CN114336087A - 一种宽频透明吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频透明吸波体，包括若干个单元体周期性排列组成；单元体结构自上而下为第一介质层、第一谐振结构、第二介质层、第二谐振结构、第三介质层、反射层。所述第一谐振结构为十字形或其他中心对称图形，所述第二谐振结构包括外方环和内部弓形组成的中心对称结构，弓形结构内部还可以设有其他中心对称图形。本发明为结构吸波材料，属于电磁隐身及吸波领域；本发明创新性地采用多层谐振超结构复合的方式，设计了一种超宽频多层复合透明吸波体，在保持高透明性的同时，实现了宽频段吸波性能，吸波频段达到2‑18GHz、26.5‑40GHz，同时对不同极化方向的电磁波吸收具有良好的入射角稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及人工新型电磁超材料领域，具体涉及一种宽频透明吸波体。
背景技术
随着现代电磁领域技术水平的高速发展，军事上雷达侦察系统的精度 越来越高，雷达目标的突防能力受到严重威胁，同时随着5G通信技术的发展， 人们生活环境中的电磁污染问题愈加严重；因此雷达隐身和电磁防护等促进了对 电磁隐身材料的需求。
电磁超材料是一种新型的人工电磁材料，可以通过亚波长单元的周期 性结构排列，人为地设计其材料、结构等，从而得到天然材料所不具备的电磁特 性，实现对电磁波的有效调控。
传统的超材料隐身体往往采用非透明介质材料制备而成，无法应用到 某些需要“可视化-吸波”的特殊场景；另外，传统超材料通常采用“金属-介质 -金属”的结构，用金属作为谐振结构，将入射电磁波以其他能量的形式损耗掉， 达到吸波的效果，但是由于金属对电磁波具有强反射，这就导致了传统超材料的 吸波频带较窄，且入射角稳定性较差。在我们前期的透明超材料研究中，发现基 于一种特定谐振结构的单元体周期排列具备优异的吸波效果，其谐振结构为：最 外侧为一个封闭的外方环，中间为4个未封闭的小弓形单元组成的弓形组，弓形 组为中心对称图形。该隐身体对电磁波具有宽频的吸收效果，尤其是高于18GHz 的Ka波段，弥补了传统超材料在吸波性能方面的不足，同时具有良好的入射角稳定性以及透光率。我们在前期研究的基础上进一步发展得到本发明。
本发明结构在保持原有高频处吸波性能的同时，还可以进一步将吸波带宽拓 宽至低于2GHz的频带；这主要是由于具有特定图案的谐振结构与介质层多层复 合，超材料吸波体以欧姆损耗、电磁谐振等多重形式将入射电磁波吸收，尤其是 低频处的电磁波吸收，这大大提升了其在1-40GHz的有效吸收带宽。
发明内容
为解决上述传统超材料中吸收频带窄、入射角稳定性差、不能应用于 可视化场景等问题，本发明设计了一种超宽频多层复合透明吸波体。
本发明采用如下技术方案：一种宽频透明吸波体，由多层透明谐振结 构及透明介质材料复合组成的单元体周期性排列而成。所述周期性排列的单元体 具有特定的结构，其结构自上而下分别为：第一介质层、第一谐振结构、第二介 质层、第二谐振结构、第三介质层、反射层。所述吸波体在S、C、X、Ku、Ka 多波段均产生吸波效果。
进一步，第一谐振结构为中心对称结构；所述第二谐振结构也为中心 对称图形，其包括外侧封闭的方环、内侧未封闭的弓形组。所述第二谐振结构的 未封闭弓形组包括4个小弓形单元，每个小弓形单元由2个最外侧枝节、2个中 间枝节、1个最内侧枝节组成，中间枝节分别与最外侧枝节、最内侧枝节垂直连 接。第一谐振结构的中心对称结构可以是任意中心对称图形，如方环、米字形、 圆环、X形等；所述第二谐振结构中的弓形组，其内部还可以有其他中心对称的 谐振图案，如方环、圆环、X形、十字形、米字形、正六边形等，也可以没有。
进一步，第一介质层、第二介质层、第三介质层的材质均为透明介质 材料，包括玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚 二甲基硅氧烷、聚氯乙烯中的一种或几种；所述第一谐振结构、第二谐振结构、 反射层的材质均为透明导电材料，包括氟掺杂二氧化砷、铝掺杂氧化锌、纳米银 线、氧化铟锡中的一种或几种。
进一步，令单个单元体的周期为P,第二层谐振结构中外方环的长度 为X、宽度为Y，令弓形组的宽度均为B、其中最内侧枝节长度为K、中间枝节长 度为M、最外侧枝节长度为N。各参数取值范围是：P＝4～80mm、X＝3～20mm、Y＝0.1～ 10mm、B＝0.1～10mm、K＝0.5～10mm、M＝0.5～10mm、N＝0.5～10mm。
