CN111430926A - 一种可见光透过的极化不敏感的低rcs超宽带超材料吸波体 - Google Patents

一种可见光透过的极化不敏感的低rcs超宽带超材料吸波体 Download PDF

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Abstract

一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，它属于电磁波和新型人工电磁材料领域。本发明要解决现有超材料吸波体无法同时兼顾高透过率、超宽频带吸收、低剖面和低雷达散射截面积的问题。它自上而下依次由图案化阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及透明导电薄膜组成；所述的图案化阻抗膜层由阵列的N×M个透明图案化阻抗膜单元组成；所述的透明图案化阻抗膜单元的形状为1个位于中央的大圆和周围均匀分布的4个小圆交叠而成。本发明可以在保持高透过率的同时，在超宽频带内实现电磁波的吸收和RCS的降低，同时具有极化不敏感、低剖面的优异特性以及良好的角度稳定性。

Description

一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体
技术领域
本发明属于电磁波和新型人工电磁材料领域。
背景技术
微波吸收体可以有效吸收入射电磁波并使其散射衰减而不会产生二次污染，被广泛应用于衰减雷达回波强度、电磁兼容、微波暗室等国防军工和民用技术领域之中，而且大多数的应用都对宽频带吸收有强烈需求。
典型微波吸收体Salisbury屏吸收强但吸收频带很窄，为进一步拓宽吸收频带，通过多层结构设计得到Jaumann屏，但是增加了厚度。
新型人工电磁超材料吸波体，通常由亚波长周期导电图案层，中间介质及接地表面构成，可设计性很强，更容易实现同时兼顾低剖面，宽频带下的强吸收等优异性能。
通过合适的介质层材料、导电层材料及人工结构的设计，可以得到光学波段透明的超材料吸波体，能够满足在飞机座舱，高速公路的自动收费系统(ETC)，无线通信等应用的需求。
例如，T.Jang,H.Youn,Y.J.Shin,and L.J.Guo于2014年在ACS Photonics期刊第一期第279-284页公开了"Transparent and Flexible Polarization-IndependentMicrowave Broadband Absorber"，提出了一种使用铝金属网栅进行图案化设计的透明超材料吸波体，可以在5.8GHz～12.2GHz内实现90％以上的吸收，但无法满足大多数吸波应用吸波频带大于10GHz的要求。武汉理工大学在专利“一种立式透明超材料吸收体”(申请号：CN201610079121.9，申请公开号：CN105552566A)公开了一种利用透明超材料单元嵌入在透明平板基体中形成周期性阵列的透明超材料吸波体以实现宽带吸收，但是该吸波体的优良吸波特性只限于在特定的极化下才能实现。
目前，发展一种同时兼顾高透过率、超宽频带吸收、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)等多种优异特性的超材料吸波体仍然是一个亟待解决且具有实际应用意义的难题。
发明内容
本发明要解决现有超材料吸波体无法同时兼顾高透过率、超宽频带吸收、低剖面和低雷达散射截面积的问题，而提供一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体。
一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，它自上而下依次由图案化阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及透明导电薄膜组成；
所述的图案化阻抗膜层厚度为0.01μm～3μm；所述的第一透明基体及第二透明基体厚度均为0.05mm～2mm；所述的中间透明介质层厚度为1mm～8mm；所述的透明导电薄膜厚度为0.01μm～3μm；
所述的图案化阻抗膜层由阵列的N×M个透明图案化阻抗膜单元组成；所述的N≥12列，所述的M≥12行，且相邻透明图案化阻抗膜单元之间的最小距离为0.1mm～5mm；
所述的透明图案化阻抗膜单元的形状为1个位于中央的大圆和周围均匀分布的4个小圆交叠而成；所述的大圆直径为4mm～10mm；所述的小圆直径为1mm～5mm；所述的大圆与小圆圆心之间的距离为2mm～8mm。
本发明的有益效果是：
第一，本发明中刻蚀的图案化阻抗膜单元图案简单且吸波体结构简单，克服了现有技术中吸波材料结构复杂，工程实现性差的缺点，使得本发明易加工，成本低，具有良好的工程可实现性。
第二，本发明设计的超材料吸波体结构通过单层图案化阻抗膜可以产生三个谐振峰，使得吸波体在保证良好透光率(可见光透明度不低于75％)的同时，具有超宽带吸波的特点(吸收率大于90％的相对带宽可达到125％)，此外还具有极化不敏感和低剖面的优异特性以及较好的角度稳定性。
第三，本发明可以实现C、X、K雷达波段内雷达散射截面积(RCS)降低10dB，而且吸收频带大于10GHz，在军事方面具有很大的应用潜力。
本发明用于一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体。
附图说明
图1为本发明可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体中只含有一个透明图案化阻抗膜单元的结构示意图，1为透明图案化阻抗膜单元，2为第一透明基体，3为中间透明介质层，4为第二透明基体，5为透明导电薄膜；
图2为图1的俯视图，11为大圆，12为小圆，U为大圆直径，V为小圆直径，Y为大圆与小圆圆心之间的距离；
图3为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在电磁波垂直入射时的吸收率仿真结果图；
图4为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体与良导体PEC的单站RCS仿真结果的对比图，a为良导体PEC，b为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体；
图5为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为0°时的吸收率仿真结果图；
图6为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为15°时的吸收率仿真结果图；
图7为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为30°时的吸收率仿真结果图；
图8为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为45°时的吸收率仿真结果图；
图9为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在不同俯仰角下对TE波的吸收率仿真结果图，a为俯仰角0°，b为俯仰角15°，c为俯仰角30°，d为俯仰角45°；
图10为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在不同俯仰角下对TM波的吸收率仿真结果图，a为俯仰角0°，b为俯仰角15°，c为俯仰角30°，d为俯仰角45°。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至2具体说明，本实施方式一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，它自上而下依次由图案化阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及透明导电薄膜组成；
