CN114024147A - 一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，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、宽频带吸收、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)，极化不敏感，较好的角度稳定性和柔性可用于共形装备的问题。它自上而下依次由拓扑图案化的阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及第二透明导电薄膜组成；所述的拓扑图案化的阻抗膜层由阵列的N×M个阻抗膜单元组成；所述的阻抗膜单元是由第一拓扑图案单元、第二拓扑图案单元、第三拓扑图案单元及第四拓扑图案单元拼接而成的正方形。本发明用于基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体。

Description

一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体
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，从而被广泛应用于衰减雷达回波强度、电磁兼容、微波暗室等，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屏和Jaumann屏可以实现透明吸波的性能。然而，Salisbury屏的吸收频带很窄。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。这两者都远远不能满足实际的应用需求。
新型人工电磁超材料，可以通过设计结构参数来控制超材料的有效介电常数和有效磁导率。基于透明导电材料和透明介质材料，引入超材料来开发透明吸波体，更有利于进行提高宽带吸收性能。
近年来，由于在飞机座舱、高速公路的自动收费系统(ETC)及无线通信等应用的需求，透明宽带吸波体受到广泛关注。这其中的大多数应用中包含许多共形装备，所以柔性且在弯曲状态下仍能保持优良的吸波性能的透明吸波体的开发备受关注。
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。为尽可能保持高透明度，透明超材料吸波体一般基于由亚波长超表面阻抗匹配图案层，中间介质及接地表面构成的三明治结构进行设计。
例如，发表于APhotonics Research期刊的《Transparently curvedmetamaterial with broadband millimeter wave absorption》(2019年第7卷，478页)提出了一种柔性透明吸波体，吸收率大于90％的相对带宽为40.6％，吸收带宽不够宽，不能满足实际应用的需求。发表于CS Photonics期刊的《Transparent and FlexiblePolarization-Independent Microwave Broadband Absorber》(2014年第1卷，279页)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5.8-12.2GHz内实现90％以上的吸收，相对带宽为71.1％，没有报道该吸波体在弯曲状态下的吸收性能。
目前，发展一种同时兼顾高透过率、宽频带吸收、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)、极化不敏感、较好的角度稳定性和柔性可用于共形装备的超材料吸波体，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、宽频带吸收、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)，极化不敏感，较好的角度稳定性和柔性可用于共形装备的问题，而提供一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体。
一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，它自上而下依次由拓扑图案化的阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及第二透明导电薄膜组成；
所述的拓扑图案化的阻抗膜层由阵列的N×M个阻抗膜单元组成；所述的N≥10列，所述的M≥10行；
所述的阻抗膜单元是由第一拓扑图案单元、第二拓扑图案单元、第三拓扑图案单元及第四拓扑图案单元拼接而成的正方形；且阻抗膜单元的边长P为10mm～20mm；
所述的第一拓扑图案单元被均分为阵列的5×5个方格组成，所述的第一行与第一列的交叉点方格、第一行与第三列的交叉点方格、第二行与第一列至第五列的交叉点方格、第三行与第一列至第四列的交叉点方格均覆有第一透明导电薄膜，其他方格未覆盖第一透明导电薄膜；
所述的第二拓扑图案单元是由第一拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第二拓扑图案单元位于第一拓扑图案单元下方；
所述的第三拓扑图案单元是由第二拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第三拓扑图案单元位于第二拓扑图案单元右方；
所述的第四拓扑图案单元是由第三拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第四拓扑图案单元位于第三拓扑图案单元上方。
本发明的有益效果是：
第一，本发明设计的透明柔性宽带超材料吸波体结构可以同时兼顾柔性、可见光高透过(可见光透明度不低于65％)、宽带吸收(在5.3GHz～15GHz内吸收率均在90％以上，吸收带宽为95.6％)、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)、良好的角度稳定性(可实现在TE波和TM波下分别在30°内和60°内的入射角在工作频带内都能保证有90％以上的吸收率)和极化不敏感特性等优异性能。
第二，本发明设计的透明柔性宽带超材料吸波体结构在不同的弯曲状态下仍具有优异的吸波性能和RCS缩减性能(相比PEC在全反射角度均能实现RCS值降低10dB以上)，在隐身和吸波应用领域中的透明共形装备上具有广阔的应用场景。
本发明用于一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体。
附图说明
