CN114465015A - 一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体，包含若干个在二维空间呈周期性阵列分布的超材料吸波体结构单元；超材料吸波体结构单元包含低红外发射板和微波吸收板；微波吸收板包含由上至下的透明介质基板层、透明平板层、透明介质基板层、透明反射层；红外发射板下端面的四角通过四根塑料柱和微波吸收板上端面的四个角一一对应垂直固连，使得红外发射板和微波吸收板平行设置且中间留有空气层。本发明使用了光学透明轻质柔性的聚氯乙烯（PVC)和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）作为基材，使其在实际工程应用中倍受青睐，具有多功能隐身技术的实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波和新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体。
背景技术
随着通过雷达、激光、红外（IR）和可见光的先进探测技术的迅速发展，提高军事目标的隐身能力已成为当今的重要问题。雷达和红外探测是两种最常用的方法，因此迫切需要开发雷达和红外隐身兼容技术。雷达隐身的关键技术是降低雷达回波功率或偏转回波方向，以减小目标的雷达截面。红外探测器通过检测目标产生的红外辐射来定位、跟踪、引导和攻击。因此，对红外隐身的关注是减少或改变目标的红外辐射特性。根据基尔霍夫定律，红外隐身材料的需求低吸收率和高反射率。但是，雷达隐身材料要求低反射和高吸收。同时实现高微波吸收和低IR发射是困难的。在特殊条件下，例如飞机或汽车上的窗户，隐形材料应为光学透明的。因此，发明一种光学透明柔性的超宽带微波/红外兼容的吸波体已称为当前的紧迫课题。
最近，已经提出了人工结构的超材料来控制电磁波的传播或散射特性。我们可以精心设计超材料的本构参数，从而大大拓宽了自然界发现的材料响应的范围，并产生了诸如负折射，完美晶状体和隐形斗篷等奇特的特性。由于超材料在操纵电磁波方面的出色表现，因此在隐形技术中引起了极大的关注。目前，已经提出了许多技术来实现光学透明的超材料吸收体和超宽带吸波体，但无法兼顾红外与微波两个方面的吸收；也有提出了同时具有高微波吸收率和低IR发射率的超材料吸波体，但无法实现光学透明或无法达到超宽带微波吸收以红外发射率偏高，这就限制了其在一些需要高透光率的器件上的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体，解决了目前的吸波体无法兼顾实现超宽带、低红外发射率、柔性、光学透明的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体，包含若干个在二维空间呈周期性阵列分布的超材料吸波体结构单元；
所述超材料吸波体结构单元包含低红外发射板和微波吸收板；
所述红外发射板呈正方形、为上表面刻蚀有第一透明导电薄膜的聚氯乙烯介质基板，所述第一透明导电薄膜包含若干周期性阵列分布的正方形的方块薄膜；
所述微波吸收板包含由上至下的透明平板层、透明介质基板层、透明反射层；
所述透明平板层、透明介质基板层、透明反射层均为形状和所述红外发射板相同的正方形，其中，所述透明平板层为上表面刻蚀有第二透明导电薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板；所述透明介质基板层采用聚氯乙烯介质基板；所述透明反射层为上表面设有第三透明导电薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板，所述第三透明导电薄膜形状和其下苯二甲酸乙二醇酯介质基板相同；
所述第二透明导电薄膜包含第一至第三方环薄膜，所述第一至第三方环的环宽相同，第一方环设置在第二方环内 ，第二方环设置在第三方环内，第一方环和第二方环之间的间距等于第二方环和第三方环之间的间距，且第一至第三方环在其四边的中点处沿垂直于其边长的方向均设有开口；
所述红外发射板下端面的四角通过四根塑料柱和所述微波吸收板透明平板层上端面的四角一一对应垂直固连，使得红外发射板和微波吸收板平行设置且中间留有空气层。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述红外发射板中的聚氯乙烯介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.06。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述低红外发射板的厚度为0.125mm，微波吸收板的厚度为2mm，低红外发射板和微波吸收板之间空气层的厚度为1.8mm。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述透明介质基板层中的聚氯乙烯介质基板的介电常数为3.07，损耗角正切为0.014，厚度2mm。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述透明平板层、透明反射层中的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.06,厚度0.125mm。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述第一至第三透明导电薄膜采用氧化铟锡、掺杂氟的二氧化锡、铝掺杂的氧化锌、聚合物基透明导体中的任意一种透明导电薄膜。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述透明微波吸收板中平板层的边长为13.5mm，所述第三方环四条边上的开口宽度0.1mm，第二方环四条边上的开口宽度0.1mm，第一方环四条边上的开口宽度0.1mm,第三方环的外边长为13.5mm，第二方环的外边长为9mm，第一方环的外边长4.5mm, 第一至第三方环的环宽均为1.75mm，第一方环和第二方环之间的间隔0.5mm。
