CN106332533B

CN106332533B - 吸波超材料

Info

Publication number: CN106332533B
Application number: CN201510406318.4A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Kuang Chi Cutting Edge Technology Ltd
Current assignee: Shenzhen Kuang-Chi Metamaterial Technology Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN106332533A

Abstract

本发明公开了一种吸波超材料，该吸波超材料包括多个堆叠设置的频率选择表面FSS层，以及位于沿电磁波入射方向的底层FSS层的底部的反射板；其中，所述每个FSS层包括介质基板和介质损耗层。本发明通过设计包含FSS的吸波超材料，能够在实现对电磁波的吸收和损耗的同时，还能够借助FSS来实现对衰减的电磁波的频率选择，并且，通过在底层FSS层设置反射板，能够使传播至吸波超材料底部的电磁波再返回继续被各个FSS层吸收，从而达到很好的宽频吸收效果。

Description

吸波超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种吸波超材料。

背景技术

随着科学技术发展的日新月异，以电磁波为媒介的各种技术和产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如，无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞；移动电话可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；即使是普通的计算机，也会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和重现，造成国防、政治、经济、科技等方面情报的泄漏。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。

吸波材料是指能吸收、衰减入射电磁波、并将电磁能转换成热能或使电磁波干涉消失的一类功能材料。吸波技术包括涂层吸波和结构吸波两类，涂层吸波是指在结构表面涂敷具有吸波功能的涂料以达到损耗电磁波的目的，结构吸波则是赋予材料吸波和承载双重性能。

但是，现有的吸波材料大多是利用各个材料自身对电磁波的吸收性能，通过设计不同材料的组分使得混合后的材料具备吸波特性，此类材料设计复杂且不具有大规模推广性，对衰减的电磁波无法实现频率的选择，而且吸收电磁波的频带较窄，同时此类材料的机械性能受限于材料本身的机械性能，不能满足特殊场合的需求。

针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种吸波超材料，能够对衰减的电磁波实现频率的选择，并能够实现对电磁波的宽频吸收。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种吸波超材料。

该吸波超材料包括：

多个堆叠设置的频率选择表面(FSS)层，以及位于沿电磁波入射方向的底层FSS层的底部的反射板；其中，每个FSS层包括介质基板和介质损耗层。

可选的，介质损耗层附着在介质基板的表面或者内部。

优选的，介质损耗层的组成材料选自碳粉、树脂中的一种或者两种。

优选的，介质损耗层包括周期排布的多个导电几何结构。

优选的，顶层FSS层中的介质损耗层包括多个具有第一图形的第一导电几何结构，底层FSS层中的介质损耗层包括多个具有第二图形的第二导电几何结构，中间若干FSS层中的介质损耗层所包括的若干个导电几何结构的图形均为该第一图形和该第二图形的组合，且该中间若干FSS层中的介质损耗层所包括的若干个导电几何结构的图形变化规律为沿电磁波入射方向该第一图形连续减小、该第二图形连续增大。

可选的，周期排布的多个导电几何结构与电磁波的入射方向垂直。

可选的，周期排布的多个导电几何结构与电磁波的入射方向平行。

可选的，多个导电几何结构的形状包括“工”字型或“工”字型的衍生型。

可选的，多个导电几何结构的形状包括“十”字型或“十”字型的衍生型。

可选的，多个导电几何结构的形状包括“H”字型或“H”字型的衍生型。

可选的，同一FSS层中的介质损耗层所包含的周期排布的多个导电几何结构的形状相同或不同。

可选的，不同FSS层中的介质损耗层所包含的周期排布的多个导电几何结构的形状相同或不同。

优选的，反射板为金属反射板。

可选的，反射板的厚度范围为0.01mm～0.02mm。

优选的，介质基板的组成材料选自泡沫基材、蜂窝基材、陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料中的一种或多种。

其中，吸波超材料在S波段的反射率低于-12dB。

此外，吸波超材料在X波段的反射率低于-8dB。

此外，吸波超材料的吸波频段包括3GHz～18GHz。

本发明通过设计包含FSS的吸波超材料，能够在实现对电磁波的吸收和损耗的同时，还能够借助FSS来实现对衰减的电磁波的频率选择，并且，通过在底层FSS层设置反射板，能够使传播至吸波超材料底部的电磁波再返回继续被各个FSS层吸收，从而达到很好的宽频吸收效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的吸波超材料的示意图；

图2是根据本发明实施例的吸波超材料的单晶胞CST仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种吸波超材料。

如图1所示，根据本发明实施例的吸波超材料包括：

多个堆叠设置的FSS层，以及位于沿电磁波入射方向的底层FSS层的底部的反射板13，并且，堆叠设置的多个FSS层中相邻的FSS层相互接触，其中，在本实施例中，该吸波超材料包括3个堆叠设置的FSS层，其中，每个FSS层包括介质基板11和介质损耗层12(即介电损耗层12)；其中，从图1可以看出，在本实施例中的每个FSS层中，介质损耗层12均附着在介质基板11的上表面，从而实现电磁波的选择性频率吸收，并且，底层的FSS层中的介质损耗层12与中层的介质基板11直接接触，而中层FSS层中的介质损耗层12则与顶层的介质基板11直接接触，这样相互叠加并接触的多个FSS层所构成的吸波超材料就可以进一步实现对电磁波的不同频率选择。