图1为本发明基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体中只含有一个阻抗膜单元的结构示意图，1为拓扑图案化的阻抗膜层，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为第二透明导电薄膜；
图2为图1的俯视图，1-1为第一拓扑图案单元，1-2为第二拓扑图案单元，1-3为第三拓扑图案单元，1-4为第四拓扑图案单元，P为阻抗膜单元的边长；
图3为图1的侧视图，h1为拓扑图案化的阻抗膜层厚度，h2为第一透明基体厚度，h3为中间透明介质层厚度，h4为第二透明基体厚度，h5为第二透明导电薄膜厚度；
图4为本发明基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体中含有多个阻抗膜单元的结构示意图；
图5为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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6为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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7为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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8为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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9为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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10为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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，1为俯仰角0°，2为俯仰角15°，3为俯仰角30°，4为俯仰角45°；
图11为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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，1为俯仰角0°，2为俯仰角15°，3为俯仰角30°，4为俯仰角45°，5为俯仰角60°；
图12为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体；
图13为不同弯曲角度下，实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体与良导体PEC在10GHz频率下的垂直极化与水平极化的双站RCS对比图，(a)弯曲为0°，(b)为弯曲15°，(c)为弯曲30°，(d)为弯曲45°，1为良导体PEC，2为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体；
图14为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体方位角的全角度吸收曲线扫描云图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～4具体说明，本实施方式一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，它自上而下依次由拓扑图案化的阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及第二透明导电薄膜组成；
所述的拓扑图案化的阻抗膜层由阵列的N×M个阻抗膜单元组成；所述的N≥10列，所述的M≥10行；
所述的阻抗膜单元是由第一拓扑图案单元、第二拓扑图案单元、第三拓扑图案单元及第四拓扑图案单元拼接而成的正方形；且阻抗膜单元的边长P为10mm～20mm；
所述的第一拓扑图案单元被均分为阵列的5×5个方格组成，所述的第一行与第一列的交叉点方格、第一行与第三列的交叉点方格、第二行与第一列至第五列的交叉点方格、第三行与第一列至第四列的交叉点方格均覆有第一透明导电薄膜，其他方格未覆盖第一透明导电薄膜；
所述的第二拓扑图案单元是由第一拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第二拓扑图案单元位于第一拓扑图案单元下方；
所述的第三拓扑图案单元是由第二拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第三拓扑图案单元位于第二拓扑图案单元右方；
所述的第四拓扑图案单元是由第三拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第四拓扑图案单元位于第三拓扑图案单元上方。
本实施方式基于遗传算法(GA)的CST-Python联合仿真的拓扑优化方法开发出的一种可以同时兼顾柔性、可见光高透过、宽带吸收、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)、良好的角度稳定性和极化不敏感特性的拓扑图案化超材料吸收体，可用于共形光学窗的吸波用途和电磁隐身领域中。
本实施方式基于遗传算法，在python主程序中运行GA，重复调用CST进行建模、条件设置和仿真，最后将计算结果返回给主程序形成循环直到达到预定的终止条件或设计目标，最终经过多次迭代进化得到优化结果。
本实施方式所述的拓扑图案化的阻抗膜层中的阻抗膜单元是使用紫外激光微加工设备进行刻蚀加工完成的。
本实施方式所述的拓扑图案化的阻抗膜层是通过阻抗膜单元依次连接排列的无限周期结构。
图2为图1的俯视图，1-1为第一拓扑图案单元，1-2为第二拓扑图案单元，1-3为第三拓扑图案单元，1-4为第四拓扑图案单元，P为阻抗膜单元的边长；其中框内为第一拓扑图案单元，第一拓扑图案单元被均分为阵列的5×5个方格组成，所述的第一行与第一列的交叉点方格、第一行与第三列的交叉点方格、第二行与第一列至第五列的交叉点方格、第三行与第一列至第四列的交叉点方格均覆有第一透明导电薄膜，其他方格未覆盖第一透明导电薄膜，1所代表的方格表示有第一透明导电薄膜覆盖，0所代表的方格表示没有第一透明导电薄膜覆盖。
