CN109994839A - 一种三维超材料吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维超材料吸波体，该三维超材料吸波体包括：反射层；吸波层，吸波层设置在反射层的顶部表面的上方；多个超材料单元阵列层，多个超材料单元阵列层设置在吸波层上方，以及多个超材料单元阵列层和吸波层的接触边平行设置，每个超材料单元阵列层划分为多个相同的超材料单元，以及在每个超材料单元的面向同一方向的面上，附着有人造微结构。本发明通过上述技术方案，其利用吸波材料和人造微结构组成三维超材料吸波体，在实现良好的宽频吸收效果的前提下，还实现了良好的宽角吸收效果，其能在60度的入射角范围内，均能维持79.5％以上的平均吸波效果。
Description
技术领域
本发明涉及电磁通信领域，具体来说，涉及一种三维超材料吸波体。
背景技术
科学技术的发展以及电子技术的进步为人类创造了巨大的物质文明，但同时电子设备产生的不同频率与强度的电磁波也制造了电磁污染。为了防范电磁污染的危害，利用吸波材料吸收电磁波已成为防治电磁污染最为有效的途径。同时，在军事领域，随着探测技术的发展，在现代化战争中利用吸波材料实现目标隐身对提高武器系统的生存和突防能力有着重要的意义。电磁波吸波材料的研究已成为当前一个非常重要的科研领域。
吸波超材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸波的目的。同时，“厚度薄、密度低、频段宽、吸收强”是吸波材料的发展方向，然而现有的吸波材料往往存在频带窄、密度大、匹配厚度大等缺点。目前的吸波材料研究仍集中在常规吸波材料上，且普遍以摸索性的应用研究为主，缺乏理论性的指导，因而并未得到实质性的突破，而且传统的吸波材料或者吸波结构存在着大角度效果急剧下降的问题，即对于垂直入射的吸波效果很好，而对于斜入射的吸波效果则急剧变差，这极大地限制了吸波材料或吸波结构的应用。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种三维超材料吸波体，其利用吸波材料和人造微结构组成三维超材料吸波体，在实现良好的宽频吸收效果的前提下，还实现了良好的宽角吸收效果，其能在60度的入射角范围内，均能维持79.5％以上的平均吸波效果。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三维超材料吸波体，该三维超材料吸波体包括：反射层；吸波层，吸波层设置在反射层的顶部表面的上方；多个超材料单元阵列层，多个超材料单元阵列层设置在吸波层上方，以及多个超材料单元阵列层和吸波层的接触边平行设置，每个超材料单元阵列层划分为多个相同的超材料单元，以及在每个超材料单元的面向同一方向的面上，附着有人造微结构。
根据本发明的一个实施例，人造微结构的形状包括：方环形、圆环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形。
根据本发明的一个实施例，人造微结构包括：第一围设区域和第二围设区域，并且第一围设区域和第二围设区域均为凵字形结构，以及第一围设区域形成的第一开口和第二围设区域形成的第二开口彼此相对，且第二围设区域设置在第一围设区域形成的第一开口内。
根据本发明的一个实施例，任意两个超材料单元上的人造微结构的形状相同。
根据本发明的一个实施例，每个超材料单元阵列层所在平面和吸波层所在平面之间的夹角A的取值范围为0°＜A≤90°。
根据本发明的一个实施例，反射层的材料为金属或碳纤维。
根据本发明的一个实施例，吸波层的材料为羰基铁粉、或合金粉、或石墨烯粉、或碳纳米管。
根据本发明的一个实施例，超材料单元阵列层的材料为羰基铁粉、或合金粉、或石墨烯粉、或碳纳米管。
根据本发明的一个实施例，人造微结构的材料为金属、或透明导电氧化物、或导电碳浆。
根据本发明的一个实施例，反射层的厚度在0.1mm至0.5mm之间。
根据本发明的一个实施例，吸波层的厚度在0.2mm至2mm之间。
根据本发明的一个实施例，人造微结构的厚度在0.01mm到0.5mm之间。
本发明的有益技术效果在于：
本发明通过利用吸波材料和人造微结构组成三维超材料吸波体，在实现良好的宽频吸收效果的前提下，还实现了良好的宽角吸收效果，其能在60度的入射角范围内，均能维持79.5％以上的平均吸波效果。
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是根据本发明一实施例的三维超材料吸波体的示意图；
图2是根据本发明一实施例的超材料单元的侧视图；
图3是根据本发明一实施例的垂直吸收率的吸波效果示意图；
图4是根据本发明一实施例的斜入射吸收率的吸波效果示意图。
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，提供了一种三维超材料吸波体。
