CN110401042A - 一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，包括若干结构单元，若干结构单元在二维上呈周期性连续分布，所述结构单元采用透明材料制成；每个结构单元包括中空柱体单元、基板层和背板层，所述背板层附着在基板层的外侧，中空柱体单元固定在基板层内侧；所述中空柱体单元呈旋转对称性的正N边形中空柱体结构，其中N为偶数，且N≥4；所述中空柱体结构的内壁作为支撑层用于附着导电薄膜层。本发明提供的吸波体满足了“薄、轻、宽、强”的性能要求，特别适用于在大型机载、舰载的可视化视窗上，能大幅缩减由于座舱腔体形成极强的雷达散射截面(RCS)。

Description

一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体

技术领域

本发明涉及吸波材料以及超材料领域，具体涉及一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体。

背景技术

吸波材料是指能吸收投射到它表明的电磁波能量的一类材料，超材料吸波体因其所特有的完美吸收特性，在电磁隐身、电磁兼容等领域取得了非常广泛的应用。随着电子对抗技术的快速发展，目标系统的雷达散射截面(RCS)缩减越来越受人们重视，加载雷达吸波材料是缩减天线带内雷达散射截面的一条有效途径，其前提是不能降低天线的辐射性能，传统的雷达吸波材料大多在表面有损害层，且厚度较大，并不适合用于天线隐身。

随着科学技术的发展，在微波领域的电磁吸波材料研究中虽然已取得很大进展，但同时满足在可见光范围具有高透光率也成为吸波材料一个新发展方向

发明内容

为解决目前的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题，本发明提供了解决上述问题的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体。

本发明通过下述技术方案实现：

一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，包括若干结构单元，若干结构单元在二维上呈周期性连续分布，所述结构单元采用透明材料制成；每个结构单元包括中空柱体单元、基板层和背板层，所述背板层附着在基板层的外侧，中空柱体单元固定在基板层内侧；

所述中空柱体单元呈旋转对称性的正N边形中空柱体结构，其中N为偶数，且N≥4；所述中空柱体结构的内壁作为支撑层用于附着导电薄膜层。

进一步地，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元。

进一步地，若干结构单元呈矩形阵列分布。

进一步地，所述中空柱状单元轴向与基板层板面的夹角为90°，且所述中空柱体结构采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

进一步地，同一平面内的相邻中空柱体单元之间间隔w与结构单元的尺寸p之比为w/p，满足3/4≥w/p≥1/12；中空柱体单元的高度h与结构单元的尺寸p之比为h/p，满足1.2≥h/p≥0.8。

进一步地，所述结构单元的尺寸p≥0.8λ，其中λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隔w为：0.8λ≥w≥0.1λ；中空柱体单元的高度h为：1.5λ≥h≥0.6λ；中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸l为：1.2λ≥l≥0.6λ；其中λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，所述支撑层的厚度g＝0.01λ，导电薄膜层的厚度g₀＝0.001λ。

进一步地，所述基板层的厚度为d＝0.01λ，背板层的厚度为g₁＝0.001λ。

进一步地，所述基板层和支撑层采用透明无机材料；所述背板层和导电薄膜层采用透明导电薄膜，透明导电薄膜形状采用连续导电膜，且其电导率为10²S/m～10⁵S/m。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过能与空间电磁波产生多谐振的二维立体式中空柱体单元排布结构，使得吸波体具有宽频带吸波的特性，从而解决目前的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题。不同于传统吸波材料(电损耗、磁损耗、介电损耗型材料)的吸波特性，本发明不仅具备良好的电磁吸收特性，同时还具备良好的透光率特性；

2、本发明提供的吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能、以及具有极化不敏感的吸波特性。如在xoy平面为例，电磁波以不同的极化角度入射，即电磁波的电场极化方向与x轴或y轴夹角在不同角度的情况下入射时，吸波体的吸收特性基本不变。即，该吸波体具有极化不敏感的吸波特性；本发明提供的吸波体整体为一种具有纵深高度的中空柱体，以yoz平面为例，波的传播方向与z轴的夹角在0～50°的情况下入射时，吸波体对电磁波的吸收曲线基本一致，即，该吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能。