其中，为了使入射至本发明的吸波超材料的电磁波得到充分吸收，根据本本发明实施例的吸波超材料包括位于沿电磁波入射方向的底层FSS层的底部的反射板13，这样，在电磁波入射至本发明的吸波超材料后，当电磁波传播至吸波超材料中底层FSS中的介质基板11或介质损耗层12时，为了避免电磁波从底层FSS中传播出去，在吸波超材料的底部会附有一层厚度范围为0.01mm～0.02mm的金属反射板13使传播至吸波超材料底部的电磁波再返回继续被各个FSS层吸收，从而实现较好的电磁波吸收效果，其中，在本实施例中，该金属反射板13的优选厚度值为0.018mm。

而在不同的实施例中，由于根据本发明实施例的吸波超材料为多个堆叠设置的FSS层，因此，FSS层中的介质损耗层12也可以附着在介质基板11的下表面来实现电磁波的选择性频率吸收。

而在另一个实施例中，该介质损耗层12同样可以嵌设在介质基板11的内部。

那么具体到介质损耗层12对电磁波的频率选择与吸收，则是借助于介质损耗层内周期排布的多个导电几何结构，其中，在本实施例中，介质损耗层12的组成材料为碳粉，因此，这里的介质损耗层12又叫做介电损耗碳层；并且该介电损耗碳层是由碳粉构成的周期排布的多个导电几何结构而构成。

而在不同的实施例中，介质损耗层12的组成材料还可以是树脂或者是碳粉和树脂的组合，当然还可以是其他的电阻损耗型材料，也就是说，介质损耗层12的具体材料组成可以根据实际应用环境以及电磁波的频率选择要求作出灵活调整。

其中，由于介质损耗层12(又叫做电路层)可包含有周期排布的多个导电几何结构，这样，在对电磁波的频率进行选择性吸收时，就可结合阻抗匹配原理及LC电路原理和传输线理论来根据阻抗匹配特性控制该吸波超材料的输入阻抗，并根据输入阻抗的要求来调整各个介质基板层的参数(介电常数、材料组成、厚度、尺寸等)和电路层的参数(例如导电几何结构的尺寸、导电几何结构的排布方式，以及电路层的厚度等)以及调整各个导电几何结构的排列，来使得该吸波超材料能够根据是设计情况来调整FSS层的工作频率，从而使电磁波在宽频范围内实现很小的反射，达到在宽频范围内实现比较理想的吸收性能的效果。

其中，具体到FSS层中的介质损耗层所包含的导电几何结构来说，在一个实施例中，顶层FSS层中的介质损耗层可包括多个具有第一图形的第一导电几何结构(例如“工”字型)，底层FSS层中的介质损耗层包括多个具有第二图形的第二导电几何结构(例如“十”字型)，中间若干FSS层中的介质损耗层所包括的若干个导电几何结构的图形均为该第一图形和该第二图形的组合(即“工”字型和“十”字型的组合)，且该中间若干FSS层中的介质损耗层所包括的若干个导电几何结构的图形变化规律为沿电磁波入射方向该第一图形连续减小、该第二图形连续增大。

并且，在一个实施例中，对于介质损耗层中周期排布的多个导电几何结构来说，无论介质损耗层是嵌设在介质基板的内部还是附着在介质基板的表面，该多个导电几何结构的排布设计方式可以是与入射电磁波的方向垂直，即水平排列设计。

而在另一个实施例中，当介质损耗层是嵌设在介质基板内部的情况下，该多个导电几何结构的排布方式还可以是与入射电磁波的方向平行，即垂直排列设计。

此外，值得注意的是，虽然在上述实施例中，对于介质损耗层中的导电几何结构的形状限定为“工”字型和“十”字型，而在不同的实施例中，该导电几何结构的形状还可以是“H”字型或“H”字型的衍生型，或者“工”字型的衍生型、“十”字型的衍生型，以及还可以是正方形或者圆形、三角形等规则或不规则的图形，也就是说，本发明对于介质损耗层中的多个导电几何结构并不作具体限定，它们的形状可以根据实际的电磁波频率选择和吸收效果做出不同的灵活选择。

另一方面，对于一个FSS层来说，其中的介质损耗层所包含的周期排布的多个导电几何结构可以为同一种形状，也可以是多种形状的组合；

此外，虽然在图1所示的实施例中，吸波超材料的三个FSS层所分别对应的三层介质损耗层12所包含的多个导电几何结构的形状为相同的，但是在另一个实施例中，不同层FSS中的介质损耗层所包含的周期排布的多个导电几何结构的形状也可以是不同的，这样就可使不同FSS层可以对电磁波进行不同频率的选择吸收。

