CN113571918B - 一种基于弓型及其内部对称结构的透明隐身体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，其基本单元结构自上而下包括最上层介质层、上层图案层、上层介质基板、中层介质层、下层反射层、下层介质基板；所述上层图案层包括一个未封闭的弓形环以及环内的对称枝条组成的谐振结构，整个图案层为中心对称图形。本发明结构简单，制备工艺成熟；在保持高透过率的同时，可以实现在一定宽频范围内对电磁波的有效吸收，同时其吸波性能具有良好的角度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体。
背景技术
超材料是一种新型的人工电磁复合材料，它由亚波长结构单元周期或非周期性排列组成，其具有超常的物理特性，如负的磁导率和负介电常数；其性质主要取决于人工结构的具体设计，因此可改变材料单元结构的关键参数来实现特殊的电磁特性，从而实现对电磁波的有效调控。
传统的超材料吸波器，通常采用金属谐振结构和介质的多层叠加来实现对入射电磁波的吸收；另外，还可以采用多层多个谐振单元叠加或引入损耗介质的方式来拓展超材料吸波器的有效吸收带宽；但加工的工艺难度较大，且存在着对可见光不透过的问题，无法应用到某些特定的领域。另外，传统的超材料还存在对斜入射电磁波吸收性能较差的问题，很大程度上降低了其在实际工程应用中的效果。
发明内容
发明目的：为解决超材料吸波器现有技术中存在的问题，进一步提升电磁波的吸收效率以及入射角稳定性，本发明提供了一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体。
本发明采用如下技术方案：一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，基本单元结构自上而下包括最上层介质层、上层图案层、上层介质基板、中层介质层、下层反射层、下层介质基板；所述上层图案层包括一个未封闭的弓形环以及设于未封闭的弓形环内的对称枝条组成的谐振结构，所述上层图案层为中心对称结构。
所述上层图案层与下层反射层的材质均为透明导电材料氧化锌铝、氧化铟锡、掺氟二氧化锡、石墨烯膜、纳米银线、超薄金属中的一种或几种；所述上层图案层通过物理气相沉积镀在上层介质基板上，再由激光刻蚀得到；所述下层反射层通过物理气相沉积镀在下层介质基板上。所述物理气相沉积的方法，包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延中的一种或几种。
进一步地，所述最上层介质层、上层介质基板、中层介质层、下层介质基板均为玻璃材质，所述玻璃材质选自钠钙硅玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、石英玻璃中的一种或几种；所述最上层介质层、上层介质基板、中层介质层、下层介质基板之间通过光学透明粘合剂层间粘结。
进一步地，所述基本单元结构为中心对称图形(如正方形)；所述未封闭的弓型环包括4个尺寸相等的小弓形结构；所述未封闭的弓型环内的对称枝条为X形且尺寸相等的两个枝条；所述小弓形结构包括最内侧枝条、两个中间枝条和两个最外侧枝条，两个中间枝条与最内侧枝条、最外侧枝条分别垂直；所述环内的X形枝条，也可以是其他对称图形，如十字形枝条、米字形枝条、方形环、正六边形环、圆环中的一种或几种。本发明中的枝条指的是上层图案层中组成图案的各条边。
进一步地，令最上层介质层的厚度为h1，上层图案层的厚度为h2，上层介质基板的厚度为h3，中层介质层的厚度为h4，下层反射层的厚度为h5，下层介质基板的厚度为h6；令基本单元结构的边长为P；令组成X形的两个枝条的长度为E，宽度为C；令组成未封闭弓型环的各枝条宽度为B,其中令两个中间枝条的间距为K，两个中间枝条的长度为M，两个最外侧枝条的长度为N；令两个最外侧枝条与基本单元结构边缘的间距为A。各结构参数取值如下:h1＝2～5mm，h2＝50～200nm，h3＝0.1～0.175mm，h4＝2～5mm，h5＝100～300nm，h6＝0.1～0.175mm；P＝12～16mm，E＝0～18mm(0表示没有环内的X形枝条)，C＝0～0.9mm(0表示没有环内的X形枝条)，B＝0.1～0.7mm，K＝2～3.2mm，M＝2.0～3.2mm，N＝2.0～3.2mm，A＝0.1～0.5mm。