3、本发明提供的吸波体完全满足“薄、轻、宽、强”的性能要求，通过这种特殊的二维立体结构，该吸波体在满足上述良好的吸光特性的同时，整体更加轻薄，利于减少材料用量，能同时兼顾物理结构稳定性、外观美观性、和质量轻的优点。

综上所述，本发明提供的吸波体特别适用于在大型机载、舰载的可视化视窗上，能大幅缩减由于座舱腔体形成极强的雷达散射截面(RCS)。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的吸波体周期阵列排布模型图；

图2为本发明的立方体结构单元示意图；

图3为本发明的立方体结构单元俯视图；

图4为本发明的蜂窝结构单元示意图；

图5为本发明的立方体吸波体吸波曲线图；

图6为本发明的蜂窝吸波体吸波曲线图；

图7为本发明的立方体吸波体透光率测试图；

图8为本发明的蜂窝吸波体透光率测试图；

图9为本发明的立体式中空立柱单元的等效电路模型。

附图中标记及对应的零部件名称：1-结构单元，11-中空柱体单元，12-基板层，13-背板层，111-支撑层，112-导电薄膜层。

附图中参数定义：

其中p定义为结构单元的尺寸；

其中l定义为中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸；

其中h定义为中空柱体单元的高度；

定义h/p为中空柱体单元的高度与结构单元的尺寸之比，简称高宽比；

其中g定义为支撑层的厚度；

其中g₀定义为导电薄膜层的厚度；

其中w定义为处于同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隔距离；

其中d定义为基板层的厚度；

其中g₁定义为背板层饿厚度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，包括多个结构单元1，多个结构单元1在二维上呈周期性连续分布，所述结构单元1采用透明材料制成；每个结构单元1包括中空柱体单元11、基板层12和背板层13，背板层13附着在基板层12的外侧，中空柱体单元11固定在基板层12内侧；中空柱体单元11呈旋转对称性的正N边形中空柱体结构，其中N为偶数，且N≥4；中空柱体结构的内壁作为支撑层111用于附着导电薄膜层112。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元1，以50个结构单元为例，且所有结构单元呈矩形阵列分布，如图1所示，吸波体在俯视下呈现出一层边数为N的正多边形条状带附着在平板上的结构，正视和侧视呈现出具有一定宽度的“⊥”形结构。为降低吸波体在一维平面上人工结构占有率，能有效提高整体透光率，柱状结构中心为中空的同时，使中空柱状单元11轴向与基板层12板面的夹角为90°；且所述中空柱体结构优选采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

同一平面内的相邻中空柱体单元11之间间隔w与结构单元1的尺寸p之比为w/p，满足3/4≥w/p≥1/12，利于保证吸波体拥有极大的设计自由度，既能减少材料用量以保证质量较轻，又能克服无间隙结构存在的高频吸收率过低的问题；中空柱体单元11的高度h与结构单元1的尺寸p之比为h/p，满足1.2≥h/p≥0.8，利于保证吸波体既能兼顾物理结构稳定性、外观美观性、和质量轻、又能满足吸波体具有良好的电磁吸收特性。

所述基板层12和支撑层111采用透明无机材料，如普通玻璃、石英玻璃、无机玻璃、塑料等典型无机材料；背板层13和导电薄膜层112为满足在可见光范围内具有良好的透光性，同时为实现导电薄膜层能与空间电磁波产生多谐振同时具有欧姆损耗特性同时实现背板层起到良好的反射空间电磁波的效果，材料选择透明导电薄膜，薄膜形状一般为连续导电膜，或刻蚀为片状、环状等其他花纹的连续导电膜，且其电导率为10²S/m～10⁵S/m，优选为氧化铟锡(ITO)薄膜等，可取电导率为10³S/m。

实施例3

在实施例2的基础上进一步改进，

所述结构单元1的尺寸p≥0.8λ

同一平面内的相邻中空柱体单元11之间的间隔w，该间隔大小主要影响了整体结构单元的等效电容，为拓展吸波体的低频吸收带宽，一般通过减小间隔以增大整体结构的等效电容，优选0.8λ≥w≥0.1λ；

