CN114204273A - 一种超薄柔性保形超材料吸波器及其制备方法 - Google Patents

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CN114204273A CN202111534508.6A CN202111534508A CN114204273A CN 114204273 A CN114204273 A CN 114204273A CN 202111534508 A CN202111534508 A CN 202111534508A CN 114204273 A CN114204273 A CN 114204273A
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冀世军
罗智友
赵继
吴汉
任海林
张晨光
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Jilin University
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    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

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Abstract

本发明公开了一种超薄柔性保形超材料吸波器及其制备方法，由若干单元结构周期性阵列组成；所述单元结构由电磁谐振层、介电层、金属接地层组成，电磁谐振层位于介电层之上，介电层位于金属接地层之上，电磁谐振层、介电层、金属接地层的几何中心在竖直方向上重合；所述谐振器由圆环和十字结构组合而成，十字结构设置在圆环内侧，且十字结构的几何中心与圆环圆心重合，各层之间使用光学透明胶粘剂热压成型。所述谐振器主体为薄铜板，在薄铜板上进行镂空处理，获得镂空圆环和镂空十字结构，且镂空圆环和镂空十字结构的几何中心均与薄铜板的几何中心重合。本发明对S波段到X波段的微波在四个特定的频率处具有非常好的吸收性能。

Description

一种超薄柔性保形超材料吸波器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电磁微波超材料技术领域，尤其涉及一种超薄柔性保形超材料吸波器，对S波段到X波段的微波在3.25GHz、6.89GHz、9.38GHz和10.60GHz 四个频率处吸收率均高于90％。
背景技术
微波(Microwave)通常是指频率在300MHz(3×108Hz)到300GHz(3×1011Hz)，对应波长在1m到1mm间的交变电流信号。其SHF频段可分为C波段(4～8GHz)、X波段(8～12GHz)、Ku波段(12～18GHz)、K波段(18～26GHz)，是雷达和各类卫星应用最广泛的波段。微波机动性好，工作频宽大，可以传输的信息更多，在通讯、卫星、雷达天线等领域均有广泛应用。电磁微波吸波器由于其对微波段电磁波的高效吸收，在如今的5G通讯、相控阵雷达以及电磁隐身等领域有广阔的应用前景。
超材料是指那些具有天然材料所不具备的超常物理性能的人工复合材料或复合结构，通过人的意志，超材料可以根据应用需求从原子或分子设计出发，经过严格而复杂的人工设计与制备加工制成的一种具有周期性或非周期性人造微结构单元排列的复合型或混杂型材料体系。超材料吸波器是通过谐振型超材料构成，主要是利用超材料中介电材料的电磁损耗，将入射电磁波转化为欧姆热或其它形式能量，实现对电磁波的吸收。由于超材料吸波器可以通过对功能单元的结构设计，实现对特定频段的入射电磁波近乎完美的吸收，其成为了电磁超材料中的热点研究领域。同时由于其超常的物理特性、超薄简单的结构、偏振不敏感以及完美吸收等吸收特性，在天线雷达、电磁隐身、传感技术、热成像、生物探测、光伏电池等领域有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种超薄柔性保形超材料吸波器及其制备方法，超薄柔性保形超材料吸波器对S波段到X波段的微波在四个特定的频率处具有非常好的吸收性能，具有偏振不敏感和支持广角入射的特性，在变化的偏振角和大入射角的工作环境下可以保持良好的吸收；超薄柔性保形的特点使其更容易铺覆在军用飞行器与曲面装备上，对铺覆的环境有更好的适应性；且其简单的顶层谐振结构易于加工和批量生产，在隐身领域有应用前景和市场。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种超薄柔性保形超材料吸波器，由若干单元结构周期性阵列组成；所述单元结构由电磁谐振层、介电层、金属接地层组成，电磁谐振层位于介电层之上，介电层位于金属接地层之上，电磁谐振层、介电层、金属接地层的几何中心在竖直方向上重合；所述谐振器由圆环和十字结构组合而成，十字结构设置在圆环内侧，且十字结构的几何中心与圆环圆心重合。
进一步地，所述电磁谐振层、介电层、金属接地层之间依次使用光学透明胶粘剂热压成型。
进一步地，所述电磁谐振层所用材料是金属铜，电导率为5.8×107S/m。
