CN104332715B - 电磁波偏折材料和设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电磁波偏折材料和设备，所述电磁波偏折材料包括：导电层和附着在导电层上的功能层，该功能层包括至少一个非金属的介质层和多个附着在介质层上的金属的导电几何结构，其中，多个导电几何结构排布在介质层的至少一个表面的第一区域中，第一区域与未排布导电几何结构的第二区域的界线为非直线形。通过本申请，解决了相关技术中减小电磁波回波的材料存在的问题，从而提供了一种新的减小电磁波回波的材料，减轻了材料的重量。

Description

电磁波偏折材料和设备

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，具体而言，涉及电磁波偏折材料和设备。

背景技术

为了降低电磁波的回波产生的干扰，或者防止物体被电磁波侦测，需要减小入射至物体表面的电磁波的回波。

在相关技术中，减小电磁波回波的方式一般是通过在物体的表面涂覆吸波材料来将电磁波吸收，然而吸波材料通常厚度较大或者质量较重，因此，该方式的应用场景十分有限。

相关技术中还有的方案是将物体表面的外形改变从而使得电磁波被反射至其他方向，图1是根据相关技术的物体的结构示意图，如图1中所示的物体的一端被改变为三角形104。但是，并不是所有的场景中都允许改变物体的外形，因此，该方法的应用场景也比较有限。

并且，在相关技术中还没有通过连续改变电磁波的传播路径而减小电磁波回波的材料。

在相关技术中存在一种材料，这种材料的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。

在超材料的基本单元中，具有一种导电几何结构，该导电几何结构为人造导电几何结构，能够对入射电磁波电场和/或磁场产生响应以改变每个超材料的基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料的基本单元按照一定规律排列，可以使得超材料对电磁波具有宏观上的响应。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。需要说明的是，在上述描述中将超材料整体划分为镀铬超材料基本单元是一种人为的划分方法，仅为了便于描述，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成。实际应用中超材料是将人造金属导电几何结构排布在介质层上构成，工艺简单且成本低廉。然而，超材料的广泛应用尚有待开发。

针对相关技术中减小电磁波回波的材料存在的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种电磁波偏折材料和设备，以至少解决相关技术中减小电磁波回波的材料存在的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种电磁波偏折材料，包括：导电层和附着在所述导电层上的功能层，所述功能层包括至少一个非金属的介质层和多个附着在所述介质层上的导电几何结构，所述多个导电几何结构排布在所述介质层的至少一个表面的第一区域中，所述第一区域与未排布导电几何结构的第二区域的界线为非直线形。

优选地，所述第一区域位于相对于第二区域表面波后到达的位置上，所述表面波为入射到所述电磁波偏折材料表面上的电磁波在该表面上和与其相对的另一表面之间形成的表面波。

优选地，所述功能层由多个所述介质层堆叠形成。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域中。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：在所述第一区域内，沿第一方向上的各所述导电几何结构的尺寸大小逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：在所述第一区域内，沿第一方向上的各所述导电几何结构的厚度逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：在所述第一区域内，沿第一方向上的所述多个导电几何结构的结构变化。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：在所述第一区域内，沿第一方向的所述多个导电几何结构的几何线条的粗细逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

优选地，在所述第一区域内，以一方向为行方向、垂直于行方向的方向为列方向，所述多个导电几何结构排布在平行于所述行方向的多条直线上，排布在一条直线上的导电几何结构为一行导电几何结构，每行导电几何结构上的相邻两导电几何结构的间距相等。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：所述多个导电几何结构按照相邻两行导电几何结构之间的间距沿所述列方向上逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：所述多个导电几何结构按照每行上相邻两导电几何结构的间距沿所述列方向上逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

优选地，所述多个导电几何结构非均匀地排布在所述第一区域包括：所述多个导电几何结构按照制成每个导电几何结构的材料的介电常数和/或磁导率沿所述第一方向逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