中空柱体单元11的高度h为：1.5λ≥h≥0.6λ；为起到表面电流在内壁呈现一种旋涡状流动从而极大提高电磁波的耗散效率的效果，中空柱体单元11整体呈现立方体、蜂窝棱柱、圆柱等旋转对称构造，优选1.5λ≥h≥0.6λ。

中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸l为：1.2λ≥l≥0.6λ。

所述支撑层111的厚度g＝0.01λ，在利于保障整体质量轻薄的基础上，满足了对导电薄膜112起到的稳定支撑作用；为起到能与空间电磁波产生电磁共振特性且同时具有良好的欧姆损耗特性，导电薄膜层112的厚度g₀＝0.001λ。

为起到良好的支撑中空柱体单元11和固定背板层13的效果，基板层12的厚度为d＝0.01λ；为起到良好的反射空间电磁波的效果，背板层13的厚度为g₁＝0.001λ。

所研究的典型的L\S\C\X\Ku波段设定吸波频段：f_min～f_max，对应电磁波长：λ_min～λ_max，为更好的研究吸波体物理尺寸与各种谐振波长的内在联系，按照在雷达频段内最短的电磁波长来定义设计吸波体，本发明中所提到的λ是指最短波长λ_min。

实施例4

基于实施例3提供的方案，本实施例提供一种中空柱体单元11为立方体式结构的吸波体，结构设置参数如下：

结构单元的尺寸p＝1.2λ；

柱体中空单元在电场极化方向的最大尺寸l＝0.822λ；

柱体中空单元的高度h＝1.0λ；

支撑层的厚度g＝0.01λ；

导电薄膜的厚度g₀＝0.001λ；

处于同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隔w＝0.378λ；

基板层的厚度d＝0.01λ；

背板层厚度g₁＝0.001λ。

所对应的最短吸收波长为10mm，即λ＝10mm。

其中背板层和导电薄膜层采用的导电薄膜材料选取为ITO，其电导率为10³S/m，其中支撑层和基板层材料为无机玻璃，其相对介电常数ε＝3*(1-j0.03)。

实施例5

基于实施例3提供的方案，本实施例提供一种中空柱体单元11为蜂窝式结构的吸波体，结构设置参数如下：

结构单元的尺寸p＝1.2λ；

柱体中空单元在电场极化方向的最大尺寸l＝0.8λ；

柱体中空单元的高度h＝1.0λ；

支撑层的厚度g＝0.01λ；

导电薄膜的厚度g₀＝0.001λ；

处于同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隔w＝0.4λ；

基板层的厚度d＝0.01λ；

背板层厚度g₁＝0.001λ。

所对应的最短吸收波长为10mm，即λ＝10mm。

其中背板层和导电薄膜层采用的导电薄膜材料选取为ITO，其电导率为10³S/m，其中支撑层和基板层材料为无机玻璃，其相对介电常数ε＝3*(1-j0.03)。

实施例6

性能分析及表征：

1、基于上述设计要求，整个吸波体呈现出：背板层贴合在基板层的外侧，中空柱体单元支撑在在基板层的内侧(电磁波的反射侧)的结构。立体式单层中空柱体单元在所研究频段呈现一种自感互感，如图9所示，Ls为单元结构的自感，Ma、Ma'是一个立体式单层中空柱体单元或者相邻单元中两条横截边之间的互感；Mb、Mb'是一个立体式单层中空柱体单元或者相邻单元中两条垂直边之间的互感。通过调节吸波体结构单元中柱体结构和基板层的几何尺寸改变结构的等效电感L或电容C，从而调节谐振频率和谐振强度，进而调节吸波体的吸收曲线，达到自由设计的效果。

其等效电感L，等效电容C可以等效为：

L＝(L_s-M_a-2M_a′-M_b-2M_b′)

C＝ε₀ε_rh*l/p

其中：

该吸波体谐振频率与单层结构的等效电感L或电容C有严格的对应关系，经过最优化求解得到0.026pF≥C≥0.018pF，6.0nH≥L≥3.0nH，刚好与处在中高频左右的电磁波产生谐振、能够满足吸波体中高频具有良好吸收特性。

