CN110505798A - 一种蜂窝状超材料透明吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝状超材料透明吸波体，包括若干结构单元，若干结构单元在二维上周期性连续分布呈蜂窝状，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，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；中空柱体单元为中空柱体结构，中空柱体结构的径向截面呈正六边形，中空柱体结构的侧壁作为支撑层，支撑层内壁附着导电薄膜层；任意相邻的两个中空柱体单元之间的间隙为0。本发明获得的吸波体具有良好的电磁吸收特性和光学透过性，吸波体在5.3GHz～25GHz频段内吸收率A在90％以上；在波长430nm～800nm范围内，吸波体的透光率达80％以上，具有良好的可见光透过率。

Description

一种蜂窝状超材料透明吸波体
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种蜂窝状超材料透明吸波体。
背景技术
吸波材料是指能吸收投射到它表面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，在电磁兼容等领域取得了非常广泛的应用。
各种电子电气设备为人类生活提供了方便，吸波材料也向多功能性发展，如为了能够满足吸波体在电子不停车收费系统、射频识别系统等方面的需求，吸波体需要满足同时具备宽带的吸波性能和高的可见光透过率。而传统的吸波体由于吸波介质对可见光有很强的吸收作用，一般呈现处黑色，无法满足透明需求。随着科学技术的发展，在微波领域的电磁吸波材料研究中，设计出满足“薄、轻、宽、强”的性能要求、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。在现有研究中，如专利CN109766630A中提供的一种蜂窝吸波材料，但无法实现可见光透过性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：常规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蜂窝状超材料透明吸波体，尤其适用于在大型电子不停车收费系统的可视化视窗上，能大幅缩减外来信号干扰。
本发明通过下述技术方案实现：
一种蜂窝状超材料透明吸波体，包括若干结构单元，若干结构单元在二维上周期性连续分布呈蜂窝状，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；
所述中空柱体单元为中空柱体结构，中空柱体结构的径向截面呈正六边形，中空柱体结构的侧壁作为支撑层，支撑层内壁附着导电薄膜层；任意相邻的两个中空柱体单元之间的间隙为0。
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，所述中空柱状单元轴向与基板层板面的夹角为90°。
进一步地，所述中空柱体单元的高度为h，满足1.5λ≥h≥0.6λ；中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸为L，满足1.2λ≥L≥0.6λ；其中λ是指吸波频段的最短波长λmin。
进一步地，中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸L与中空柱体单元的高度h之比满足：1.1≥L/h≥0.9。
进一步地，所述支撑层的厚度为g＝0.001λ，所述导电薄膜层的厚度为g0＝0.001λ；λ是指吸波频段的最短波长λmin。
进一步地，所述基板层的厚度为d＝0.01λ，所述背板层的厚度为g1＝0.001λ；λ是指吸波频段的最短波长λmin。
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。
进一步地，所述导电薄膜层采用镂空的、连续导电薄膜。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的吸波体具有蜂窝单元周期性排列结构，且其内壁薄膜层为具有兼顾透光性又具有一定阻抗的透明导电薄膜层，获得的吸波体具有良好的电磁吸收特性和光学透过性，吸波体在5.3GHz～25GHz频段内吸收率A在90％以上，在波长430nm～800nm范围内，吸波体的透光率达80％以上，具有良好的可见光透过率。
2、本发明提供的吸波体，蜂窝结构中的中空柱体单元之间没有间隔，以此保证吸波体物理结构稳定，导电薄膜层和背板层均采用导电薄膜结构，中空柱体单元和导电薄膜层均可采用镂空结构，同时既能减少材料用量以保证质量较轻；且多孔结构利于散热，使其适用于高温、高功率的环境，缓解吸波材料的热胀特性。
3、本发明提供的吸波体，其中空柱体单元具有良好旋转对称性的正六边形柱体结构，且该结构中间为镂空状。此种蜂窝单元设计可以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的同时具有高可见光透过性。
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E→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。
如在yoz平面为例，波的传播方向与z轴的夹角在0～45°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。
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为本发明的蜂窝状吸波体周期阵列模型；
图2为本发明的蜂窝状吸波体的任意相邻三个结构单元结构示意图；
图3为本发明的蜂窝状吸波体的吸波曲线；
图4为本发明的蜂窝状吸波体的透光率曲线。
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，，111-支撑层，112-导电薄膜层，12-基板层，13-背板层。
附图中参数定义：
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。
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
本实施例提供一种蜂窝状超材料透明吸波体，包括多个结构单元1，多个结构单元1在二维上周期性连续分布呈蜂窝状。结构单元1均采用透明材料制成；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为中空柱体结构，中空柱体结构的径向截面呈正六边形，中空柱体结构的侧壁作为支撑层111，支撑层111内壁附着导电薄膜层112；任意相邻的两个中空柱体单元11之间的间隙为0，即各个中空柱体单元11之间的侧壁相互靠近接触。
实施例2
本实施例提供一种蜂窝状超材料透明吸波体，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。中空柱状单元11轴向与基板层12板面的夹角为90°，具体结构参数如下：
中空柱体单元11的高度为h，满足1.5λ≥h≥0.6λ；中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸为L，满足1.2λ≥L≥0.6λ；优选，中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸L与中空柱体单元11的高度h之比满足：1.1≥L/h≥0.9。
支撑层111的厚度为g＝0.001λ，导电薄膜层112的厚度为g0＝0.001λ。
基板层12的厚度为d＝0.01λ，背板层13的厚度为g1＝0.001λ。
研究的典型的L\S\C\X\Ku波段设定吸波频段：fmin～fmax，对应电磁波长：λmin～λmax，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，一般地，按照在雷达频段内最短的电磁波长来定义设计吸波体。因此，本发明中所提到的λ一般都指最短波长λmin。
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，如一些刻蚀为片状、环状等其他花纹的薄膜形状；且其电导率为102S/m～105S/m；优选，导电薄膜层112采用镂空的、连续导电薄膜。
实施例3
本实施例提供一种蜂窝状超材料透明吸波体，在实施例2的基础上进一步改进，
本案例最短波长λ为10mm，其中：
同一平面内的相邻中空柱体单元11之间隙为0；
中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸L＝0.8λ；
中空柱体单元11高度h＝1.0λ；
支撑层111的厚度为g＝0.001λ；
导电薄膜层112的厚度为g0＝0.001λ。；
基板层12的厚度为d＝0.01λ；
背板层13的厚度为g1＝0.001λ。
其中背板层13和导电薄膜层112均采用ITO阻抗薄膜，其电导率为103S/m，其中支撑层111和基板层12均采用为无机玻璃，其相对介电常数ε＝3*(1-j0.03)。
将实施例3提供的吸波体进行性能测试，测试结果如下：
1、宽带吸波和高透光率性能
(1)宽吸波频段：
从吸波体曲线图3可以看出，实施例3提供的吸波体在5.3GHz～25GHz频段内吸收率A在90％以上；且实施例3提供的吸波体在中高频有多个谐振峰，使得吸波体在中高频带具有良好的强吸波特性。
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4，可以看出在波长430nm～800nm范围内，实施例3提供的吸波体的透光率达80％以上，具有良好的可见光透过率。
2、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3提供的吸波体，在5.3GHz～25GHz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0～45°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3提供的吸波体，在0°是的吸波带宽为19.7GHz；在45°时，吸波带宽还可达到19.7GHz，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 (8)

