CN109041558B - 一种基于悬链线的宽带可调三维电磁吸收材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于悬链线的宽带可调三维电磁吸收材料，包括一层柔性电阻膜和位于电阻膜下方的金属反射板；其中，电阻膜的周期可以任意调节并且在重力的作用下形成对应的三维悬链线结构。利用不同周期下三维悬链线结构对入射电磁波的不同响应可以实现对正向反射电磁波的高效调控，从而实现宽带可调的正向反射缩减。本发明采用了新的三维超材料排布方式，所述宽带可调三维电磁吸收材料具有结构简单，工作带宽大，成本低，重量轻等优势，而且对不同线偏振电磁波可以有不同的调制响应，适应不同的应用环境。本发明的工作波段和调制效果可以根据需要进行相应的调整。可广泛应用于微波暗室、以及手机、微波炉等电磁辐射防护领域。

Description

一种基于悬链线的宽带可调三维电磁吸收材料
技术领域
本发明涉及电磁吸收领域，尤其涉及一种基于悬链线的宽带可调三维电磁吸收材料。
背景技术
正向反射率(S11)是指特定角度入射时，在斯涅耳定律得到的反射角上的反射率。随着各种基于电磁波的产品，如手机、微波炉等的广泛使用，正向反射率缩减也是一种电磁辐射防护的重要手段。现有的用于正向反射率缩减的方法主要有散射和吸收两种。第一种是利用散射原理，将入射电磁波散射到偏离正向反射的其他角度；第二种是利用材料的损耗将电磁能转化成热能从而在材料内部耗散掉。
现有的用于正向反射率缩减的结构大多只利用了上述实现原理中的一种，因此得到的材料响应带宽窄、缩减效果不明显。并且由于设计中通常需要复杂的多层结构，因此设计过程复杂，得到的材料体积大、厚度大、质量大，不满足便携化、轻量化、集成化的应用需求。同时，传统的正向反射率缩减材料的工作频率与作用效果大多不具有可调性，不能实现动态调节。
因此，如何设计出工作带宽大，电磁吸收效果好，结构简单，成本低廉以及响应可调的超材料已经成为一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一类基于三维悬链线结构的新型超材料结构设计方法，得到了一种宽带可调的三维电磁吸收材料。通过改变超材料中柔性电阻膜的周期与电阻膜到金属反射板的间距，该超材料在1GHz-20GHz时的正向反射率可以实现动态调节，在特定结构下可以实现>90％的宽带正向反射率缩减。并且该超材料可以实现在不同线偏振电磁波入射时具有不同的正向反射率，增加了调节的自由度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：提出了一种基于悬链线的宽带可调三维电磁吸收材料，所述材料包括柔性电阻膜和位于电阻膜下方的金属反射板；其中，柔性电阻膜在重力的作用下会形成三维悬链线结构并且不同周期的柔性电阻膜形成的悬链线结构不同。
进一步地，所述柔性电阻膜的厚度t小于100μm。
进一步地，所述柔性电阻膜是在柔性薄膜衬底上镀金属膜得到的。所用的薄膜衬底包括聚酰亚胺膜、聚萘二甲酸乙二醇酯膜等常用柔性薄膜中的一种。所用的金属包括金、银、铜、铝和铬等其中的一种。
进一步地，所述柔性电阻膜的等效电阻可以通过对其进行打孔调节，不同的孔占空比对应的等效电阻不同。
进一步地，所述金属反射板的材料为金、银、铜、铝和铬等其中的一种。
进一步地，根据相关理论计算，不同周期的柔性电阻膜形成的悬链线结构不同，通过调节柔性电阻膜的周期以及其相对于金属底板的间距该三维超材料对入射电磁波的调制响应不同；利用电阻膜本身的电磁吸收特性结合三维结构的电磁散射特性实现宽带可调的正向反射率缩减。
本发明结果的有益效果在于：
本发明采用新的超材料结构设计方式，所述超材料具有工作带宽大，缩减效果好，结构简单，成本低廉以及响应可调等优势。并且该超材料可以实现在不同线偏振电磁波入射时具有不同的正向反射响应，增加了调节的自由度，适用于更加复杂的应用环境
附图说明
图1为本发明的单元结构示意图；
图2为本发明的周期性结构示意图；
图3为不同a值时对应的不同悬链线函数；
图4为本发明实施例1的三维周期性悬链线超材料对应的平均正向反射率；
图5为本发明实施例2的三维周期性悬链线超材料对应的平均正向反射率；
图6为本发明实施例3的三维周期性悬链线超材料不同线偏振电磁波入射时对应的正向反射率。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示为三维周期性悬链线超材料的单元结构示意图；所述三维悬链线超材料包括柔性电阻膜和位于电阻膜下方的金属反射板。所述单元结构包括一层柔性电阻膜和位于电阻膜下方的金属反射板。在本发明中，单个周期内所述柔性电阻膜的长度为l，周期长度为p，电阻膜底端距金属反射板的间距为d。
如图2所示为三维周期性悬链线超材料的整体结构示意图，所述周期性结构的周期数可以为任意值。图2左上角给出了实施例中对TE波和TM波电磁场方向的定义。该超材料由图1中的单元结构周期性排列得到。所述周期性结构的周期数可以为任意值。