2、宽带吸波和高透光率性能

(1)宽吸波频段：

从吸波体曲线图5可以看出，实施例4提供的吸波体在5GHz～30GHz频段内吸收率A在90％以上。

从吸波体曲线图6可以看出，实施例5提供的吸波体在5.3GHz～30GHz频段内吸收率A在90％以上。

A＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²

其中S₁₁为反射系数，S₂₁为端口1到端口2的透射系数。

(2)可见光透光率：

从吸波体的透光率曲线图7，可以看出在波长430nm～800nm范围内，实施例4提供的吸波体的透光率达80％以上；

从吸波体的透光率曲线图8，可以看出在波长430nm～800nm范围内，实施例5提供的吸波体的透光率达80％以上。

3、极化不敏感性与来波宽角度入射的吸波性能

本发明提供的中空柱体单元设计可以保障吸波体在感兴趣的频段内实现具有良好的极化不敏感性与来波宽角度入射的吸波性能。

(1)在xoy平面为例，电磁波以不同的极化角度入射，即电磁波的电场极化方向与x轴或y轴夹角在不同角度的情况下入射时，吸波体的吸收特性基本不变。即，该吸波体具有极化不敏感的吸波特性。如实施例4和实施例5提供的吸波体，在5GHz～30GHz的频率范围内，吸波体对横电波和横磁波的吸收率均可达到90％以上。

(2)本发明提供的吸波体整体为一种具有纵深高度的中空柱体，以yoz平面为例，波的传播方向与z轴的夹角在0～50°的情况下入射时，吸波体对电磁波的吸收曲线基本一致，即，该吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能。如实施例4提供的吸波体，在0°是的吸波带宽为25GHz；在50°时，吸波带宽还可达到25GHz，且在吸波带宽内，仍然保持90％以上的吸收率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，包括若干结构单元(1)，若干结构单元(1)在二维上呈周期性连续分布，所述结构单元(1)采用透明材料制成；每个结构单元(1)包括中空柱体单元(11)、基板层(12)和背板层(13)，所述背板层(13)附着在基板层(12)的外侧，中空柱体单元(11)固定在基板层(12)内侧；

所述中空柱体单元(11)呈旋转对称性的正N边形中空柱体结构，其中N为偶数，且N≥4；所述中空柱体结构的内壁作为支撑层(111)用于附着导电薄膜层(112)。

2.根据权利要求1所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元(1)。

3.根据权利要求1所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，若干结构单元呈矩形阵列分布。

4.根据权利要求1所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，所述中空柱状单元(11)轴向与基板层(12)板面的夹角为90°，且所述中空柱体结构采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

5.根据权利要求1所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，同一平面内的相邻中空柱体单元(11)之间间隔w与结构单元(1)的尺寸p之比为w/p，满足3/4≥w/p≥1/12；中空柱体单元(11)的高度h与结构单元(1)的尺寸p之比为h/p，满足1.2≥h/p≥0.8。

6.根据权利要求1或5所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，所述结构单元(1)的尺寸p≥0.8λ，其中λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

7.根据权利要求1或5所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，同一平面内的相邻中空柱体单元(11)之间的间隔w为：0.8λ≥w≥0.1λ；中空柱体单元(11)的高度h为：1.5λ≥h≥0.6λ；中空柱体单元(11)在电场极化方向的最大尺寸l为：1.2λ≥l≥0.6λ；其中λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

8.根据权利要求7所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，所述支撑层(111)的厚度g＝0.01λ，导电薄膜层(112)的厚度g₀＝0.001λ。

9.根据权利要求7所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，所述基板层(12)的厚度为d＝0.01λ，背板层(13)的厚度为g₁＝0.001λ。

10.根据权利要求1所述的一种二维立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，其特征在于，所述基板层(12)和支撑层(111)采用透明无机材料；所述背板层(13)和导电薄膜层(112)采用透明导电薄膜，透明导电薄膜形状采用连续导电膜，且其电导率为10²S/m～10⁵S/m。