CN106058484A - 一种多层结构的宽带电磁吸波材料 - Google Patents

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吕志勇
刘海霞
余世星
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Abstract

一种多层结构的宽带电磁吸波材料，包括介质基板、金属背板。介质基板由三层介质板组成，最下层介质板的下表面附着金属背板。每层介质板的上表面分别喷涂一层导电膜，每层导电膜由固定间距排布的多个面积相等的导电膜单元组成，自最上层介质板上表面的导电膜单元的面积至最下层介质板上表面的导电膜单元的面积逐渐增大。本发明可在宽频带范围实现电磁波的吸收，整体厚度薄，并且有较好的角度稳定性和极化稳定性。

Description

一种多层结构的宽带电磁吸波材料
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及电磁材料技术领域中的一种多层结构的宽带电磁吸波材料。本发明可在宽频带范围实现电磁波的吸收，且具有稳定性，用于常规吸波用途和热成像领域。
背景技术
电磁超材料(Metamaterials)也叫新型人工电磁媒质，是指在自然界中本身并不存在，而是根据电磁学理论人工设计所构造出来的，具有非常规电磁的人造媒质或结构。超材料因其所具有的奇异特性已被广泛应用于高方向性天线、隐身技术、雷达以及微波毫米波器件设计等诸多领域。同时，对超材料的研究也涵盖了材料科学与工程、微波天线理论、电磁理论以及先进测量等一系列学科。
宽带电磁吸波材料是应用于电磁波吸收的一种新型宽带电磁材料，电磁波进入宽带电磁吸波材料中会表现出许多独特的现象，如电磁波在宽带电磁吸波材料表面不反射或反射很小、电磁波在宽带电磁吸波材料内损耗等，这在电磁波吸收和隐身技术等有广阔的应用前景。
X.P.Shen等人在其发表的论文“Polarization-independent wide-angletriple-band metamaterial absorber”(Optics Express 9401,vol.19,no.10,(2011))中提出了一种单层结构的电磁吸波材料。该电磁吸波材料由附着在介质板上的三个方形环构成，通过强谐振实现了三个频点的吸波，但是，该电磁吸波材料仍然存在的不足之处是，由于采用强谐振实现电磁波的吸收，它是窄带吸波材料。
Ding Fei等人在其发表的论文“Ultra-broadband microwave metamaterialabsorber”(Applied Physics Letters，APL 100,103506(2012))中提出了一种多层结构的电磁吸波材料。该电磁吸波材料整体为金字塔型，每个单元有20层介质，20层金属层和金属反射板组成，多层结构产生了多个谐振，从而展宽吸波带宽，但是，该电磁吸波材料仍然存在的不足之处是，它的整体厚度变厚，对其广泛应用有限。
深圳光启高等理工研究院在其申请的专利“吸波超材料”(申请号：201110338214.6，申请公布号：103094708A)中公开了一种吸波超材料。该吸波超材料由多层介质基材和附着于人工微结构组成，调整人工微结构的尺寸等，实现宽带电磁波的吸收。该吸波超材料存在的不足之处是，其微结构复杂，对加工精度要求高，工程实现性差。
发明内容
本发明针对上述现有技术的电磁吸波材料面临的不足，提出了一种多层结构的宽带电磁吸波材料，使得电磁吸波材料具有宽带吸波特性，并且满足吸波入射角范围广和吸收任意极化角度的电磁波。
为实现上述目的，本发明包括介质基板、金属背板。介质基板由三层介质板组成，最下层介质板的下表面附着金属背板。每层介质板的上表面分别喷涂一层导电膜，每层导电膜由固定间距排布的多个面积相等的导电膜单元组成，自最上层介质板上表面的导电膜单元的面积至最下层介质板上表面的导电膜单元的面积逐渐增大。
发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明使用三层介质板和三层喷涂在介质板上表面的导电膜，克服了现有技术存在的电磁吸波材料整体厚度变厚，限制其广泛应用的缺点，使得本发明具有厚度薄的优点。
第二，由于本发明使用面积逐渐增大的三层导电膜单元，克服了现有技术存在的电磁吸波材料窄带吸波的缺点，使得本发明具有宽带吸波的优点。
第三，由于本发明使用三层导电膜单元，克服了现有技术存在的电磁吸波材料结构复杂，工程实现性差的缺点，使得本发明具有结构简单，工程可实现性好的优点。
附图说明
图1为本发明的二维结构示意图；
图2为本发明的实施例1的一个结构单元的示意图；
图3为本发明的实施例1的三维结构示意图；
图4为本发明的实施例2的一个结构单元的示意图；
图5为本发明的实施例2的三维结构示意图；
图6为本发明的实施例1垂直入射的电磁波的吸波率随频率变化曲线图；
图7为本发明的实施例1不同俯仰角吸波率随频率变化曲线图；
图8为本发明的实施例1不同方位角吸波率随频率变化曲线图。
具体实现方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参照附图1，对本发明宽带电磁吸波材料的二维结构作进一步的描述。
本发明包括介质基板1、金属背板3。介质基板1由三层介质板组成，最下层介质板的下表面附着金属背板3。每层介质板的上表面分别喷涂一层导电膜2，每层导电膜由固定间距排布的多个面积相等的导电膜单元21组成，自最上层介质板上表面的导电膜单元的面积至最下层介质板上表面的导电膜单元的面积逐渐增大。
介质基板1的相对介电常数介于2～10之间，厚度为0.5mm～2mm。
导电膜单元21的形状为正方形或正多边形。
导电膜单元21的方阻介于6Ω/sq～300Ω/sq之间。
导电膜单元21的固定间距排布是指，每层介质板的上表面的两两导电膜单元1间距1mm～10mm。
导电膜单元21面积逐渐增大是指，自最上层介质板的上表面导电膜单元至最下层介质板的上表面导电膜单元面积逐渐增大以介于5％～80％之间的比例增大。
本发明的实施例1描述了在7GHz～36GHz频率范围内，吸波率能够达到90％以上时，宽带电磁吸波材料采用的各结构尺寸如下。
参照附图2，对本发明对实施例1的单元结构作进一步的描述。
本发明的实施例1的三层介质基板27、25、23的相对介电常数为2.65，损耗角正切0.001，最下层介质基板27的厚度为1.5mm，中间层介质基板25的厚度为0.8mm，最上层介质基板23的厚度为1.5mm。
本发明的实施例1中的三层导电膜单元24、22、20的形状为正方形，最下层介质板的上表面的导电膜单元24的方阻为130Ω/sq、边长为6.8mm，中间层介质板的上表面的导电膜单元22的方阻为100Ω/sq、边长为5.6mm，最上层介质板的上表面的导电膜单元20的方阻为70Ω/sq、边长为3.2mm。最下层介质板的上表面的两两导电膜单元24中心间距为8mm，中间层介质板的上表面的两两导电膜单元22中心间距为8mm，最上层介质板的上表面的两两导电膜单元20中心间距为8mm。
参照附图3，对本发明实施例1宽带电磁吸波材料的三维结构作进一步的描述。
本发明的实施例2描述了在10GHz～41GHz频率范围内，吸波率能够达到90％以上时，宽带电磁吸波材料采用的各结构尺寸如下。
参照附图4，对本发明对实施例2的单元结构作进一步的描述。
本发明的实施例2的三层介质基板45、43、41的相对介电常数为2.65，损耗角正切0.003，最下层介质基板45的厚度为1mm，中间层介质基板43的厚度为0.8mm，最上层介质基板41的厚度为0.5mm。
本发明的实施例2中的三层导电膜单元44、42、40的形状为正六方形，最下层介质板的上表面的导电膜单元44的方阻为115Ω/sq、边长为2.6mm，中间层介质板的上表面的导电膜单元42的方阻为100Ω/sq、边长为1.8mm，最上层介质板的上表面的导电膜单元40的方阻为75Ω/sq、边长为1mm。最下层介质板的上表面的两两导电膜单元44中心间距为6.2mm，中间层介质板的上表面的两两导电膜单元42中心间距为6.2mm，最上层介质板的上表面的两两导电膜单元40中心间距为6.2mm。
参照附图5，对本发明实施例2宽带电磁吸波材料的三维结构作进一步的描述。
图6是本发明实施例1垂直入射的电磁波的吸波率随频率变化曲线图，图6中的横轴为频率，纵轴为吸波率。吸波率为1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|表示反射系数的模值，|S21|表示透射系数的模值，由于存在反射背板，透射系数|S21|＝0，吸波率简化为1-|S11|2。由图6可以看出，在7GHz～36GHz频率范围内，吸波率能够达到90％以上。
图7是本发明实施例1不同俯仰角吸波率随频率变化曲线图，图7中横轴为频率，纵轴为吸波率，图7中以方形标示的曲线表示方位角时，俯仰角为θ＝0°的吸波率曲线。图7中以圆形标示的曲线表示方位角时，俯仰角为θ＝15°的吸波率曲线。图7中以上三角标示的曲线表示方位角时，俯仰角为θ＝30°的吸波率曲线。图7中以下三角标示的曲线表示方位角时，俯仰角为θ＝45°的吸波率曲线。图7中以菱形标示的曲线表示方位角时，俯仰角为θ＝60°的吸波率曲线。由图7可以看出，在俯仰角0°～45°范围内，吸波率在80％以上，说明本发明的角度稳定性好。
图8是本发明实施例1不同方位角吸波率随频率变化曲线图，图8中横轴为频率，纵轴为吸波率，图8中以方形标示的曲线表示θ＝0°俯仰角时，方位角为的吸波率曲线。图8中以圆形标示的曲线表示θ＝0°俯仰角时，方位角为的吸波率曲线。图8中以上三角标示的曲线表示θ＝0°俯仰角时，方位角为的吸波率曲线。图8中以下三角标示的曲线表示θ＝0°俯仰角时，方位角为的吸波率曲线。由图8可以看出，在方位角0°～90°范围内，吸波率都在90％以上，说明本发明的极化稳定性好。

