CN113948875B - 分形结构电磁吸波超材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种分形结构电磁吸波超材料及其制备方法，属于电磁功能材料领域，用于解决宽频带微波吸收超材料可定量选择吸收频点的问题，要点是电磁吸波超材料从上至下包括三层：图案层、介质层和反射层，所述图案层是由5阶斐波那契分形螺旋线旋转不同角度后叠加的结构组成，效果是电磁吸波超材料在亚波长尺度下实现2‑18GHz范围内的多频点吸收可选择特性和宽频吸波性能，可应用到微波暗室、5G电子设备、飞机、军用车辆及设施等。
Description
技术领域
本发明属于电磁功能材料领域，具体涉及一种斐波那契螺旋线分形结构的可调频微波吸收超材料。
背景技术
电磁波通讯技术的快速发展给人们日常生活带来了便利，同时也产生了电磁污染。微波吸收材料可以有效消除或吸收电磁波，能有效解决这一问题。由于传统吸波材料厚度大、密度大以及制备工艺复杂，严重限制其在各领域的实际应用。自2008年Landy首次提出完美超材料吸波体设计，超材料在吸波领域得到广泛研究。由于超材料其固有的自然共振特性和高品质因子，大多数超材料具有强吸收的优点，但是吸收带宽相对较窄。
为了拓宽有效吸收带宽，最简单的方法是将具有不同共振频率的谐振单元叠加到一个超级单元中。然而设计具有不同谐振频率的单元结构不仅工作量巨大，而且由于单元间的相互耦合作用，谐振模可能被简并而不能线性叠加。由于自相似特性，简单的分形结构也能在电磁响应中提供多个谐振模，此外分形结构还具有较高的填充率，可以提高空间利用率，便于微波器件的小型化和集成化。
发明内容
本发明旨在解决现有技术所存在的上述不足，根据斐波那契分形螺旋线结构，提供一种结构简单，可定量选择吸收频点的宽频带微波吸收超材料，所使用的分形螺旋线结构在有限空间内可以产生更多的谐振模，根据推出的共振频率与初始弧半径的对数关系，可以按需定制相关微波器件。所提出的结构设计新颖、制备工艺简单、成本低、易于实现，应用广泛。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种分形结构电磁吸波超材料，主要由图案层、介质层和反射层组装而成，所述图案层由图案结构单元在二维平面周期性阵列分布，各图案结构单元由若干不同的分形螺旋线结构排列而成，各图案结构单元的分形螺旋线结构排列方式一致。
作为技术方案的补充，图案结构单元由4种不同的分形螺旋线结构以2×2 的方式排列而成，4种分形螺旋线结构是以5阶分形螺旋线为基础结构旋转不同角度叠加而成，旋转的角度分别为0°、45°、90°和180°，叠加分形螺旋线的数量分别为1、2、4和8，所述的5阶分形螺旋线是由5段1/4圆弧连接而成的螺旋结构，r、m分别表示1/4圆弧的外半径和分形迭代的阶数，1/4圆弧的半径符合斐波那契序列rm+2＝rm+1+rm，rm为第m阶分形1/4圆弧的半径。
作为技术方案的补充，r1＝r2＝0.8mm，5阶分形螺旋线宽为0.2mm，厚度为0.035mm，周期为10mm。
作为技术方案的补充，所述的分形螺旋结构的材料选自导电金属。
作为技术方案的补充，所述的分形螺旋结构的材料选自导电金属中的铜、铁、铝中的任意一种。
作为技术方案的补充，所述的介质层材料为FR-4板、聚酰亚胺或聚酯中的任意一种，介电常数为3.6～4.2，介质基板厚度为1.6mm～3.2mm。
作为技术方案的补充，所述的反射层材料自导电金属中的铜或铁或铝。
本发明还公开了一种任一项所述分形结构电磁吸波超材料的制备方法，包括
选择介质层为FR-4的双面覆铜板，介质层厚度为1mm，双面铜的厚度均为0.035mm，
对基板进行表面清洁度和粗糙度的处理，通过热压的方式贴上感光干膜，将底片与压好干膜的基板对位，在曝光机上利用紫外光的照射，将底片图形转移到感光干膜上；
用显影液碳酸钠将未曝光的干膜溶解冲洗掉，已经曝光的图案部分保留，未经曝光的干膜会露出铜面，用酸性氯化铜溶解这部分露出的铜面，再将保护铜面的已曝光的干膜用氢氧化钠溶液剥掉，露出的铜结构，将覆铜板切割成200× 200mm大小，最后进行表面处理。