优选地，所述多个导电几何结构均匀地排布在所述第一区域中。

优选地，所述多个导电几何结构均匀地排布在所述第一区域中包括：每个所述导电几何结构的形状、尺寸、几何线条的粗细均相同，且所述导电几何结构周期性排布。

优选地，所述界线为所述第一区域边缘上的各个导电几何结构上最先接触到表面波的点的连线。

优选地，所述界线为周期性曲线或非周期性曲线。

优选地，所述周期性曲线为锯齿形或波浪形。

优选地，所述介质层的一个表面设置有所述导电几何结构，另一个表面设置有导电层。

优选地，所述导电几何结构为90度旋转对称结构。

优选地，所述导电几何结构为非对称结构。

优选地，所述导电几何结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

优选地，所述导电几何结构表面设有保护层。

优选地，所述介质层和所述导电层之间通过粘接和/或紧固件固定的方式连接。

优选地，所述导电几何结构之间填充有吸波材料。

根据本申请的另一个方面，还提供了一种设备，包括接收电磁波的外壳，还包括设置在所述外壳表面、对接收到的电磁波进行偏折的电磁波偏折材料，所述电磁波偏折材料为上述的电磁波偏折材料。

优选地，所述电磁波偏折材料通过粘接和/或紧固件固定的方式连接到所述外壳上。

优选地，所述外壳与所述电磁波偏折材料一体成型。

通过本申请，采用包括导电层和附着在导电层上的功能层的电磁波偏折材料，其中，该功能层包括至少一个非金属的介质层和多个附着在介质层上的金属的导电几何结构，多个导电几何结构排布在介质层的至少一个表面的第一区域中，第一区域与未排布导电几何结构的第二区域的界线为非直线形，解决了相关技术中减小电磁波回波的材料存在的问题，从而提供了一种新的减小电磁波回波的材料，减轻了材料的重量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的物体的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的电磁波偏折材料的结构示意图；

图3是根据本申请实施例的对称导电几何结构的结构示意图；

图4是根据本申请优选实施例的电磁波偏折材料分别在具有导电几何结构和不具有导电几何结构时接收频率为8GHz的电磁波的回波效果对比示意图；

图5是根据本申请优选实施例的电磁波偏折材料分别在具有导电几何结构和不具有导电几何结构时接收频率为9GHz的电磁波的回波效果对比示意图；

图6是根据本申请优选实施例的电磁波偏折材料分别在具有导电几何结构和不具有导电几何结构时接收频率为10GHz的电磁波的回波效果对比示意图；

图7是根据本申请优选实施例的电磁波偏折材料分别在具有导电几何结构和不具有导电几何结构时接收频率为11GHz的电磁波的回波效果对比示意图；

图8是根据本申请优选实施例的电磁波偏折材料分别在具有导电几何结构和不具有导电几何结构时接收频率为12GHz的电磁波的回波效果对比示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本实施例中提供了一种电磁波偏折材料，图2是根据本申请实施例的电磁波偏折材料的结构示意图，如图2所示，该材料包括：导电层10和附着在导电层10上的功能层20，该功能层20包括至少一个非金属的介质层22和多个附着在该介质层22上的金属的导电几何结构30，其中，多个导电几何结构30排布在介质层22的至少一个表面的第一区域40中，第一区域40与未排布导电几何结构的第二区域42的界线50为非直线形。

通过本实施例中的上述材料，将金属的导电几何结构30排布成外延非直线形，形成的界线50。由于界线50的存在，由第一区域40入射至第二区域50的电磁波发生程度不同的折射，并且反射值各个不同的方向，从而减少了电磁波的回波率。基于上述方式得到的材料，可以根据使用的需要设计满足更多应用场景的材料，并可以减轻材料的重量。

需要说明的是，上述第一区域40和第二区域42是为了便于描述认为划分的两个区域，用于表示导电几何结构30聚集排布的区域和未排布导电几何结构30的区域。类似的，界线50也并不是实际存在的，而是表示排布在第一区域40最外延的导电几何结构30的末端的连线，以此描述导电几何结构30排布的方式。

