CN106341974B - 一种吸波超材料以及吸波装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种吸波超材料，包括沿电磁波传播方向依次设置的第一基材和多个第二基材；所述第一基材的一外表面设置有反射板，另一外表面或者内部设置有电路层；相邻两个所述第二基材之间设置有导电几何结构层。本发明将超材料原理与电路屏吸波原理结合起来设计宽频的吸波超材料，通过多层基材设置达到宽频吸波效果。

Description

一种吸波超材料以及吸波装置
技术领域
本发明涉及一种材料，更具体地涉及一种吸波超材料以及吸波装置。
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，也会发射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和重视，造成国防、政治、经济、科技等方面情报的泄露。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。
现有的吸波材料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体吸波特性，此类材料设计复杂且不具有大规模推广性，而且吸收电磁波的频带较窄，不能满足宽频吸波效果，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸波频率较宽的吸波超材料及吸波装置。
根据本发明的一方面，提供一种吸波超材料，包括：
沿电磁波传播方向依次设置的第一基材和多个第二基材；所述第一基材的一外表面设置有反射板，另一外表面或者内部设置有电路层；相邻两个所述第二基材之间设置有导电几何结构层。
优选地，所述第一基材的内部设置有电路层，所述第一基材与第二基材之间设置有导电几何结构层。
优选地，所述第一基材与第二基材之间的导电几何结构层为第一导电几何结构层，所述第一导电几何结构层包括多个第一导电几何结构并阵列排布于第一基材与第二基材相对两个表面的任一表面上，所述第一导电几何结构呈矩形。
优选地，每相邻两个所述第二基材之间设置的导电几何结构层均包括多个呈矩形并阵列排布的第二导电几何结构。
优选地，所述第二导电几何结构在每一层中的尺寸大小均相同，且阵列排布方式也均相同。
优选地，所述导电几何结构层各自的厚度均在0.02mm-0.03mm之间。
优选地，所述电路层包括以阵列方式排布的多个回字形结构。
优选地，所述第一基材以及多个第二基材均采用窝蜂结构。
优选地，所述第一基材以及多个第二基材的材料均为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或F4B材料。
优选地，所述反射板为金属材质。
优选地，所述反射板的表面设置有吸波涂层。
根据本发明的另一方面，提供一种吸波装置，包括上述所述的吸波超材料。
本发明将超材料原理与电路屏吸波原理结合起来设计吸波频率较宽的吸波超材料，通过多层基材设置达到宽频吸波效果。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为构成超材料的基板单元的立体结构示意图；
图2为本发明吸波超材料的剖视图；
图3为本发明吸波超材料中电路层的结构示意图；
图4为本发明吸波超材料中阵列排布的导电几何结构的结构示意图；
图5为本发明吸波超材料的反射率曲线；
图6为本发明吸波装置的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整理参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料个点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使得材料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即可使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。
如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基板单元包括导电几何结构1以及该导电几何结构附着的基材2。导电几何结构可为人造金属微结构，其具有对电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基板单元上的导电几何结构的图案和/或尺寸，可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基板单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。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。本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元拼接或组装而成，也可将人造金属微结构周期排布于基材上构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。
本发明利用上述超材料原理在多块基材表面排布导电几何结构，并在靠近金属反射层的基材内嵌入电路屏以形成salisbury屏，结合salisbury屏和超材料达到宽频吸波效果。
请参照图2，图2为本发明吸波超材料的剖视图。图2中，以5层基材为例，本发明吸波超材料包括沿电磁波传播方向依次设置的第一基材10和4个第二基材20，第一基材10的外表面设置有反射板30，另一外表面或者内部设置有电路层40；相邻的两个所述第二基材之间(如21与22、22与23以及23与24之间)设置有导电几何结构层50。且所述第一基材10与第二基材20之间也设置有导电几何结构层50。
其中，所述第一基材10与第二基材20之间的导电几何结构层为第一导电几何结构层51。第一导电几何结构层51包括多个第一导电几何结构并阵列排布于第一基材10与第二基材20相对两个表面的任一表面上，所述第一导电几何结构呈矩形。
每相邻两个所述第二基材之间(如21与22、22与23以及23与24之间)设置的导电几何结构层为第二导电几何结构层52。第二导电几何结构层52均包括多个呈矩形并阵列排布的第二导电几何结构。
电路层40的结构示意图如图3所示。由图3可知，电路层40包括以阵列方式排布的多个回字形结构。在电磁波激励时，回形微结构自身产生电容与电感，带有损耗，可通过适当的调节微结构，控制L与C，改善材料的阻抗特性，从而连到宽频吸收效果。
如图4所示，导电几何结构层50对电磁波具有滤波效果。通过改变导电几何结构层的尺寸和间隔宽度可以改变其过滤的电磁波频点。在本发明中，导电几何结构层50中的导电几何结构均呈矩形结构，尺寸大小均相同，且在每一个导电几何结构层中多个导电几何结构的阵列排布方式均相同。导电几何结构层50各自的厚度均在0.02mm-0.03mm之间，其电导率依次为30S/m、31S/m、81S/m和210S/m。
第一基材10以及4个第二基材20均优选采用窝蜂结构，其材料优选为吸波性能较好的材料，例如铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等；为综合考虑其机械性能和电气性能，也可选用FR-4材料、F4B材料等。
反射板30优选为实心正方形金属贴片，其表面涂覆有吸波涂料。
图5为本发明吸波超材料的反射率曲线。由图5可知，本发明吸波超材料在0.8GHz-18GHz均有较好的吸波效果，且厚度仅为33mm；且在低频段中，L波段反射率都在-11dB以下，峰会达到-20dB；同时高频段中，X波段反射率在-25dB以下。
请参照图6，图6为包括上述吸波超材料的吸波装置的结构示意图。
该装置可以为飞行器、滤波器等各类具有金属外壳的装置和电子器件。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料包括：
沿电磁波传播方向依次设置的第一基材和多个第二基材；
所述第一基材的一外表面设置有反射板，所述反射板为金属材质且表面设置有吸波涂层；
相邻两个所述第二基材之间设置有导电几何结构层；
在靠近所述反射板的所述第一基材的内部设置有电路层，所述第一基材与第二基材之间设置有导电几何结构层，
其中，所述电路层包括以阵列方式排布的多个回字形结构，在电磁波激励时，回形微结构自身产生电容与电感，带有损耗，可通过适当的调节微结构，通过调节控制电容与电感，改善材料的阻抗特性，从而达到宽频吸收效果。
2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述第一基材与第二基材之间的导电几何结构层为第一导电几何结构层，所述第一导电几何结构层包括多个第一导电几何结构并阵列排布于第一基材与第二基材相对两个表面的任一表面上，所述第一导电几何结构呈矩形。
3.根据权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于，每相邻两个所述第二基材之间设置的导电几何结构层均包括多个呈矩形并阵列排布的第二导电几何结构。
4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，所述第二导电几何结构在每一层中的尺寸大小均相同，且阵列排布方式也均相同。
5.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述导电几何结构层各自的厚度均在0.02mm-0.03mm之间。
6.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述第一基材以及多个第二基材均采用窝蜂结构。
7.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述第一基材以及多个第二基材的材料均为FR-4材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或F4B材料。
8.一种吸波装置，其特征在于，包括权利要求1至权利要求7任一项所述的吸波超材料。
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