有益效果：本发明中将4个5阶斐波那契分形螺旋线旋转不同角度后叠加组成图案结构单元，将若干个图案结构单元在二维平面上周期性阵列分布，形成可实现宽带吸收和偏振不敏感的超薄微波吸收超材料。电磁波入射到螺旋结构会产生多重电感电容共振，螺旋线感应出很强的表面电流，进而产生强吸收。根据螺旋天线的互辐射效应理论，周期性的螺旋结构中存在的自辐射和互辐射协同效应产生交叉耦合效应，从而导致吸收带宽的拓宽。本发明还提出了超材料共振频率与初始圆弧半径的对数关系，为开发定量选择吸收频率的超材料提供新的理论设计。
附图说明
图1为吸波超材料的立体结构示意图。
图2为5阶分形螺旋线示意图。
图3为将5阶分形螺旋线旋转不同角度叠加得到的大结构单元示意图。
图4为不同分形阶数螺旋线的微波反射损耗测试结果。
图5为5阶分形螺旋线吸收频点与初始圆弧外半径的对数关系。
图6为合并后的结构单元的微波反射损耗测试结果。
图7为吸波超材料的电场沿着x轴方向的TE极化波谱。
图8为吸波超材料的电场沿着y轴方向的TE极化波谱。
图9为吸波超材料的磁场沿着x轴方向的TM极化波谱。
图10为吸波超材料的磁场沿着y轴方向的TM极化波谱。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进一步进行清楚、完整地描述，但不仅仅局限于下面的实施例。
超材料结构单元对入射电磁波有相应的电磁响应特性，从而产生共振吸收，在有限的空间内采用斐波那契螺旋线这种具有自相似特性的分形结构可以产生更多的谐振模，共振吸收频点在结构尺寸上的对数关系也符合斐波那契螺旋线在空间上的位向关系。因此根据此分形结构的电磁响应特性设计一种分形结构微波吸收超材料，如图1所示，该电磁超材料从上至下包括三层：图案层、介质层和反射层；所述超材料的图案结构单元(图3)由4种不同的小单元以2×2的方式排列组成，小单元分别是由5阶分形螺旋线(图2)旋转不同角度后叠加而成。如图3所示，5阶分形螺旋线是由5段1/4圆弧连接而成的螺旋结构，旋转的角度分别为0°、45°、90°和180°，叠加分形螺旋线的数量分别为1、2、4和 8，r、m分别表示圆弧的外半径和分形迭代的阶数，如图2所示，圆弧的半径符合斐波那契序列rm+2＝rm+1+rm，r1＝r2＝0.8mm，线宽为0.2mm，厚度为0.035mm，周期为10mm。分形螺旋结构的材料可以选用铜、铁、铝或其他导电率较高的金属等。图案结构单元在二维平面周期性阵列分布形成图案层。介质层材料为FR-4板、聚酰亚胺或聚酯中的任意一种，介电常数为3.6～4.2，介质基板厚度为1.6mm～3.2mm。分形螺旋线的每一段1/4圆弧都可以看作一个开口谐振环，可以产生电感电容共振，结构单元的等效电容比等效电感小几个数量级，因此电感是影响吸收共振频率的主要因素，而螺旋结构的等效电感主要由螺旋线的匝数和几何尺寸决定，对于分形螺旋线也就是分形阶数和初始圆弧半径。增加分形阶数会产生额外的共振模，有利于宽频化的实现，在2-18GHz的入射电磁波下，5阶分形螺旋线明显产生了更多的电磁响应。图4证明了这一点。随着初始圆弧半径的增加，吸收频率向低频移动，且共振频率与初始圆弧半径之间存在对数关系(图5)，据此本发明首次提出通过分形螺旋线确定谐振频率，也就证明这种分形螺旋结构在选择吸收频点具有定量的优势。制备介质层厚度为3.2mm的分形结构超材料，其平均吸收率大于82.9％(反射损耗RL≤-7dB)的有效吸收带宽为10.82-14.18GHz，最大吸收率为96％(图6)。尽管所设计的超材料结构不具备对称性，但是在所有的偏振模式下仍保证良好的极化不敏感特性(图7、8、9、10)，电磁波通常并非是正入射，极化不敏感这一特性具有重要的实际应用价值。
在一种实施例中，对所述分形结构微波吸收超材料的制备方法说明。首先，选择介质层为FR-4的双面覆铜板，介质层厚度为1mm，双面铜的厚度均为0.035mm。对基板进行表面清洁度和粗糙度的处理，然后通过热压的方式贴上感光干膜，将底片与压好干膜的基板对位，在曝光机上利用紫外光的照射，将底片图形转移到感光干膜上。