如图1所示，根据本发明实施例的三维超材料吸波体包括：反射层1；吸波层2，吸波层2设置在反射层1的顶部表面的上方；多个超材料单元阵列层3，多个超材料单元阵列层3设置在吸波层2上方，以及多个超材料单元阵列层3和吸波层2的接触边平行设置，每个超材料单元阵列层3划分为多个相同的超材料单元，以及在每个超材料单元的面向同一方向的面上，附着有一个人造微结构4。
借助于本发明的上述技术方案，通过利用吸波材料和人造微结构组成三维超材料吸波体，在实现良好的宽频吸收效果的前提下，还实现了良好的宽角吸收效果，其能在60度的入射角范围内，均能维持79.5％以上的平均吸波效果。
为了更好的描述本发明的上述技术方案，下面通过具体的实施例进行详细的描述。
如图1所示，三维超材料吸波体包括：反射层1、吸波层2、超材料单元阵列层3、人造微结构4，其中，在z方向上，反射层1置于三维超材料吸波体的最底部，吸波层2位于反射层1的上部，超材料单元阵列层3设置在吸波层2顶部表面的的上方，并且多个超材料单元阵列层3和吸波层2具有多个接触边，该多个接触边平行设置。以及，在该三维超材料吸波体中，沿着每个超材料单元阵列层3的长度方向(或y方向)上依次划分为多个超材料单元，以及在每个超材料单元面向同一方向(或x方向)的面上附着有人造微结构4，从而通过上述三维超材料吸波体的设置，使得一段较宽频率范围内的电磁波通过以下两种机理被大量地损耗掉：电磁波入射到吸波层2和超材料单元阵列层3内部以后引起的铁磁共振、涡流效应以及磁后效损耗实现电磁波的衰减；电磁波入射到人造微结构4中引起电磁谐振实现电磁波的局域束缚并损耗。
此外，如图2所示，该人造微结构4包括：第一围设区域41和第二围设区域42，在z方向上，该第一围设区域41设置在第二围设区域42下方，同时，第一围设区域41和第二围设区域42均为凵字形结构，即该第一围设区域41和第二围设区域42均包括一水平直条形结构以及垂直设置在该水平直条形结构两端的竖直直条形结构。第一围设区域41形成的第一开口和第二围设区域42形成的第二开口彼此相对该第二围设区域42设置在第一围设区域41形成的第一开口内，同时，该第一围设区域41和第二围设区域42的宽度(或在y方向的长度)相等。另外，在本实施例中，虽然限定了人造微结构4的具体形状，本领域的人员还可根据实际需求设置人造微结构4的具体形状，同时，该人造微结构4的几何图案可采用计算机仿真得到，例如，根据本发明的一个实施例，该人造微结构4的形状为方环形、圆环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形中的至少一种，本发明对此不作限定。
另外，继续参见图1，在上述超材料单元阵列层3中，任意两个超材料单元上的人造微结构4均相同，并且所有的人造微结构4均为图2所示的超材料单元上的人造微结构4。此外，当然可以理解，其还可根据实际需求设置每个超材料单元上的人造微结构4的形状，例如，根据本发明的一个实施例，在所有的超材料单元阵列层3中，任意两个超材料单元上的人造微结构4均不相同，本发明对此不作限定。
此外，继续参见图1，上述三个超材料单元阵列层3所在平面均与吸波层2所在平面相互垂直设置，并且相邻两个超材料单元阵列层3之间的间距相等，此外，当然可以理解，本领域的技术人员还可根据实际需求设置每个超材料单元阵列层3所在平面和吸波层2所在平面之间的角度以及相邻的超材料单元阵列层3之间的间距，并且每个超材料单元阵列层3所在平面和吸波层2所在平面之间的夹角A的取值范围为0°＜A≤90°，例如，根据本发明的一个实施例，如图1所示，该三维超材料吸波体包括三个周期设置的超材料单元阵列层3，在上述超材料单元阵列层3中，一侧的超材料单元阵列层3所在平面与吸波层2所在平面之间的夹角为70°，另一侧的超材料单元阵列层3所在平面与吸波层2所在平面之间的夹角为80°，中间的超材料单元阵列层3所在平面与吸波层2所在平面之间的角度为85°，本发明对此不作限定。
此外，反射层1的材料包括但不限于金属或碳纤维制成，例如，根据本发明的一个实施例，该反射层1的材料为金、银、铜、铝中的一种。同时，该反射层1的厚度介于0.1mm到0.5mm之间，此外，当然可以理解，本领域的技术人员可根据实际需求进行设定反射层1的厚度，本发明对此不做限定。
另外，吸波层2和超材料单元阵列层3的材料包括但不限于羰基铁粉、或合金粉、或石墨烯粉、或碳纳米管粉等制成，同时，吸波层2和超材料单元阵列层3的呈现的形式可以为吸波贴片、吸波预浸料等。此外，吸波层2的厚度介于0.2mm到2mm之间，此外，当然可以理解，本领域的技术人员可根据实际需求进行设定吸波层2的厚度，本发明对此不做限定。
此外，人造微结构4的材料包括但不限于金属、或透明导电氧化物、或导电碳浆，例如，根据本发明的一个实施例，人造微结构4的材料为金、银、铜、铝、氧化铟锡中的至少一种。同时，人造微结构4的厚度介于0.01mm到0.5mm之间，此外，当然可以理解，本领域的技术人员可根据实际需求进行设定人造微结构4的厚度，本发明对此不做限定。