进一步地，所述电磁谐振层的单元周期为26mm，电磁谐振层的层厚为 0.018mm。
进一步地，所述谐振器主体为薄铜板，在薄铜板上进行镂空处理，获得镂空圆环和镂空十字结构，且镂空圆环和镂空十字结构的几何中心均与薄铜板的几何中心重合。
进一步地，所述圆环内径为11mm，圆环宽度为1.8mm；所述十字结构为正十字结构，其单边臂长为13mm，臂宽为2mm。
进一步地，所述介电层采用柔性材料聚酰亚胺，介电常数为3，介质的损耗角正切值为0.06；介电层的单元周期为26mm，介电层的层厚为0.4mm。
进一步地，所述金属接地层所用材料是金属铜，电导率为5.8×107S/m；金属接地层的层厚为0.018mm。
本发明同时公开了一种超薄柔性保形超材料吸波器的制备方法，包括如下步骤：
S1.配料：通过材料配比，获得聚酰亚胺板作为介电层；
S2.含浸：将制备完成的聚酰亚胺板置于真空压强0.05MPa的有机含浸液内、取出后在已经预热的红外线烘道中保持40至60分钟；
S3.开料：将聚酰亚胺板裁切成234mm×234mm的正方形板料，将铜膜裁切成234mm×234mm的正方形；
S4.热压：利用热压机将上下两层铜膜和聚酰亚胺板压合在一起，热压时间 35分钟，温度维持在204℃；
S5.磨板：用细水砂纸将铜膜打磨，去除氧化，增加铜面粗糙度；
S6.贴膜：将步骤S5处理后的聚酰亚胺板贴上干膜活湿膜，获得基板；
S7.曝光：将底片与压好干膜的基板对位，底片图形为镂空圆环十字，镂空圆环的外半径为11mm，宽度为1.8mm，镂空十字的长为13mm，宽度为2mm；在曝光机上利用紫外光的照射，将底片图形转移到干膜上；
S8.显影：利用显影液的弱碱性将未经曝光的干膜或湿膜溶解冲洗掉，已曝光的镂空圆环和十字形状保留；
S9.蚀刻：未经曝光的干膜或湿膜被显影液去除后，露出圆环和十字形状的铜面结构，用酸性氯化铜将圆环和十字形状的铜面结构溶解腐蚀掉，得到所需的镂空表面结构；
S10.退膜：将已曝光的干膜或湿膜用氢氧化钠溶液剥掉，露出镂空图形。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器在3.25GHz、6.89GHz、 9.38GHz和10.60GHz四个频点处实现了近乎完美的高效吸收，吸收率均高于 90％。
具有超薄的特性，结构总厚度仅为0.436mm，为最低处吸收频率处波长的 0.0047。
具有简单的顶层谐振结构，由镂空圆环和镂空十字结构组合而成的谐振层易于加工和批量生产。
具有在横电(TE)和横磁(TM)的模式下偏振不敏感特性和广角特性。不同的偏振角对吸收性能基本没有影响；吸收率整体随着入射角的增大而减小，在入射角达到40°时仍然维持高于80％的吸收。
具有柔性保形的功能。采用超薄的柔性材料聚酰亚胺作为介电层，可以再一定程度上对该超材料吸波器进行弯曲和折叠，对铺覆的环境有更好的适应性。
附图说明
图1为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的单元结构爆炸图；
图2为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层结构示意图；
图3为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的柔性保型示意图；
图4为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的边界设置示意图；
图5为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器在TE和TM模式下的吸收光谱图；
图6为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的组合电磁谐振器与单独镂空圆环与单独镂空十字结构的对比吸收光谱图；
图7为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器在TE和TM模式下不同偏振角的吸收光谱图；
图8为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器在TE和TM模式下不同入射角的吸收光谱图；
图9为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层在吸收频点为3.25GHz处的电场分布图；
图10为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层在吸收频点为6.89GHz处的电场分布图；
图11为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层在吸收频点为9.38GHz处的电场分布图；
图12为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层在吸收频点为10.60GHz处的电场分布图；
图13为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层和接地金属层在吸收频点为3.25GHz的电流分布图；