本实施方式的有益效果是：
第一，本实施方式设计的透明柔性宽带超材料吸波体结构可以同时兼顾柔性、可见光高透过(可见光透明度不低于65％)、宽带吸收(在5.3GHz～15GHz内吸收率均在90％以上，吸收带宽为95.6％)、低剖面和低雷达散射截面积(RCS)、良好的角度稳定性(可实现在TE波和TM波下分别在30°内和60°内的入射角在工作频带内都能保证有90％以上的吸收率)和极化不敏感特性等优异性能。
第二，本实施方式设计的透明柔性宽带超材料吸波体结构在不同的弯曲状态下仍具有优异的吸波性能和RCS缩减性能(相比PEC在全反射角度均能实现RCS值降低10dB以上)，在隐身和吸波应用领域中的透明共形装备上具有广阔的应用场景。
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柔性高分子材料和透明柔性无机材料中的一种或两种复合。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的厚度为1mm～8mm。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：所述的第一透明基体及第二透明基体的材质均为聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或其中几种复合。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厚度为0.05mm～0.5mm。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的相对介电常数均为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：所述的第一透明导电薄膜及第二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：所述的第一透明导电薄膜及第二透明导电薄膜的方阻为6Ω/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：所述的第一透明导电薄膜及第二透明导电薄膜的厚度为50nm～500nm。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：
一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，它自上而下依次由拓扑图案化的阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及第二透明导电薄膜组成；
所述的拓扑图案化的阻抗膜层由阵列的N×M个阻抗膜单元组成；所述的N≥10列，所述的M≥10行；
所述的阻抗膜单元是由第一拓扑图案单元、第二拓扑图案单元、第三拓扑图案单元及第四拓扑图案单元拼接而成的正方形；且阻抗膜单元的边长P为14.1mm；
所述的第一拓扑图案单元被均分为阵列的5×5个方格组成，所述的第一行与第一列的交叉点方格、第一行与第三列的交叉点方格、第二行与第一列至第五列的交叉点方格、第三行与第一列至第四列的交叉点方格均覆有第一透明导电薄膜，其他方格未覆盖第一透明导电薄膜；
所述的第二拓扑图案单元是由第一拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第二拓扑图案单元位于第一拓扑图案单元下方；
所述的第三拓扑图案单元是由第二拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第三拓扑图案单元位于第二拓扑图案单元右方；
所述的第四拓扑图案单元是由第三拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第四拓扑图案单元位于第三拓扑图案单元上方。
所述的中间透明介质层的材质为聚氯乙烯。
所述的中间透明介质层的厚度为h3＝4mm。
所述的中间透明介质层的相对介电常数为2.4。
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。
所述的第一透明基体的厚度为h2＝175μm；所述的第二透明基体的厚度为h4＝125μm。
所述的第一透明基体及第二透明基体的相对介电常数均为3。
所述的第一透明导电薄膜及第二透明导电薄膜的材质均为氧化铟锡。
所述的第一透明导电薄膜的方阻为53Ω/sq；所述的第二透明导电薄膜的方阻为5Ω/sq。
所述的第一透明导电薄膜的厚度为h1＝0.3μm；所述的第二透明导电薄膜的厚度为h5＝0.3μm。
实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体的平均可见光透过率为68.5％。
图5为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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≥10列，所述的M≥10行。由图可知，在5.3GHz～15GHz内吸收率均在90％以上，吸收带宽为95.6％。
图6为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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7为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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8为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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9为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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14为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体方位角的全角度吸收曲线扫描云图；其中仿真时设定所述的N≥10列，所述的M≥10行。由图可知，所述超材料吸波体具有极化不敏感的优良特性。