所述的图案化阻抗膜层厚度为0.01μm～3μm；所述的第一透明基体及第二透明基体厚度均为0.05mm～2mm；所述的中间透明介质层厚度为1mm～8mm；所述的透明导电薄膜厚度为0.01μm～3μm；
所述的图案化阻抗膜层由阵列的N×M个透明图案化阻抗膜单元组成；所述的N≥12列，所述的M≥12行，且相邻透明图案化阻抗膜单元之间的最小距离为0.1mm～5mm；
所述的透明图案化阻抗膜单元的形状为1个位于中央的大圆和周围均匀分布的4个小圆交叠而成；所述的大圆直径为4mm～10mm；所述的小圆直径为1mm～5mm；所述的大圆与小圆圆心之间的距离为2mm～8mm。
本具体实施方式所述的图案化阻抗膜层为单层膜，经紫外激光微加工设备刻蚀加工后形成阵列的多个透明图案化阻抗膜单元，并附着在第一透明基体上，所述的一张完整的透明导电薄膜附着于第二透明基体上。
本实施方式的有益效果是：
第一、本具体实施方式中刻蚀的图案化阻抗膜单元图案简单且吸波体结构简单，克服了现有技术中吸波材料结构复杂，工程实现性差的缺点，使得本具体实施方式易加工，成本低，具有良好的工程可实现性。
第二，本具体实施方式设计的超材料吸波体结构通过单层图案化阻抗膜可以产生三个谐振峰，使得吸波体在保证良好透光率(可见光透明度不低于75％)的同时，具有超宽带吸波的特点(吸收率大于90％的相对带宽可达到125％)，此外还具有极化不敏感和低剖面的优异特性以及较好的角度稳定性。
第三、本具体实施方式可以实现C、X、K雷达波段内雷达散射截面积(RCS)降低10dB，而且吸收频带大于10GHz，在军事方面具有很大的应用潜力。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的中间透明介质层的材质为透明高分子和透明无机材料中的一种或两种。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的中间透明介质层为空气，具体为以透明复合材料制备四周支撑架，以第一透明基体为上顶，以第二透明基体为下底，内部填充空气。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的透明复合材料为聚甲基丙烯酸甲酯。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的中间透明介质层的相对介电常数为1～6。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的第一透明基体及第二透明基体的材质均为石英玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、普通玻璃、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或其中几种。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的第一透明基体及第二透明基体相对介电常数均为1～6。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的图案化阻抗膜层及透明导电薄膜的材质均为铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的二氧化锡或氧化铟锡。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的图案化阻抗膜层的方阻为10Ω/sq～400Ω/sq。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的透明导电薄膜的方阻为1Ω/sq～50Ω/sq。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
结合图1至2具体说明，一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，它自上而下依次由图案化阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及透明导电薄膜组成；
所述的图案化阻抗膜层厚度为0.3μm；所述的第一透明基体厚度为50μm；所述的中间透明介质层厚度为5.8mm；所述的第二透明基体厚度为150μm；所述的透明导电薄厚度为0.3μm；
所述的图案化阻抗膜层由阵列的N×M个透明图案化阻抗膜单元组成；且相邻透明图案化阻抗膜单元之间的最小距离为0.1mm；
所述的透明图案化阻抗膜单元的形状为1个位于中央的大圆和周围均匀分布的4个小圆交叠而成；所述的大圆直径U＝7.4mm；所述的小圆直径V＝3.2mm；所述的大圆与小圆圆心之间的距离Y＝5.2mm。
所述的中间透明介质层为空气，相对介电常数为1，具体为以透明复合材料制备四周支撑架，以第一透明基体为上顶，以第二透明基体为下底，内部填充空气。
所述的第一透明基体及第二透明基体的材质均为聚对苯二甲酸乙二醇酯，相对介电常数均为3。
所述的图案化阻抗膜层及透明导电薄膜的材质均为氧化铟锡。
所述的图案化阻抗膜层的方阻为100Ω/sq；所述的透明导电薄膜的方阻为5Ω/sq。
所述的图案化阻抗膜层为单层膜，经紫外激光微加工设备刻蚀加工后形成阵列的多个透明图案化阻抗膜单元，并附着在第一透明基体上，所述的透明导电薄膜为一张完整的薄膜附着于第二透明基体上。
图3为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在电磁波垂直入射时的吸收率仿真结果图；其中仿真时设定所述的N≥12列，所述的M≥12行。由图可知，在4.3GHz～18.7GHz内吸收率均在90％以上，吸收带宽为125％，吸收频带大于10GHz。
图4为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体与良导体PEC的单站RCS仿真结果的对比图，a为良导体PEC，b为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体；其中仿真时设定所述的N＝12列，所述的M＝12，所述的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体与良导体PEC的尺寸均为207mm×207mm。由图可知，实施例一制备的超材料吸波体在4.3GHz～18.7GHz内的RCS值相对于良导体均降低10dB。
图5为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为0°时的吸收率仿真结果图；图6为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为15°时的吸收率仿真结果图；图7为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为30°时的吸收率仿真结果图；图8为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在方位角为45°时的吸收率仿真结果图；其中仿真时设定所述的N≥12列，所述的M≥12行。由图可知，实施例一制备的超材料吸波体具有极化不敏感的优良特性。
图9为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在不同俯仰角下对TE波的吸收率仿真结果图，a为俯仰角0°，b为俯仰角15°，c为俯仰角30°，d为俯仰角45°；图10为实施例一制备的可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体在不同俯仰角下对TM波的吸收率仿真结果图，a为俯仰角0°，b为俯仰角15°，c为俯仰角30°，d为俯仰角45°；其中所述的N≥12列，所述的M≥12行。由图可知，实施例一制备的超材料吸波体在45°内的入射角都能保证有85％以上的吸收率，说明所述超材料吸波体具有较好的角度稳定性。
且依据中间透明介质层厚度为5.8mm(0.083λL，λL为吸收频带的最低频点对应的波长)说明，本实施例具有低剖面的特性。