优选地，第一区域40位于相对于第二区域42表面波后到达的位置上，该表面波为入射到电磁波偏折材料表面上的电磁波在该表面上和与其相对的另一表面之间形成的表面波。

当介质层22有多个的情况下，将多个介质层22沿垂直于介质层22表面的方向堆叠并通过一定的组装或连接方式构成一个立体的整体，以形成优选的功能层20。

上述所述的导电几何结构30在介质层22上排布的方式有多种，例如可以是均匀排布的，也可以是非均匀排布的。并且，导电几何结构30也可以对称地非均匀排布在该介质层22的两个表面上。

在导电几何结构30非均匀地排列在第一区域40时，导电结构的排列形式可以是多种多样的，下面例举了集中基本的形式，在实际应用中例举的基本形式还可以相互结合使用。

例如：在第一区域40内，沿一第一方向上的各导电几何结构30的尺寸大小逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。其中，尺寸大小的变化包括该导电几何结构30的一部分的尺寸大小的变化。也可以是整个导电几何机构30的尺寸大小一起变化。

例如：在第一区域40内，沿一第一方向上的各导电几何结构30的厚度逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

例如：在第一区域40内，沿第一方向上的多个导电几何结构30的结构变化。包括沿第一方向导电几何结构30的结构依次不相同，或者交替不相同地周期性或非周期性变化。

例如：在第一区域40内，沿第一方向的多个导电几何结构30的几何线条的粗细逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

例如：在第一区域40内，以一方向为行方向、垂直于行方向的方向为列方向，多个导电几何结构30排布在平行于行方向的多条直线上，排布在一条直线上的导电几何结构30为一行导电几何结构，每行导电几何结构30上的相邻两导电几何结构30的间距相等。

例如：多个导电几何结构30按照相邻两行导电几何结构30之间的间距沿列方向上逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

例如：多个导电几何结构30按照每行上相邻两导电几何结构30的间距沿列方向上逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

例如：多个导电几何结构30按照制成每个导电几何结构30的材料的介电常数和/或磁导率沿第一方向逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

上述导电几何结构30非均匀的排列方式都会对表面波产生不同的响应，从而进一步对表面波进行偏折。

在导电几何结构30均匀排列在第一区域40中的情况下，每个导电几何结构30的形状、尺寸、几何线条的粗细均相同，且导电几何结构30周期性地排布。

优选地，上述的界限50包括第一区域40边缘上的各个导电几何结构30上最先接触到表面波的点的连线。界线50的线形可以为任意非直线形，例如，界线50为周期性曲线或非周期性曲线。优选地，该周期性曲线的基本单元为锯齿形或波浪形。

例如界线50的一部分或者整个界线50为由两条相交线段形成的V字形、曲率半径变化的弧线形，或者圆弧线形。只要界线50不是直线形，都有一定的削减回波的作用。较优地，选取界线50的线形为V字形或者W字形。

介质层22的两个表面都可以设置有导电几何结构30。优选地，介质层22的一个表面设置有导电几何结构30，另一个表面设置有导电层。

优选的，上述的多个导电几何结构30的大小是相同的，也可以是不同的，在本实施例中并不作限定。

在一个优选地实施方式中，导电几何结构30为对称结构，图3是根据本申请实施例的对称导电几何结构的结构示意图，如图3所示，该结构为90度旋转对称结构，即导电几何结构30的拓扑图案顺时钟或者逆时钟旋转90度之后都能与原图案完全重合。图3所示的结构中包括垂直相交的两条臂302，每条臂302上都连接有一个“工”型结构304。在具体应用中的结构并不限于上述结构，该对称结构可以有多种变形。这种结构上的对称，能够对以任意角度入射的电磁波进行相同的偏折，能够应用于更多的应用场景中。但是，需要说明的是上述的对称结构在本申请的技术方案中并不是必需的，也可以采用非对称结构的导电几何结构30实现。

附着在介质层22表面上的导电几何结构30包括两种情况：一种是导电几何结构30为平面结构，附着在介质层22的表面上；另一种是导电几何结构30为立体结构，镶嵌在介质层22的表面上。每个导电几何结构30由金属材料制成，例如银、铜、铝等。这些金属丝被刻在或者镶嵌在介质层22表面，以形成一定的几何结构，这种几何结构也称为图案或者图形。