本发明中，利用了三维悬链线结构的特殊性质，为了深入理解基于悬链线结构的宽带周期性正向反射率可调材料的工作原理，下面将结合悬链线方程和具体实施例来介绍本发明。
首先，介绍产生三维悬链线结构的物理原理；当柔性电阻膜的两端悬在水平两点之间并且电阻膜只收到均匀重力作用时，该柔性电阻膜会发生向下的形变，从水平方向看该曲线为一条双曲余弦函数，即悬链线。其表达式为：
Figure BDA0001732533280000031
其中a为与柔性电阻膜周期和弧长有关的变量，x和y为对应悬链线不同位置的横纵坐标值。如图3所示，其为不同a值时对应的不同悬链线函数。所述a为悬链线方程中的变量。当a取不同值时对应的悬链线有不同的几何形貌。当柔性电阻膜形变为不同的悬链线时，由于曲线斜率发生了变化，电磁波入射时的响应也会有相应的不同。并且，当改变柔性电阻膜与金属反射板的间距时，由于二者之间形成的谐振腔的腔长发生了变化，因此正向反射率也会受到相应的调制。下面，将结合具体实施例来进一步介绍本发明。
实施例1
本实施例针对频率2GHz-20GHz设计了l＝200mm，p＝190mm的三维周期性悬链线超材料。所述超材料中的柔性电阻膜的等效电阻为532S/m，厚度为10μm。所述超材料金属反射板的材料为铜，厚度为0.2mm。当改变柔性电阻膜底端与金属反射板之间的间距d为20mm和40mm时，分别得到了结构在正入射情况下的平均正向反射率。所述平均正向反射率为TE波和TM波入射时得到的正向反射率的平均值。如图4所示，结构在d＝20mm和d＝40mm时有不同的-10dB正向反射率频率范围，证明了该三维结构的正向反射率缩减范围可以通过调节d进行高效控制。在实际应用中可以根据不同的需要对正向反射率缩减的频段进行动态调控。
实施例2
本实施例针对频率2GHz-20GHz设计了l＝200mm，d＝10mm的三维周期性悬链线超材料。所述超材料中的柔性电阻膜的等效电阻为532S/m，厚度为10μm。所述超材料金属反射板的材料为铜，厚度为0.2mm。改变柔性电阻膜单元结构的周期，得到了结构在2GHz-20GHz时正入射情况下的平均正向反射率。所述平均正向反射率为TE波和TM波入射时得到的正向反射率的平均值。如图5所示，当改变p的值时，不同频段内的平均正向反射率会发生变化，在2GHz-20GHz范围内，p＝190mm时的正向反射率相较于p＝100mm时平均减小了4dB。由图5可以看出，本实施例在2GHz-20GHz范围内都有较好的正向反射率缩减效果。
实施例3
本实施例针对频率1GHz-20GHz设计了l＝200mm，d＝10mm，p＝120mm的三维周期性悬链线超材料。所述超材料中的柔性电阻膜的等效电阻为532S/m，厚度为10μm。所述超材料金属反射板的材料为铜，厚度为0.2mm。如图6所示为该结构在TE波和TM波正入射时的正向反射率曲线。其中，在TM波入射时的正向反射率远小于在TE波入射时的正向反射率，在1GHz-13GHz范围内，二者的差值大于10dB，这说明该结构在不同线偏振电磁波入射下可以实现不同的正向反射缩减效果，可以满足复杂的应用环境。
以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于悬链线的宽带可调三维周期性电磁吸收材料，其特征在于：包括柔性电阻膜和位于电阻膜下方的金属反射板；其中，柔性电阻膜在重力的作用下会形成三维悬链线结构并且不同周期的柔性电阻膜形成的悬链线结构不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬链线的宽带可调三维周期性电磁吸收材料，其特征在于：所述柔性电阻膜在重力作用下会形变为对应的悬链线结构，柔性电阻膜的厚度t小于100μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于悬链线的宽带可调三维周期性电磁吸收材料，其特征在于：所述柔性电阻膜是在柔性薄膜衬底上镀金属膜得到的，所用的薄膜衬底包括聚酰亚胺膜、聚萘二甲酸乙二醇酯膜柔性薄膜中的一种，金属反射板所用的金属包括金、银、铜、铝和铬其中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于悬链线的宽带可调三维周期性电磁吸收材料，其特征在于：所述柔性电阻膜的等效电阻可以通过对其打孔进行调节，不同的孔占空比对应的等效电阻不同。
5.根据权利要求1所述的一种基于悬链线的宽带可调三维周期性电磁吸收材料，其特征在于：根据相关理论计算，不同周期的柔性电阻膜形成的悬链线结构不同，通过调节柔性电阻膜的周期以及其相对于金属反射板的间距三维超材料对入射电磁波的调制响应不同；利用柔性电阻膜本身的电磁吸收特性结合三维结构的电磁散射特性实现电磁吸收材料宽带可调的正向反射率缩减。
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