图14为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层和接地金属层在吸收频点为6.89GHz的电流分布图；
图15为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层和接地金属层在吸收频点为9.38GHz的电流分布图；
图16为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振层和接地金属层在吸收频点为10.60GHz的电流分布图；
图17为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的介电层在吸收频点为3.25GHz的磁场分布图；
图18为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的介电层在吸收频点为6.89GHz的磁场分布图；
图19为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的介电层在吸收频点为9.38GHz的磁场分布图；
图20为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的介电层在吸收频点为10.60GHz的磁场分布图；
图21为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的单元周期(边长) 对吸收性能的影响；
图22为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振器的镂空十字臂长对吸收性能的影响；
图23为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的电磁谐振器的镂空圆环内径对吸收性能的影响；
图24为本发明所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的介电层厚度对吸收性能的影响。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本实施例为一种超薄柔性保形超材料吸波器，由若干单元结构周期性阵列组成，所述单元结构由电磁谐振层1、介电层2、金属接地层3组成，电磁谐振层1位于介电层2之上，介电层2位于金属接地层3之上，电磁谐振层1、介电层2、金属接地层3的几何中心在竖直方向上重合。
所述电磁谐振层1、介电层2、金属接地层3之间依次使用光学透明胶粘剂热压成型。
所述电磁谐振层1所用材料是金属铜，电导率为5.8×107S/m。电磁谐振层1 的单元周期(边长)为26mm，即长度和宽度均为26mm，电磁谐振层1的层厚为0.018mm。
所述介电层2采用柔性材料聚酰亚胺(PI)，介电常数为3，介质的损耗角正切值为0.06。介电层2的单元周期(边长)为26mm，即长度和宽度均为26mm；介电层2的层厚为0.4mm。
金属接地层3所用材料是金属铜，电导率为5.8×107S/m。金属接地层3的单元周期(边长)为26mm，即长度和宽度均为26mm，金属接地层3的层厚为 0.018mm。
如图2所示，所述谐振器由圆环和十字结构组合而成，十字结构设置在圆环内侧，且十字结构的几何中心与圆环圆心重合。圆环内径为11mm，圆环宽度为1.8mm；十字结构为正十字结构，其单边臂长为13mm，臂宽为2mm。
谐振器主体为薄铜板，在薄铜板上进行镂空处理，获得镂空圆环和镂空十字结构，且镂空圆环和镂空十字结构的几何中心均与薄铜板的几何中心重合。
超薄柔性保形超材料吸波器为单元结构周期性阵列而成，在二维方向上成 N×N排布，其中N为正整数。
以下介绍本实施例所述超薄柔性保形超材料吸波器的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料：通过材料配比，获得与仿真所用材料电磁参数相近的FR4板。
(2)含浸：将制备完成的FR4板置于真空压强0.05MPa的有机含浸液内、取出后在已经预热的红外线烘道中保持40至60分钟。
(3)开料：用牛皮纸裁剪机和铜箔裁片机分别将FR板和铜膜裁切成 260mm×260mm的正方形板料。
(4)热压：利用热压机将铜膜和FR4板压合在一起，热压时间35分钟，温度维持在204℃。
(5)磨板：用细水砂纸仔细将铜板打磨，去除氧化，增加铜面粗糙度，以便菲林附着。
(6)贴膜：将经过处理的基板通过热压或涂覆的方式贴上干膜或湿膜，以便后续曝光生产。
(7)曝光：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。
(8)显影：利用显影液(碳酸钠)的弱碱性将未经曝光的干膜/湿膜溶解冲洗掉，已曝光的部分保留。
(9)蚀刻：未经曝光的干膜/湿膜被显影液去除后会露出铜面，用酸性氯化铜将这部分露出的铜面溶解腐蚀掉，得到所需的表面结构。
(10)退膜：将保护铜面的已曝光的干膜用氢氧化钠溶液剥掉，露出表面结构的图形。
以下介绍本实施例超薄柔性保形超材料吸波器的仿真计算：