有益效果：本发明提供了一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，相比于传统吸波器而言，本发明的结构简单，上层图案层中的图形刻蚀工艺成熟，各层之间只需要通过光学透明粘合剂粘结；最上层介质层和下层介质基板用来保护上层弓型图案层和下层反射层，能有效适应环境，满足实际应用中的需要；具有良好的宽带吸波特性，在电磁波垂直入射时，可以实现在4～12GHz或8～18GHz频率范围内，吸波体的反射振幅小于-10dB；另外，由于图案层中谐振结构图形的高度对称性，其吸波性能具有良好的角度稳定性。
附图说明
图1为弓型透明超材料隐身体单个单元结构的侧视图及尺寸标注。
图2为弓型透明超材料隐身体单个单元结构中图案层的正视图。
图3为弓型透明超材料隐身体单个单元结构中图案层的尺寸标注图。
图4为实施例1在电磁波垂直入射时，弓型透明超材料隐身体的吸收率。
图5为实施例1在电磁波斜入射时，弓型透明超材料隐身体对TE波的吸收率。
图6为实施例1在电磁波斜入射时，弓型透明超材料隐身体对TM波的吸收率。
图7为实施例2中单个单元结构中图案层的正视图。
图8为实施例2在电磁波垂直入射时，弓型透明超材料隐身体的吸收率。
图9为实施例3中单个单元结构中图案层的正视图。
图10为实施例3在电磁波垂直入射时，弓型透明超材料隐身体的吸收率。
图11为实施例4中单个单元结构中图案层的正视图。
图12为实施例4在电磁波垂直入射时，弓型透明超材料隐身体的吸收率。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例，对本发明做进一步的说明。显而易见地，所述具体实施例只是本发明中的一部分实施例，本领域中的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围之内。
实施例1：如图1所示，所述基本单元结构自上而下包括最上层介质层1、上层图案层2、上层介质基板3、中层介质层4、下层反射层5、下层介质基板6。所述上层图案层2为中心对称的谐振结构，包括一个未封闭的弓形环以及环内的对称图形结构；本实施例中的上层图案层2为一个未封闭的弓形环以及环内的对称X形枝条组成的谐振结构，如图2所示的未封闭弓形环内对称的X形枝条，也可以是本领域内的技术人员所能想到的其他对称图形，如十字形枝条、米字形枝条、方形环、正六边形环、圆环。
所述最上层介质层1是钠钙硅玻璃、上层介质基板3、下层介质基板6是聚对苯二甲酸乙二醇酯、中层介质层4是聚甲基丙烯酸甲酯。所述上层图案层2与下层反射层5的材质为氧化铟锡，所述上层图案层2通过磁控溅射镀在上层介质基板3上，再由激光刻蚀得到；所述下层反射层5通过磁控溅射镀在下层介质基板6上。
如图1、图2、图3所示，令最上层介质层1的厚度为h1，上层图案层2的厚度为h2，上层介质基板3的厚度为h3，中层介质层4的厚度为h4，下层反射层5的厚度为h5，下层介质基板6的厚度为h6。令基本单元结构边长为P；令组成X形的枝条7、8的长度为E，宽度为C；令组成未封闭弓型环的各枝条宽度为B,其中令中间枝条10、11的间距为K，中间枝条10、11的长度为M，最外侧枝条12、13的长度为N；令最外侧枝条12、13与基本单元结构边缘的间距为A。本实施例中的各结构参数取值如下:h1＝2.6mm，h2＝50nm，h3＝0.175mm，h4＝3.6mm，h5＝100nm，h6＝0.175mm；P＝15mm，E＝16.48mm，C＝0.88mm，B＝0.59mm，K＝2.7mm，M＝2.0mm，N＝3.1mm，A＝0.1mm。
如图4所示，弓形透明超材料隐身体具有良好的宽带吸波特性，在电磁波垂直入射时，可以实现在4～12GHz频率范围内，吸波体的反射振幅小于-10dB。图5为电磁波不同角度斜入射时，弓型透明超材料隐身体对TE波的吸收率仿真结果；图6为电磁波不同角度斜入射时，弓型透明超材料隐身体对TM波的吸收率仿真结果，由图可知，在4～12GHz频率内，超材料隐身体在45°的入射角范围内都能达到80％的电磁吸收率，表明其吸波性能具有良好的角度稳定性。
实施例2：如图1所示，所述单元结构自上而下包括最上层介质层1、上层图案层2、上层介质基板3、中层介质层4、下层反射层5、下层介质基板6。如图7所示，所述上层图案层2为中心对称的谐振结构，包括一个未封闭的弓形环。
所述最上层介质层1是钠钙硅玻璃、上层介质基板3、下层介质基板6是聚对苯二甲酸乙二醇酯、中层介质层4是聚碳酸酯。所述上层图案层2与下层反射层5的材质为氧化锌铝，所述上层图案层2通过真空蒸镀在上层介质基板3上，再由激光刻蚀得到；所述下层反射层5通过真空蒸镀在下层介质基板6上。