1.一种蜂窝状超材料透明吸波体，其特征在于，包括若干结构单元(1)，若干结构单元(1)在二维上周期性连续分布呈蜂窝状，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)为中空柱体结构，中空柱体结构的径向截面呈正六边形，中空柱体结构的侧壁作为支撑层(111)，支撑层(111)内壁附着导电薄膜层(112)；任意相邻的两个中空柱体单元(11)之间的间隙为0。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，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所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，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°。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，其特征在于，所述中空柱体单元(11)的高度为h，满足1.5λ≥h≥0.6λ；中空柱体单元(11)在电场极化方向的最大尺寸为L，满足1.2λ≥L≥0.6λ；其中λ是指吸波频段的最短波长λmin。
5.根据权利要求4所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，其特征在于，中空柱体单元(11)在电场极化方向的最大尺寸L与中空柱体单元(11)的高度h之比满足：1.1≥L/h≥0.9。
6.根据权利要求1所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，其特征在于，所述支撑层(111)的厚度为g＝0.001λ，所述导电薄膜层(112)的厚度为g0＝0.001λ；λ是指吸波频段的最短波长λmin。
7.根据权利要求1或4所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，其特征在于，所述基板层(12)的厚度为d＝0.01λ，所述背板层(13)的厚度为g1＝0.001λ；λ是指吸波频段的最短波长λmin。
8.根据权利要求1或4所述的一种蜂窝状超材料透明吸波体，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。
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