采用电磁计算软件CST STUDIO SUITE(CST)进行仿真计算。该软件采用有限积分技术，为结构划分网格，对各个网格运用麦克斯韦方程和边界条件进行电磁计算。该吸波单元的计算域边界设置如图3所示。入射波源采用平面电磁波，沿z方向入射，入射波矢为k；电场矢量E与x方向平行，磁场矢量H与 y方向平行。在x和y方向上，将边界设置为单元周期Unit cell，在z方向上将边界设置为开放边界Open。这样整个边界呈现为Floquet周期边界，可以模拟仿真该吸波单元阵列后的吸收效果。
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器的吸收性能可以用吸收系数A(ω)来表示，其可以由反射率R(ω)和透射率T(ω)推导为：A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)和T(ω)可表示用散射参数(S参数)来表示，R(ω)＝|S11|2,T(ω)＝|S21|2。由于底部全覆盖铜层的厚度大于材料铜对于入射电磁波的趋肤深度，电磁波无法从底层向外透射，故T(ω)可以被认为是0。因此，吸收率A(ω)可简化为 A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11|2。
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器的吸收光谱如图4所示，其可以在0-12GHz波段内有四个高效吸收的吸收峰，吸收频率分别为 3.25GHz,6.89GHz,9.38GHz和10.60GHz，吸收率均达到90％以上。且在TE和 TM模式下，该超薄柔性保形四频段超材料吸波器的吸收频率和吸收率基本不变，这体现了其对TE和TM偏振波的不敏感特性。
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器的组合电磁谐振结构被拆分成单独的镂空圆环和镂空十字，以更好的分析谐振结构对吸收性能的影响。如图5所示，单独的镂空圆环谐振器在低频产生两个吸收峰，对高频吸收基本没有影响；而单独的镂空十字谐振器主要对高频吸收产生影响，对低频吸收影响较小。
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器在不同偏振角和入射角下的吸收性能分别如图6和7所示。如图6所示，无论是在TE还是TM模式下，随着偏振角的改变，吸收光谱基本没有变化，这是因为所述超薄柔性吸波器的四倍旋转对称结构，使得其具有了偏振不敏感的特性。如图7所示，在TE模式下，随着入射角的增大，第一个和第二个波峰的吸收频率和吸收率基本保持不变；第二个吸收峰都逐渐分裂出了两个吸收峰，原始的波峰吸收率保持不变，吸收率是先下降后上升，而新形成的波峰随着入射角的增大有明显的红移，吸收率也随之增大；第四个吸收峰随着入射角的增大，吸收频率先不变，后产生蓝移，吸收率逐渐下降。随着入射角的增大，吸收峰呈现出逐渐增多的趋势，而吸收频率也维持在80％以上。而在TM模式下，随着入射角的增大，四个吸收峰的吸收频率变化较小，吸收率逐渐减小，在入射角达到40°时，吸收率最低仍保持在80％左右。这样的结果表示了在TE和TM模式下，所述超薄柔性吸波器对大入射角的电磁波吸收。
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器的电场、电流与磁场分布由图9-19所示。如图9-12所示，在低频吸收点，电磁谐振层的电场主要分布在镂空圆环的内侧和外侧，部分分布在镂空十字结构的内侧和外侧；而在高频吸收点，电磁谐振层的电场则主要分布在内十字架的外侧，部分分布在外圆环的内侧。电场分布引起了电荷的流动形成了表面电流。如图12-15所示，电磁谐振层的表面电流的分布与电场分布吻合，在低频吸收点集中在镂空圆环两侧，在高频吸收点集中在镂空十字两侧。由于介电层的极化，接地层的电场呈现出和顶层相反的分布，这使得底层的电流也合顶层电流完全相反。电磁谐振层和金属接地层的一对反平行电流可等效为一对磁偶极子，从而在介电层中产生了磁共振，消耗了入射电磁波的能量，具体如图16-19所示。因此，在低频吸收点处，所述超薄柔性吸波器对入射电磁波的吸收主要是由于发生在电磁谐振层的外镂空圆环处的电共振和发生在相应介电层中的磁共振的共同作用；而在高频吸收点处，所述吸波器对电磁波的吸收主要是由发生在电磁谐振层的内镂空十字架的电共振和发生在相应介电层的磁共振共同作用而实现。这与单体镂空圆环和十字结构的吸收规律一致，这是由于所述超材料吸波器的亚波长特性导致的。低频的入射电磁波波长更长，而所述吸波器发生电磁共振的结构应相应的随之增大，故在低频处吸收发生在结构尺寸更大的镂空圆环处，而在高频处吸收则发生在结构尺寸相对更小的镂空十字结构处。