图10为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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，1为俯仰角0°，2为俯仰角15°，3为俯仰角30°，4为俯仰角45°；图11为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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，1为俯仰角0°，2为俯仰角15°，3为俯仰角30°，4为俯仰角45°，5为俯仰角60°；其中仿真时设定所述的N≥10列，所述的M≥10行。由图可知，所述超材料吸波体可实现在TE波和TM波下分别在30°内和60°内的入射角在工作频带内都能保证有90％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。
图12为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性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为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体；其中仿真时设定所述的N＝10列，所述的M＝10行，所述的实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体与良导体PEC的尺寸均为141mm×141mm。由图可知，所述超材料吸波体在5.3GHz～15GHz内的RCS值相对于PEC均降低10dB。
图13为不同弯曲角度下，实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体与良导体PEC在10GHz频率下的垂直极化与水平极化的双站RCS对比图，(a)弯曲为0°，(b)为弯曲15°，(c)为弯曲30°，(d)为弯曲45°，1为良导体PEC，2为实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体；其中仿真时设定所述的N＝10列，所述的M＝10行，所述的实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体与良导体PEC的尺寸均为141mm×141mm。由图可知，所述的超材料吸波体无论在平面还是在不同弯曲角度的情况下，相比PEC在全反射角度均能实现RCS值降低10dB以上。由于所述超材料吸波体能够实现全反射角度RCS缩减，说明所述超材料吸波体的RCS缩减主要由吸收贡献。该结果表明所述超材料吸波体在弯曲的情况下仍具有很好的RCS缩减性能和吸波性能。
实施例一制备的基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体的中间透明介质层厚度为4mm，相当于工作频带的最低频率波长的0.109倍，说明本实施例具有低剖面的特性。

Claims (10)

1.一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于它自上而下依次由拓扑图案化的阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及第二透明导电薄膜组成；
所述的拓扑图案化的阻抗膜层由阵列的N×M个阻抗膜单元组成；所述的N≥10列，所述的M≥10行；
所述的阻抗膜单元是由第一拓扑图案单元、第二拓扑图案单元、第三拓扑图案单元及第四拓扑图案单元拼接而成的正方形；且阻抗膜单元的边长P为10mm～20mm；
所述的第一拓扑图案单元被均分为阵列的5×5个方格组成，所述的第一行与第一列的交叉点方格、第一行与第三列的交叉点方格、第二行与第一列至第五列的交叉点方格、第三行与第一列至第四列的交叉点方格均覆有第一透明导电薄膜，其他方格未覆盖第一透明导电薄膜；
所述的第二拓扑图案单元是由第一拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第二拓扑图案单元位于第一拓扑图案单元下方；
所述的第三拓扑图案单元是由第二拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第三拓扑图案单元位于第二拓扑图案单元右方；
所述的第四拓扑图案单元是由第三拓扑图案单元以单元中心逆时针旋转90°得到，且第四拓扑图案单元位于第三拓扑图案单元上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的中间透明介质层的材质为透明柔性高分子材料和透明柔性无机材料中的一种或两种复合。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的中间透明介质层的厚度为1mm～8mm。
4.根据权利要1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，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。
5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，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聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或其中几种复合。
6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明基体及第二透明基体的厚度为0.05mm～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明基体及第二透明基体的相对介电常数均为1～6。
8.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明导电薄膜及第二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1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明导电薄膜及第二透明导电薄膜的方阻为6Ω/sq～400Ω/sq。
10.根据权利要求1所述的一种基于拓扑图案的透明柔性宽带超材料吸波体，其特征在于所述的第一透明导电薄膜及第二透明导电薄膜的厚度为50nm～500nm。
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