当然，也可以采用其他结构的导电几何结构30。

优选地，对于平面结构，可以是“工”字形，包括相互平行且相等的两个第一金属丝、两端分别连接在两个第一金属丝中点且垂直于第一金属丝的第二金属丝。此时，若沿X方向逐渐减小排布的导电几何结构30的第二金属丝的长度，而保持第一金属丝的长度不变，沿其他方向的各个导电几何结构30均相同。通过这种设计可以实现折射率沿X轴方向逐渐减小，而沿其他方向的折射率不变。其他的导电几何结构30的平面结构可以是：封闭或者不封闭的平面图形，例如三角形、四边形、椭圆环等。

优选地，对于立体的导电几何结构30，可以是上述平面结构的导电几何结构30在其中心垂直相交并连接所得到的立体结构。

优选地，导电几何结构30表面设有保护层，介质层22和导电层之间通过粘接和/或紧固件固定的方式连接。该保护层可以进一步将导电几何结构30固定在介质层22上，以防止导电几何结构30脱落。同时还可以提供电绝缘保护。

优选地，在导电几何结构30之间还填充有吸波材料。

本实施例还提供了一种设备，该设备包括接收电磁波的外壳，还包括设置在外壳表面、对接收到的电磁波进行偏折的电磁波偏折材料，该电磁波偏折材料为上述的电磁波偏折材料。

优选地，该电磁波偏折材料通过粘接和/或紧固件固定的方式连接到外壳上。

优选地，该外壳与电磁波偏折材料是一体成型的。

介质层22一般是由非金属材料制成的，例如可以由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料中的至少一种材料制成。

下面结合优选实施例进行说明。

在本优选实施例中，将导电几何结构30在介质层22上排布成V字形，并附在导电层10上，得到新的材料，该材料中的导电层10可以根据各种实际情况的不同要求选取，而结合排布了导电几何结构30的介质层22之后，削减回波的功能增强了。

采用上述的材料，不用改变物体（上述导电层10）的形状，由于导电几何结构30能够对电磁波产生相应，使得电磁波的表面波被消耗，从而降低了回波率。

需要说明的是，在本优选实施例中的导电几何结构30的结构、排布方式可以有多种，只要排布形状满足其界限50为非直线形即可。例如，上述优选实施例中导电几何结构30的大小可以相同或不同、其排布可以是周期的或者非周期的，其排布可以是均匀的或者非均匀的。界限50可以是V字形、Z字形、波浪形等任何非直线形。

图4、图5、图6、图7和图8是根据本申请优选实施例的具有导电几何结构和电磁波偏折材料和只有介质层、没有导电几何结构的材料在接收不同频率电磁波后的回波效果对比示意图，图4至图8所示的接收的电磁波分别为8GHz、9GHz、10GHz、11GHz和12GHz，各图中，横轴表示上述电磁波相对于介质层表面的入射角度，纵轴表示单向雷达散射截面（Monostatic Radar Cross Section，或者Monostatic RCS）的电磁波回波量，其单位是dBsm，其中曲线1表示具有导电几何结构的材料的回波效果曲线，曲线2表示没有导电几何结构的材料的回波效果曲线，如上图所示，在入射角为180度附近采用本申请优选实施例的超材料的回波削减的效果显著。