本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器的几何结构尺寸对吸收性能的影响如图20-23。由于所述柔性超薄吸波器的吸收频率和吸收率可以通过改变几何结构参数的尺寸来调节，因此分析了主要几何结构参数对所述柔性超薄吸波器吸收性能的影响。如图20所示，吸波结构单元周期(边长)的增加导致第二频段产生明显的红移。如图21所示，随着镂空十字结构长度的增加，第一和第三波段出现了红移，而第二和第四波段基本没有变化。如图22所示，随着镂空圆环内径的增大，所有吸收峰都产生不同程度的红移。如图23所示，聚酰亚胺介质层的厚度对所述吸波器的吸收性能有很大的影响，随着介质层厚度的增加，第一和第二频段会发生蓝移，第三和第四频段会发生红移。吸收频段的吸收率随着介质层厚度的增加而增加。总而言之，第一和第三吸收频带主要受参数镂空十字结构长度和镂空圆环内径的影响，第二吸收频带主要受参数吸波结构单元周期的影响，第四吸收频带主要受参数镂空圆环内径的影响，而参数介质层厚度对所有吸收频带均有影响。
综上所述，本发明所述的超薄柔性保形四频段超材料吸波器基于柔性电路板的介质材料聚酰亚胺(PI)设计，顶层谐振器是镂空圆环和十字的组合结构，厚度仅为0.436mm。其在S波段到X波段获得4个吸收率高于90％的吸收峰，具有偏振不敏感的吸收特性，并在TE和TM模式下均保持了对大入射角的入射波理想的吸收效果。本设计方案实现了在微波段的高效吸收，且其超薄柔性以及简单谐振结构等结构特性使其易于批量生产和市场化应用，在曲面结构的电磁屏蔽、气象卫星以及雷达探测等领域有广阔应用前景，对其他柔性吸波器的设计具有指导意义。
以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，由若干单元结构周期性阵列组成；所述单元结构由电磁谐振层、介电层、金属接地层组成，电磁谐振层位于介电层之上，介电层位于金属接地层之上，电磁谐振层、介电层、金属接地层的几何中心在竖直方向上重合；所述谐振器由圆环和十字结构组合而成，十字结构设置在圆环内侧，且十字结构的几何中心与圆环圆心重合。
2.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述电磁谐振层、介电层、金属接地层之间依次使用光学透明胶粘剂热压成型。
3.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述电磁谐振层所用材料是金属铜，电导率为5.8×107S/m。
4.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述电磁谐振层的单元周期为26mm，电磁谐振层的层厚为0.018mm。
5.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述谐振器主体为薄铜板，在薄铜板上进行镂空处理，获得镂空圆环和镂空十字结构，且镂空圆环和镂空十字结构的几何中心均与薄铜板的几何中心重合。
6.如权利要求5所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述圆环内径为11mm，圆环宽度为1.8mm；所述十字结构为正十字结构，其单边臂长为13mm，臂宽为2mm。
7.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述介电层采用柔性材料聚酰亚胺，介电常数为3，介质的损耗角正切值为0.06；介电层的单元周期为26mm，介电层的层厚为0.4mm。
8.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器，其特征在于，所述金属接地层所用材料是金属铜，电导率为5.8×107S/m；金属接地层的单元周期为26mm，金属接地层的层厚为0.018mm。
9.如权利要求1所述的一种超薄柔性保形超材料吸波器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.配料：通过材料配比，获得聚酰亚胺板作为介电层；
S2.含浸：将制备完成的聚酰亚胺板置于真空压强0.05MPa的有机含浸液内、取出后在已经预热的红外线烘道中保持40至60分钟；
S3.开料：将聚酰亚胺板裁切成234mm×234mm的正方形板料，将铜膜裁切成234mm×234mm的正方形；
S4.热压：利用热压机将上下两层铜膜和聚酰亚胺板压合在一起，热压时间35分钟，温度维持在204℃；
S5.磨板：用细水砂纸将铜膜打磨，去除氧化，增加铜面粗糙度；
S6.贴膜：将步骤S5处理后的聚酰亚胺板贴上干膜活湿膜，获得基板；
S7.曝光：将底片与压好干膜的基板对位，底片图形为镂空圆环十字，镂空圆环的外半径为11mm，宽度为1.8mm，镂空十字的长为13mm，宽度为2mm；在曝光机上利用紫外光的照射，将底片图形转移到干膜上；
S8.显影：利用显影液的弱碱性将未经曝光的干膜或湿膜溶解冲洗掉，已曝光的镂空圆环和十字形状保留；
S9.蚀刻：未经曝光的干膜或湿膜被显影液去除后，露出圆环和十字形状的铜面结构，用酸性氯化铜将圆环和十字形状的铜面结构溶解腐蚀掉，得到所需的镂空表面结构；
S10.退膜：将已曝光的干膜或湿膜用氢氧化钠溶液剥掉，露出镂空图形。
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