有益效果：本发明的宽频透明吸波体，与传统的超材料隐身体相比， 本发明制备简单，加工工艺成熟，可以应用于可视化的特殊场景，极大弥补了传 统超材料在应用方面的缺失；同时本发明通过多层谐振结构及介质层复合的方式， 极大地增加了其在低频处对电磁波的吸收，将入射电磁波以其他形式的能量损耗 掉，有效拓宽了其吸波频带，具有传统超材料所不具备的优异吸波性能，其最外 侧的第一介质层可用来保护内部的谐振结构，具有良好的环境适应性。本发明提 出的超宽频多层复合超材料吸波体能够在2～18GHz、26.5～40GHz的宽频、多波 段范围内实现对电磁波的有效吸收，由于本发明中的谐振结构均为中心对称图形， 因此其对斜入射电磁波具有良好的入射角稳定性。
附图说明
图1为宽频透明吸波体单个单元结构的侧视图及尺寸标注。
图2为宽频透明吸波体单个单元结构中第一谐振结构的正视图。
图3为宽频透明吸波体单个单元结构中第二谐振结构的正视图。
图4为实施例1在电磁波垂直入射时，宽频透明吸波体的正入射反射 率。
图5为实施例1在电磁波斜入射时，宽频透明吸波体对TE波的吸收 率。
图6为实施例1在电磁波斜入射时，宽频透明吸波体对TM波的吸收 率。
图7为实施例2的单元体结构中第一谐振结构的正视图。
图8为实施例2的单元体结构中第二谐振结构的正视图。
图9为实施例2在电磁波斜入射时，透明吸波体对TE波的吸收率。
图10为实施例2在电磁波斜入射时，透明吸波体对TM波的吸收率。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的原理及精神进行进一步阐释。显而 易见的，以下实施例只是本发明所有实施例中的一部分；本领域劳动人员在不脱 离本发明原理和精神的前提下，做出的未付出创新性的劳动，例如对本发明的内 容做出修改和调整，达到和本发明相似的有益效果，从而获得的其他实施例，都 属于本发明要求的权利保护范围之内。
实施例1：一种宽频透明吸波体，如图1所示，其单元结构自上而 下分别为：第一介质层1、第一谐振结构2、第二介质层3、第二谐振结构4、第 三介质层5、反射层6。如图2所示，所述第一谐振结构为中心对称的圆环。如 图3所示，所述第二谐振结构为中心对称图形，包括外侧封闭的方环、内侧未封 闭的弓形组。所述第二谐振结构的未封闭弓形组包括4个小弓形单元，每个小弓 形单元由2个最外侧枝节、2个中间枝节、1个最内侧枝节组成，中间枝节分别 与最外侧枝节、最内侧枝节垂直连接。值得注意的是，所述第一谐振结构为圆环，也可以是本领域科技人员能想到的其他任意中心对称图形，如十字形、方环、米 字形、X形等；所述第二谐振结构中的弓形组，其内部还可以有其他中心对称的 谐振图案，如方环、圆环、X形、十字形、米字形、正六边形等，也可以没有。
如图1所示，所述第一介质层1的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，第一谐 振结构2的材质为透明氧化铟锡，第二介质层3的材质为玻璃，第二谐振结构4 的材质为氧化铟锡，第三介质层5的材质为聚碳酸酯，反射层6的材质为氧化铟 锡。
如图1、图2、图3所示，令第一介质层1的厚度为h1、第一谐振结 构2的厚度为h2、第二介质层3的厚度为h3、第二谐振结构4的厚度为h4、第 三介质层5的厚度为h5、反射层的厚度6为h6；令单个单元体的周期为P,第一 层谐振结构中圆环的内径为R、环宽为d，第二层谐振结构中外方环的长度为X、 宽度为Y，令弓形组的宽度均为B、其中最内侧枝节长度为K、中间枝节长度为M、 最外侧枝节长度为N，具体参数值取值如下：h1＝5mm、h2＝50nm、h3＝2mm、h4＝80nm、 h5＝1.5mm、h6＝80nm、P＝30mm、R＝10mm、d＝2mm、X＝5mm、Y＝0.3mm、B＝0.2mm、K＝1.5mm、 M＝0.8mm、N＝1mm。
如图4所示，该透明吸波体具备优异的超宽频多波段吸波性能，当电 磁波垂直入射时，该吸波体在2.9～18GHz、26.5～40GHz的正入射反射系数 <-10dB；图5是电磁波斜入射时，该吸波体对TE波的吸收率；图6是电磁波斜 入射时，该吸波体对TM波的吸收率；由图5、图6可知，当电磁波从不同的角 度斜入射时，该吸波体始终能在和45°的入射角范围内实现对TE、TM波90％及 以上的吸收，说明该吸波体对斜入射电磁波具有良好的入射角稳定性。
实施例2：一种宽频透明吸波体，如图1所示，其单元结构自上而下 分别为：第一介质层1、第一谐振结构2、第二介质层3、第二谐振结构4、第三 介质层5、反射层6。如图7所示，所述第一谐振结构为中心对称的十字形。如 图8所示，所述第二谐振结构为中心对称图形，包括外侧封闭的方环、内侧未封 闭的弓形组。所述第二谐振结构的未封闭弓形组包括4个小弓形单元，每个小弓 形单元由2个最外侧枝节、2个中间枝节、1个最内侧枝节组成，中间枝节分别 与最外侧枝节、最内侧枝节垂直连接；其中，所述第一谐振结构为十字形，也可以是本领域科技人员能想到的其他任意中心对称图形，如圆形、方环、米字形、 X形等；所述第二谐振结构中的弓形组，其内部还可以有其他中心对称的谐振图 案，如方环、圆环、十字形、米字形、正六边形等，也可以没有。
