2所示，当开关7闭合时，滤波器又转换为开状态，如图4和图5所示，在微波波段再一次具有良好的滤波功能，并且继续在可见光波段实现透光，滤波器重新变为透明状态。即通过改变施加在电致变色层3、电解质层4和离子存储层5上的电场方向，该滤波器可以实现微波和可见光双波段的开关功能。

显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，包括基底层、频率选择表面层、夹层、导线、开关和电压源，其特征在于，

所述基底层为透明基底；

所述夹层由依次紧密接触的电致变色层、电解质层和离子存储层组成，所述电致变色层和离子存储层分别与一层频率选择表面层紧密接触。

2.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述透明基底的材料为石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯或者聚丙烯。

3.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述电致变色层的材料为阴极电致变色材料。

4.根据权利要求3所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述阴极电致变色材料为三氧化钨、三氧化钼或二氧化钛。

5.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述电致变色层的厚度为300nm-400nm。

6.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述离子存储层的材料为阳极电致变色材料。

7.根据权利要求6所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述阳极电致变色材料为氧化镍、氧化铱或氧化钴。

8.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述离子存储层的厚度为300nm-600nm。

9.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述电解质层为溶胶电解质或固体电解质，所述溶胶电解质和固体电解质均含有锂离子、钠离子或氢离子。

10.根据权利要求1所述的微波/可见光双波段开关频率选择表面滤波器，其特征在于，所述频率选择表面层的材料为掺锡氧化铟、掺氟氧化锡、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或者掺锑氧化锡。