综上所述，采用上述实施例或优选实施例，解决了相关技术中减小电磁波回波的材料存在的问题，从而提供了一种新的减小电磁波回波的材料，并减轻了材料的重量。采用本发明的电磁波偏折材料，无需选用具有高电磁损耗的特殊材料，只通过在普通的介质层上设置排布有导电几何结构的第一区域和没有导电几何结构的第二区域且两个区域的界线非直线，即可显著实现降低RCS回波的效果；并且该电磁波偏折材料的制备工艺简单，造型容易，可根据实际应用设备外壳的形状而定制化设计，达到更好的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种电磁波偏折材料，包括：导电层(10)和附着在所述导电层(10)上的功能层(20)，所述功能层(20)包括至少一个非金属的介质层(22)和多个附着在所述介质层(22)上的导电几何结构(30)，其特征在于，多个导电几何结构(30)排布在所述介质层(22)的至少一个表面的第一区域(40)中，所述第一区域(40)与未排布导电几何结构的第二区域(42)的界线(50)为非直线形，所述第一区域(40)位于相对于第二区域(42)表面波后到达的位置上，所述表面波为入射到所述电磁波偏折材料表面上的电磁波在该表面上和与其相对的另一表面之间形成的表面波，所述界线(50)为所述第一区域(40)边缘上的各个导电几何结构(30)上最先接触到表面波的点的连线。

2.根据权利要求1所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述功能层(20)由多个所述介质层(22)堆叠形成。

3.根据权利要求1所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)中。

4.根据权利要求3所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

在所述第一区域(40)内，沿第一方向上的各所述导电几何结构(30)的尺寸大小逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

5.根据权利要求3所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

在所述第一区域(40)内，沿第一方向上的各所述导电几何结构(30)的厚度逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

6.根据权利要求3所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

在所述第一区域(40)内，沿第一方向上的所述多个导电几何结构(30)的结构变化。

7.根据权利要求3所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

在所述第一区域(40)内，沿第一方向的所述多个导电几何结构(30)的几何线条的粗细逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替。

8.根据权利要求3所述的电磁波偏折材料，其特征在于，在所述第一区域(40)内，以一方向为行方向、垂直于行方向的方向为列方向，所述多个导电几何结构(30)排布在平行于所述行方向的多条直线上，排布在一条直线上的导电几何结构(30)为一行导电几何结构，每行导电几何结构(30)上的相邻两导电几何结构(30)的间距相等。

9.根据权利要求8所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

所述多个导电几何结构(30)按照相邻两行导电几何结构(30)之间的间距沿所述列方向上逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

10.根据权利要求8所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

所述多个导电几何结构(30)按照每行上相邻两导电几何结构(30)的间距沿所述列方向上逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

11.根据权利要求3所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)非均匀地排布在所述第一区域(40)包括：

所述多个导电几何结构(30)按照制成每个导电几何结构(30)的材料的介电常数和/或磁导率沿第一方向逐渐增大、逐渐减小、先增大后减小、先减小后增大，或者增大和减小依次交替的方式排布。

12.根据权利要求1所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)均匀地排布在所述第一区域(40)中。

13.根据权利要求12所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述多个导电几何结构(30)均匀地排布在所述第一区域(40)中包括：每个所述导电几何结构(30)的形状、尺寸、几何线条的粗细均相同，且所述导电几何结构(30)周期性排布。

14.根据权利要求1所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述界线(50)为周期性曲线或非周期性曲线。

15.根据权利要求14所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述周期性曲线为锯齿形或波浪形。

16.根据权利要求1所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述介质层(22)的一个表面设置有所述导电几何结构(30)，另一个表面设置有导电层。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述导电几何结构(30)为90度旋转对称结构。

18.根据权利要求1至16中任一项所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述导电几何结构(30)为非对称结构。

19.根据权利要求1至16中任一项所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述导电几何结构(30)为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

20.根据权利要求1至16中任一项所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述导电几何结构(30)表面设有保护层。

21.根据权利要求16所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述介质层(22)和所述导电层之间通过粘接和/或紧固件固定的方式连接。

22.根据权利要求1所述的电磁波偏折材料，其特征在于，所述导电几何结构(30)之间填充有吸波材料。

23.一种设备，其特征在于，包括接收电磁波的外壳，还包括设置在外壳表面、对接收到的电磁波进行偏折的电磁波偏折材料，所述电磁波偏折材料为权利要求1至22中任一项所述的电磁波偏折材料。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述电磁波偏折材料通过粘接和/或紧固件固定的方式连接到所述外壳上。

25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述外壳与所述电磁波偏折材料一体成型。