Claims (10)

1.一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于它自上而下依次由图案化阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及透明导电薄膜组成；
所述的图案化阻抗膜层厚度为0.01μm～3μm；所述的第一透明基体及第二透明基体厚度均为0.05mm～2mm；所述的中间透明介质层厚度为1mm～8mm；所述的透明导电薄膜厚度为0.01μm～3μm；
所述的图案化阻抗膜层由阵列的N×M个透明图案化阻抗膜单元组成；所述的N≥12列，所述的M≥12行，且相邻透明图案化阻抗膜单元之间的最小距离为0.1mm～5mm；
所述的透明图案化阻抗膜单元的形状为1个位于中央的大圆和周围均匀分布的4个小圆交叠而成；所述的大圆直径为4mm～10mm；所述的小圆直径为1mm～5mm；所述的大圆与小圆圆心之间的距离为2mm～8mm。
2.根据权利要求1所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的中间透明介质层的材质为透明高分子和透明无机材料中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的中间透明介质层为空气，具体为以透明复合材料制备四周支撑架，以第一透明基体为上顶，以第二透明基体为下底，内部填充空气。
4.根据权利要求3所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的透明复合材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
5.根据权利要求2或3所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的中间透明介质层的相对介电常数为1～6。
6.根据权利要求1所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明基体及第二透明基体的材质均为石英玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、普通玻璃、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或其中几种。
7.根据权利要求6所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明基体及第二透明基体相对介电常数均为1～6。
8.根据权利要求1所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的图案化阻抗膜层及透明导电薄膜的材质均为铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的二氧化锡或氧化铟锡。
9.根据权利要求8所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的图案化阻抗膜层的方阻为10Ω/sq～400Ω/sq。
10.根据权利要求1所述的一种可见光透过的极化不敏感的低RCS超宽带超材料吸波体，其特征在于所述的透明导电薄膜的方阻为1Ω/sq～50Ω/sq。
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