然后用显影液碳酸钠将未曝光的干膜溶解冲洗掉，已经曝光的图案部分保留，未经曝光的干膜会露出铜面，用酸性氯化铜溶解这部分露出的铜面，然后再将保护铜面的已曝光的干膜用氢氧化钠溶液剥掉，这就露出了所设计的铜结构，将覆铜板切割成200×200mm大小，最后进行表面处理。
这种制备方法是典型的pcb板制作工艺，由于所设计的图案尺寸较小，手工制作带有图案的铜结构不太容易，所以选择了pcb板。现在还有很多其他的方法可以制作，例如金属3D打印，可以在介质层上打印金属图案，成本较高。如果设计的图案尺寸较大，可以在FR4基板上贴带胶铜(或其他金属)箔，制作带有设计图案的模具，手工刻画。
图案层、介质层和反射层之间的连接都是物理上的粘接，如果是pcb工艺，覆铜板就是将铜箔热压到FR4上，如果是手工制作，就是使用带粘性胶的铜箔粘上。
分形螺旋线是固定在FR4基板上的，当然材料也可以根据需要选择其他介电常数的介质基板。
由上述，本发明制备的分形结构微波吸收超材料在亚波长厚度尺寸下，具有宽带、轻质、强吸收等优良的吸波材料特性，此外，还可以通过改变超材料分形螺旋结构单元的初始弧外半径、线宽、分形阶数来调控超材料微波吸收结构的电磁谐振，不依靠对称性结构仍然能获得大角度入射下偏振不敏感特性；合并不同分形螺旋结构能产生不同谐振模的线性叠加效果，通过控制多重电磁响应特性和结构单元间的交叉耦合作用，螺旋结构单元能有效消耗入射电磁波，从而显著增强超材料对电磁波的吸收能力，达到可调频、多频带、轻质、强吸收、极化不敏感的效果。
本发明所使用的结构单元设计新颖，相比于其他超材料结构，可以在单一结构上实现多频共振吸收，同时能根据共振频率与初始圆弧外半径的对数关系定量选择吸收频点，分形结构可以提高空间利用率，利于微波器件的小型化和集成化。
本发明分形结构微波吸收超材料，在军事领域上，可以对用于飞机、军用车辆及设施外表面，可有效降低雷达散射截面积，起到雷达隐身效果；在民用领域，可用于微波暗室、电磁兼容、5G等。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种分形结构电磁吸波超材料，其特征在于，主要由图案层、介质层和反射层组装而成，所述图案层由图案结构单元在二维平面周期性阵列分布，各图案结构单元由若干不同的分形螺旋线结构排列而成，各图案结构单元的分形螺旋线结构排列方式一致；
图案结构单元由4种不同的分形螺旋线结构以2×2的方式排列而成，4种分形螺旋线结构是以5阶分形螺旋线为基础结构旋转不同角度叠加而成，旋转的角度分别为0°、45°、90°和180°，叠加分形螺旋线的数量分别为1、2、4和8，所述的5阶分形螺旋线是由5段1/4圆弧连接而成的螺旋结构，r、m分别表示1/4圆弧的外半径和分形迭代的阶数，1/4圆弧的半径符合斐波那契序列rm+2=rm+1+rm，rm为第m阶分形1/4圆弧的半径，共振频率与初始圆弧半径之间存在对数关系。
2.如权利要求1所述的分形结构电磁吸波超材料，其特征在于，r1=r2=0.8mm，5阶分形螺旋线宽为0.2mm，厚度为0.035mm，周期为10mm。
3.根据权利要求1所述的分形结构电磁吸波超材料，其特征在于：所述的分形螺旋结构的材料选自导电金属。
4.根据权利要求3所述的分形结构电磁吸波超材料，其特征在于：所述的分形螺旋结构的材料选自导电金属中的铜、铁、铝中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的分形结构电磁吸波超材料，其特征在于：所述的介质层材料为FR-4板、聚酰亚胺或聚酯中的任意一种，介电常数为3.6～4.2，介质基板厚度为1.6mm～3.2mm。
6.根据权利要求1所述的分形结构电磁吸波超材料，其特征在于：所述的反射层材料选自导电金属中的铜或铁或铝。
7.一种权利要求1-6任一项所述分形结构电磁吸波超材料的制备方法，其特征在于，包括：
选择介质层为FR-4的双面覆铜板，介质层厚度为1mm，双面铜的厚度均为0.035mm；
对基板进行表面清洁度和粗糙度的处理，通过热压的方式贴上感光干膜，将底片与压好干膜的基板对位，在曝光机上利用紫外光的照射，将底片图形转移到感光干膜上；
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