为了更好的描述本发明的技术方案，下面通过一个具体的实施例进行详细的描述。
在本实施例中，本发明中的三维超材料吸波体采用如图1所示的结构，其中，如图1所示，px表示相邻的两个超材料单元阵列层3的接触边之间的间距，py表示超材料单元的长度，h表示超材料单元的高度，t1表示吸波层2的厚度，t2表示超材料单元的厚度，如图2所示，wai_z表示第一围设区域41中的竖直直条结构的长度，w表示第一围设区域41和第二围设区域42的宽度，wai_y表示第一围设区域41中的水平直条结构的长度，nei_z表示第二围设区域42中的竖直直条结构的长度，nei_y表示第二围设区域42中的水平直条结构的长度，同时，该三维超材料吸波体的结构尺寸设置如下表1所示。
此外，反射层1由铜制成，厚度为0.1mm，超材料单元阵列层3选择由羰基铁粉制作的吸波贴片，厚度为1mm，人造微结构4由铜制成，厚度为0.02mm，并且该人造微结构4的形状为如图2所示的开口双环，此外，该三维超材料吸波体的总厚度为9.1mm。
表1
如图3所示，该三维超材料吸波体在2～20GHz频段内的吸收率均大于70％，其中4.6～20GHz的吸收率均大于80％，2～20GHz的平均吸收率为88.3％，表现出了优良的宽频高效吸波效果。同时，如图4所示，该三维超材料吸波体在入射角达到60°时，依然表现出了较好的吸波效果，5.5～20GHz的吸收率依然整体大于70％。另外，经过统计，在入射角分别为0°、20°、40°、60°时，平均吸收率分别为88.3％、90.9％、88.9％和79.5％。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过利用吸波材料和人造微结构组成三维超材料吸波体，在实现良好的宽频吸收效果的前提下，还实现了良好的宽角吸收效果，其能在60度的入射角范围内，均能维持79.5％以上的平均吸波效果。
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 (12)
1.一种三维超材料吸波体，其特征在于，包括：
反射层；
吸波层，所述吸波层设置在所述反射层的顶部表面的上方；
多个超材料单元阵列层，多个所述超材料单元阵列层设置在所述吸波层上方，以及多个所述超材料单元阵列层和所述吸波层的接触边平行设置，每个所述超材料单元阵列层划分为多个相同的超材料单元，以及在每个所述超材料单元的面向同一方向的面上，附着有人造微结构。
2.根据权利要求1所述的三维超材料吸波体，其特征在于，所述人造微结构的形状包括：方环形、圆环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形。
3.根据权利要求1所述的三维超材料吸波体，其特征在于，所述人造微结构包括：第一围设区域和第二围设区域，并且所述第一围设区域和第二围设区域均为凵字形结构，以及所述第一围设区域形成的第一开口和所述第二围设区域形成的第二开口彼此相对，且所述第二围设区域设置在所述第一围设区域形成的第一开口内。
4.根据权利要求1所述的三维超材料吸波体，其特征在于，任意两个所述超材料单元上的人造微结构的形状相同。
5.根据权利要求1所述的三维超材料吸波体，其特征在于，每个所述超材料单元阵列层所在平面和所述吸波层所在平面之间的夹角A的取值范围为0°＜A≤90°。
6.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述反射层的材料为金属或碳纤维。
7.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述吸波层的材料为羰基铁粉、或合金粉、或石墨烯粉、或碳纳米管。
8.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述超材料单元阵列层的材料为羰基铁粉、或合金粉、或石墨烯粉、或碳纳米管。
9.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述人造微结构的材料为金属、或透明导电氧化物、或导电碳浆。
10.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述反射层的厚度在0.1mm至0.5mm之间。
11.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述吸波层的厚度在0.2mm至2mm之间。
12.根据权利要求1所述的吸波材料超结构，其特征在于，所述人造微结构的厚度在0.01mm到0.5mm之间。
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