如图1、图7所示，令最上层介质层1的厚度为h1，上层图案层2的厚度为h2，上层介质基板3的厚度为h3，中层介质层4的厚度为h4，下层反射层5的厚度为h5，下层介质基板6的厚度为h6。令基本单元结构边长为P；令组成未封闭弓型环的各枝条宽度为B,其中令中间枝条10、11的间距为K，中间枝条10、11的长度为M，最外侧枝条12、13的长度为N；令最外侧枝条12、13与正方形边长的间距为A。本实施例中的各结构参数取值如下:h1＝3mm，h2＝200nm，h3＝0.1mm，h4＝3mm，h5＝200nm，h6＝0.1mm；P＝14mm，B＝0.2mm，K＝2.9mm，M＝3.2mm，N＝2.0mm，A＝0.2mm。
如图8所示，该透明超材料隐身体具有良好的宽带吸波特性，在电磁波垂直入射时，可以实现在8～18GHz频率范围内，吸波体的反射振幅小于-10dB。
实施例3：如图1所示，所述单元结构自上而下包括最上层介质层1、上层图案层2、上层介质基板3、中层介质层4、下层反射层5、下层介质基板6。如图9所示，所述上层图案层2为中心对称的谐振结构，包括一个未封闭的弓形环以及环内对称的米字型枝条。
所述最上层介质层1是石英玻璃、上层介质基板3、下层介质基板6是聚对苯二甲酸乙二醇酯、中层介质层4是聚碳酸酯。所述上层图案层2与下层反射层5的材质为纳米银线，所述上层图案层2通过离子镀膜在上层介质基板3上，再由激光刻蚀得到；所述下层反射层5通过离子镀膜在下层介质基板6上。
如图1、图9所示，令最上层介质层1的厚度为h1，上层图案层2的厚度为h2，上层介质基板3的厚度为h3，中层介质层4的厚度为h4，下层反射层5的厚度为h5，下层介质基板6的厚度为h6。令基本单元结构为正方形，其边长为P；令组成米字形枝条的宽度都为C，其中枝条7、8的长度为E，枝条14、15的长度为D；令组成未封闭弓型环的各枝条宽度为B,其中令中间枝条10、11的间距为K，中间枝条10、11的长度为M，最外侧枝条12、13的长度为N；令最外侧枝条12、13与正方形边长的间距为A。本实施例中的各结构参数取值如下:h1＝4mm，h2＝150nm，h3＝0.175mm，h4＝2.8mm，h5＝150nm，h6＝0.175mm；P＝15mm，E＝14mm，C＝0.5mm，D＝6mm，B＝0.4mm，K＝2.7mm，M＝2.0mm，N＝2.7mm，A＝0.1mm。
如图10所示，该透明超材料隐身体具有良好的宽带吸波特性，在电磁波垂直入射时，可以实现在8～18GHz频率范围内，吸波体的反射振幅小于-10dB。
实施例4：如图1所示，所述单元结构自上而下包括最上层介质层1、上层图案层2、上层介质基板3、中层介质层4、下层反射层5、下层介质基板6。如图9所示，所述上层图案层2为中心对称的谐振结构，包括一个未封闭的弓形环以及环内对称的圆环结构。
所述最上层介质层1是石英玻璃、上层介质基板3、下层介质基板6是聚对苯二甲酸乙二醇酯、中层介质层4是聚甲基丙烯酸甲酯。所述上层图案层2与下层反射层5的材质为掺氟二氧化锡，所述上层图案层2通过分子束外延镀在上层介质基板3上，再由激光刻蚀得到；所述下层反射层5通过分子束外延镀在下层介质基板6上。
如图1、图11所示，令最上层介质层1的厚度为h1，上层图案层2的厚度为h2，上层介质基板3的厚度为h3，中层介质层4的厚度为h4，下层反射层5的厚度为h5，下层介质基板6的厚度为h6。令基本单元结构边长为P；令圆环的内径为C,外径为E；令组成未封闭弓型环的各枝条宽度为B,其中令中间枝条10、11的间距为K，中间枝条10、11的长度为M，最外侧枝条12、13的长度为N；令最外侧枝条12、13与正方形边长的间距为A。本实施例中的各结构参数取值如下:h1＝5mm，h2＝200nm，h3＝0.125mm，h4＝3.5mm，h5＝200nm，h6＝0.125mm；P＝16mm，E＝3.2mm，C＝2.8mm，B＝0.6mm，K＝3.0mm，M＝2.5mm，N＝2..8mm，A＝0.1mm。
如图12所示，在电磁波垂直入射时，可以实现在8～18GHz频率范围内，吸波体的反射振幅小于-10dB。
以上具体阐述了本发明的具体实施例以及原理和精神。对于本领域中的技术人员应该了解到，在不脱离本发明的原理和精神的条件下，本发明还可以做出各种改进和变形；比如改动各结构参数的数值，或者改变未封闭弓形环内的X形结构为其他对称图形，使其结构与性能与上述实施例不同，这些改进和变形都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。
Claims (5)