此外，在一个实施例中，根据本发明实施例的介质基板可以为介电常数在3.8～4.8之间的基板，介质基板的组成材料可以选自泡沫基材、蜂窝基材、陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料中的一种或多种，其中高，分子材料优选环氧树脂、聚四氟乙烯、PMI、F4B或FR4。

而在本实施例中，该介质基板的组成材料为常规泡沫基材的泡沫基板，因此，能够在保证吸波超材料的吸波性能的同时，还能使该吸波超材料的重量非常轻，并可以作为航空吸波材料的良好选择；并且，本发明的上述技术方案能够将吸波超材料的总厚度控制在一个比较薄的范围内，从而使该吸波超材料具有较大的设计空间，为高性能吸波超材料开辟了一条崭新的途径。

当然，本发明对于介质基板的组成材料并不做限定，它也可以是由未列举的其他类型的低介电常数的基材构成。

值得注意的是，虽然在图1所示的实施例中，本发明的吸波超材料包括三层FSS层，但是根据对电磁波吸收的要求不同，可根据实际应用情况对FSS层的数量进行灵活调整。并且不同FSS层中的介质基板的组成材料、尺寸也可以相同或不同，它们的尺寸和材料组成同样可以根据实际应用情况进行适应性调整。

其中，图2示出了本发明的吸波超材料的单晶胞CST仿真结果图，从图2可以看出，本发明的吸波超材料的吸波效果比较理想，在3GHz～18GHz频段都有比较好的吸波效果，并且，图1所示的3层FSS层的吸波超材料的厚度仅为10mm；

进一步的，从图2还可以看出，本发明的吸波超材料在低频及高频上均有非常明显的吸波效果，特别的，在S波段的反射率均低于-12dB，最强峰可达到-24dB，而在相同厚度的超材料的情况下，其他的常规超材料很难达到这种效果；

此外，在高频Ku频段，本发明的吸波超材料的吸波效果同样很好，从图2可以看出，该吸波超材料在X波段的反射率低于-8dB。

超材料是一种以导电几何结构为基本单元，并以特定方式进行空间排布的具有特殊电磁响应的新型材料，其对电磁响应的特征往往不取决于其构成材料的本征性质，而是由其导电几何结构的特征所决定，并且超材料可以在一定范围内实现普通材料所无法具备的折射率、磁导率以及吸波极化性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。

而本发明利用上述全新设计的导电几何结构来产生具有宽频的吸波效果，其中，本发明的吸波超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。通过对FSS中导电几何结构的有序排列，从而改变空间中各点的相对介电常数和磁导率。这样就可使吸波超材料在一定范围内实现普通材料所无法具备的折射率、磁导率以及吸波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过设计包含FSS的吸波超材料，能够在实现对电磁波的吸收和损耗的同时，还能够借助FSS来实现对衰减的电磁波的频率选择，并且，通过在底层FSS层设置反射板，能够使传播至吸波超材料底部的电磁波再返回继续被各个FSS层吸收，从而达到很好的宽频吸收效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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

1.一种吸波超材料，其特征在于，包括：

多个堆叠设置的频率选择表面FSS层，以及位于沿电磁波入射方向的底层FSS层的底部的反射板；其中，每个所述FSS层包括介质基板和介质损耗层，所述反射板的厚度范围为0.01mm～0.02mm；

多个堆叠设置的所述FSS层包括顶层FSS层、底层FSS层和中间若干FSS层；

顶层FSS层中的介质损耗层包括多个具有第一图形的第一导电几何结构，底层FSS层中的介质损耗层包括多个具有第二图形的第二导电几何结构，中间若干FSS层中的介质损耗层所包括的若干个导电几何结构的图形均为该第一图形和该第二图形的组合，且该中间若干FSS层中的介质损耗层所包括的若干个导电几何结构的图形变化规律为沿电磁波入射方向该第一图形连续减小、该第二图形连续增大。

2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述介质损耗层附着在所述介质基板的表面或者内部。

3.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述介质损耗层的组成材料选自碳粉、树脂中的一种或者两种。

4.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述介质损耗层包括周期排布的多个导电几何结构。

5.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述周期排布的多个导电几何结构与电磁波的入射方向垂直。

6.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述周期排布的多个导电几何结构与电磁波的入射方向平行。

7.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述多个导电几何结构的形状包括“工”字型。

8.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述多个导电几何结构的形状包括“十”字型。

9.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述多个导电几何结构的形状包括“H”字型。

10.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，同一FSS层中的所述介质损耗层所包含的周期排布的多个导电几何结构的形状相同或不同。

11.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，不同FSS层中的介质损耗层所包含的周期排布的多个导电几何结构的形状相同或不同。

12.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述反射板为金属反射板。

13.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述介质基板的组成材料选自泡沫基材、蜂窝基材、陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料中的一种或多种。

14.根据权利要求1～13中任意一项所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料在S波段的反射率低于-12dB。

15.根据权利要求1～13中任意一项所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料在X波段的反射率低于-8dB。

16.根据权利要求1～13中任意一项所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料的吸波频段包括3GHz～18GHz。