Claims (6)

1.一种多层结构的宽带电磁吸波材料，包括介质基板(1)、金属背板(3)，其特征在于，所述的介质基板(1)由三层介质板组成，最下层介质板的下表面附着金属背板(3)；每层介质板的上表面分别喷涂一层导电膜(2)，每层导电膜由固定间距排布的多个面积相等的导电膜单元(21)组成，自最上层介质板上表面的导电膜单元的面积至最下层介质板上表面的导电膜单元的面积逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种多层结构的宽带电磁吸波材料，其特征在于，所述的介质基板(1)的相对介电常数介于2～10之间，厚度为0.5mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种多层结构的宽带电磁吸波材料，其特征在于，所述的导电膜单元(21)的形状为正方形或正多边形。
4.根据权利要求1所述的一种多层结构的宽带电磁吸波材料，其特征在于，所述的导电膜单元(21)的方阻介于6Ω/sq～300Ω/sq之间。
5.根据权利要求1所述的一种多层结构的宽带电磁吸波材料，其特征在于，所述的导电膜单元(21)的固定间距排布是指，每层介质板的上表面的两两导电膜单元中心间距1mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的一种多层结构的宽带电磁吸波材料，其特征在于，所述的导电膜单元(21)面积逐渐增大是指，自最上层介质板的上表面导电膜单元至最下层介质板的上表面导电膜单元面积逐渐增大以介于5％～80％之间的比例增大。
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