1.一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，其特征在于:所述透明超材料隐身体的基本单元结构自上而下包括最上层介质层、上层图案层、上层介质基板、中层介质层、下层反射层、下层介质基板；所述上层图案层包括一个未封闭的弓形环以及设于未封闭的弓形环内的对称枝条组成的谐振结构，所述上层图案层为中心对称结构；所述基本单元结构为中心对称图形；所述未封闭的弓型环包括4个尺寸相等的小弓形结构；所述未封闭的弓型环内的对称枝条为X形且尺寸相等的两个枝条；所述小弓形结构包括最内侧枝条、两个中间枝条和两个最外侧枝条，两个中间枝条与最内侧枝条、最外侧枝条分别垂直连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，其特征在于:所述上层图案层与下层反射层的材质均为透明导电材料氧化锌铝、氧化铟锡、掺氟二氧化锡、石墨烯膜、纳米银线、超薄金属中的一种或几种；所述上层图案层通过物理气相沉积镀在上层介质基板上，再由激光刻蚀得到；所述下层反射层通过物理气相沉积镀在下层介质基板上。
3.根据权利要求2所述的一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，其特征在于:所述物理气相沉积的方法为真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜或分子束外延。
4.根据权利要求1所述的一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，其特征在于:所述最上层介质层、上层介质基板、中层介质层、下层介质基板均为玻璃材质，所述玻璃材质选自钠钙硅玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、石英玻璃中的一种或几种；所述最上层介质层、上层介质基板、中层介质层、下层介质基板之间通过光学透明粘合剂层间粘结。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于弓型及其内部对称结构的透明超材料隐身体，其特征在于: 令最上层介质层的厚度为h1，上层图案层的厚度为h2，上层介质基板的厚度为h3，中层介质层的厚度为h4，下层反射层的厚度为h5，下层介质基板的厚度为h6；令基本单元结构的边长为P；令组成X形的两个枝条的长度为E，宽度为C；令组成未封闭弓型环的各枝条宽度为B,其中令两个中间枝条的间距为K，两个中间枝条的长度为M，两个最外侧枝条的长度为N；令两个最外侧枝条与基本单元结构边缘的间距为A；各结构参数取值如下:h1=2～5mm，h2=50～200nm，h3=0.1～0.175mm，h4=2～5mm，h5=100～300nm，h6=0.1～0.175mm；P＝12～16mm，E＝0～18mm,E=0表示环内没有X形枝条，C＝0～0.9mm,C=0表示环内没有X形枝条，B＝0.1～1.2mm，K＝2～3.2mm，M＝2.0～3.2mm，N＝2.0～3.2mm，A=0.1～0.5mm。
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| CN202110710379.5A Active CN113571918B (zh) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 一种基于弓型及其内部对称结构的透明隐身体 |
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| CN102067380A (zh) * | 2008-05-19 | 2011-05-18 | 盖尔创尼克斯有限公司 | 整合式天线 |
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-
2021
- 2021-06-25 CN CN202110710379.5A patent/CN113571918B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 雷达吸波隐身材料的进展及发展趋势;李旺昌;周祥;应耀;张旭;姜力强;车声雷;;材料导报(S2);第1-6页 * |
Also Published As
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