如图1所示，所述第一介质层1的材质为玻璃，第一谐振结构2的材 质为铝掺杂氧化锌，第二介质层3的材质为玻璃，第二谐振结构4的材质为氧化 铟锡，第三介质层5的材质为聚二甲基硅氧烷，反射层6的材质为氧化铟锡。
如图1、图7、图8所示，令第一介质层1的厚度为h1、第一谐振结 构2的厚度为h2、第二介质层3的厚度为h3、第二谐振结构4的厚度为h4、第 三介质层5的厚度为h5、反射层6的厚度6为h6；令单个单元体的周期为P,第 一层谐振结构中十字形的长度为a1、宽度为b1，第二层谐振结构中外方环的长 度为X、宽度为Y，令弓形组的宽度均为B、其中最内侧枝节长度为K、中间枝节 长度为M、最外侧枝节长度为N。具体参数值取值如下：h1＝4mm、h2＝100nm、h3＝3mm、 h4＝150nm、h5＝2mm、h6＝200nm、P＝20mm、a1＝10mm、b1＝0.5mm、X＝15mm、Y＝1mm、 B＝1.5mm、K＝5mm、M＝3mm、N＝2mm。
该透明吸波体具备优异的宽频多波段吸波性能，当电磁波垂直入射时， 该吸波体在2.9～18GHz、26.5～40GHz的正入射反射系数<-10dB；图9是电磁波 斜入射时，该吸波体对TE波的吸收率；图10是电磁波斜入射时，该吸波体对 TM波的吸收率；由图9、图10可知，当电磁波从不同的角度斜入射时，该吸波 体始终能在45°的入射角范围内实现对TE、TM波90％及以上的吸收，说明该吸 波体对斜入射电磁波具有良好的入射角稳定性。
以上阐释了本发明的原理、精神和部分具体实施例，本领域的劳动人 员应该了解到，以上具体实施例只是本发明实施例中的一部分，在不脱离本发明 原理和精神的前提下，本发明还可以做出各种改进和变形，获得其他相似或更优 的有益效果，例如改变第一、第二谐振结构的图案为其他中心对称图形，改变本 发明中的材质、结构参数等，从而获得的其他吸收频带更宽、峰值更强的实施例， 这些改进和变形都属于本发明要求保护的权力范围之内，本发明要求保护范围由 权利要求及其等同界定。
Claims (5)
1.一种宽频透明吸波体，其特征在于，所述吸波体是由多层透明谐振结构及透明介质材料复合组成的单元体周期性排列而成；所述周期性排列的单元体具有特定的结构，其结构自上而下分别为：第一介质层、第一谐振结构、第二介质层、第二谐振结构、第三介质层、反射层；所述吸波体在S、C、X、Ku、Ka波段均产生吸波效果。
2.根据权利要求1所述的宽频透明吸波体，其特征在于，所述第一谐振结构为中心对称结构；所述第二谐振结构也为中心对称图形，其包括外侧封闭的方环、内侧未封闭的弓形组；所述未封闭的弓形组包括4个小弓形单元，每个小弓形单元由2个最外侧枝节、2个中间枝节、1个最内侧枝节组成，中间枝节分别与最外侧枝节、最内侧枝节垂直连接。
3.根据权利要求2所述的宽频透明吸波体，其特征在于，所述第一谐振结构为任意中心对称图形；所述第二谐振结构中的弓形组，其内部还设置有中心对称图案。
4.根据权利要求1所述的宽频透明吸波体，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层的材质均为透明介质材料，包括玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯中的一种或几种；所述第一谐振结构、第二谐振结构、反射层的材质均为透明导电材料，包括氟掺杂二氧化砷、铝掺杂氧化锌、纳米银线、氧化铟锡中的一种或几种。
5.根据权利要求2或3所述的宽频透明吸波体，其特征在于，令单个单元体的周期为P,第二谐振结构中方环的长度为X、宽度为Y，令弓形组的宽度均为B、其中最内侧枝节长度为K、中间枝节长度为M、最外侧枝节长度为N；各参数取值范围是：P＝4～80mm、X＝3～20mm、Y＝0.1～10mm、B＝0.1～10mm、K＝0.5～10mm、M＝0.5～10mm、N＝0.5～10mm。
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Cited By (1)
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| CN114927880A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-19 | 北京环境特性研究所 | 一种吸波单元及吸波超表面 |
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2022
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| CN114927880A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-19 | 北京环境特性研究所 | 一种吸波单元及吸波超表面 |
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