作为本发明一种低红外发射率的超材料吸波体进一步的优化方案，所述第二透明导电薄膜的膜厚为55nm，第三透明导电薄膜的膜厚为185nm，第二、第三透明导电薄膜方阻的取值范围为6-300Ω/sq。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明合理部署红外发射层低阻值ITO的面积比，实现了0.36的低红外发射率；
2. 本发明设计的低红外发射率超材料吸波体在5.57GHz~18.87GHz频段内吸收率在90％以上，其相对带宽为108.8%，实现了超宽带微波吸收；
3. 本发明设计的低红外发射率超材料吸波体兼顾低红外发射率、高微波吸收率、超宽带、光学透明等性能，在军事隐身方面具有很大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明中超材料吸波体结构单元的结构示意图；
图2是本发明中低红外发射板的俯视示意图；
图3是本发明中微波吸收板的俯视示意图；
图4是本发明中超材料吸波体结构单元的侧视示意图；
图5是本发明中超材料吸波体结构单元的剖面示意图；
图6是本发明在垂直入射电磁波下的S参数曲线示意图；
图7 是本发明在垂直入射电磁波下的吸波率曲线示意图。
图中，1-低红外发射板，2-微波吸收板，3-空气层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
研究显示连续金属是用于红外隐身的理想材料，这是因为金属的发射率相对较低，而电介质的发射率较高，故对于将金属覆盖在电介质上制成的器件，金属的面积比越大，其红外发射率越低。但是，厚度大于集肤深度的连续金属薄板在微波频段会发生强反射。当连续金属板以一些间隙阵列构图时，在微波频段内电磁波可以透过它，此时位于低红外发射率层的微波吸收层，就可实现微波吸收。低阻值的ITO薄膜用于低红外发射层与微波吸收层背板的类金属等效，入射电磁波首先经由低红外发射层，鉴于高填充率的ITO薄膜实现了低红外发射率，穿过空气层，通过低红外发射层间隙到达的电磁波入射到微波吸收层，再经过微波吸收层的良好阻抗匹配与欧姆损耗和介电损耗，实现了超宽带的微波吸收。
如图1所示，本发明公开了一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体，包含若干个在二维空间呈周期性阵列分布的超材料吸波体结构单元；
所述超材料吸波体结构单元包含低红外发射板和微波吸收板；
所述红外发射板呈正方形、为上表面刻蚀有第一透明导电薄膜的聚氯乙烯介质基板，所述第一透明导电薄膜包含若干周期性阵列分布的正方形的方块薄膜；
所述微波吸收板包含由上至下的透明平板层、透明介质基板层、透明反射层；
所述透明平板层、透明超材料层、透明反射层均为形状和所述红外发射板相同的正方形，其中，所述透明平板层为上表面刻蚀有第二透明导电薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板（PET）；所述透明介质基板层采用聚氯乙烯介质基板（PVC）；所述透明反射层为上表面设有第三透明导电薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板（PET），所述第三透明导电薄膜形状和其下苯二甲酸乙二醇酯介质基板相同；
所述第二透明导电薄膜包含第一至第三方环薄膜，所述第一至第三方环的环宽相同，第一方环设置在第二方环内 ，第二方环设置在第三方环内，第一方环和第二方环之间的间距等于第二方环和第三方环之间的间距，且第一至第三方环在其四边的中点处沿垂直于其边长的方向均设有开口；
所述红外发射板下端面的四角通过四根塑料柱和所述微波吸收板透明平板层上端面的四角一一对应垂直固连，使得红外发射板和微波吸收板平行设置且中间留有空气层。
所述第一至第三透明导电薄膜采用氧化铟锡、掺杂氟的二氧化锡、铝掺杂的氧化锌、聚合物基透明导体中的任意一种透明导电薄膜，优先采用氧化铟锡透明导电薄膜（ITO）。
所述第二透明导电薄膜的膜厚为55nm，第三透明导电薄膜的膜厚为185nm，第二、第三透明导电薄膜方阻的取值范围为6-300Ω/sq。
图2为低红外发射率超材料吸波体的低红外发射板的单元结构俯视图，第一透明导电薄膜采用氧化铟锡透明导电薄膜（ITO），结构尺寸如下：l1=13.5mm，a=1.58mm，g=0.4mm, 可以通过结构的高填充率的低阻值导电薄膜材料来获得低的红外发射率。具体而言，可以将发射率u计算为u=umfm+ud（1-fm），其中u是结构的发射率，um和ud分别是低阻值导电薄膜材料和介质基板的发射率，fm是低阻值导电薄膜材料的填充率（低阻值导电薄膜材料面积/总面积，其中低阻值(R1=6Ω/sq) ITO的发射率为0.1，聚氯乙烯介质基板的发射率为0.9，聚氯乙烯介质基板的厚度为0.125mm，其介电常数为3，损耗角正切为0.06，经计算得到的红外发射率为0.36。
图3为低红外发射率超材料吸波体的微波吸收板的单元结构俯视图，其尺寸如下，l2=13.5mm，a1=2.2mm，a2=4.45mm， a3=6.7mm， b1=0.1mm， b2=0.1mm， b3=0.1mm，w=0.5mm，v=1.75mm。即透明超材料层的边长为15mm，第三方环四条边上的开口宽度0.8mm，第二方环四条边上的开口宽度0.6mm，第一方环四条边上的开口宽度0.35mm,第三方环的外边长为13.5mm，第二方环的外边长为9mm，第一方环的外边长4.5mm, 第一至第三方环的环宽均为1.75mm，第一方环和第二方环之间的间隔0.5mm。
图4为低红外发射率超材料吸波体的单元结构侧视图，空气层厚度为tk=1.8mm，微波吸收板厚度为tw=2.25mm。
图5为微波吸收板的结构侧视图，结构尺寸如下：包括最上层图案化的PET-ITO薄膜电阻层、中间层介质基板层和最下层连续的PET-ITO薄膜电阻层，中间介质基板层为PVC，厚度为tpvc=2mm，其介电常数为3.07，损耗角正切为0.014。刻蚀ITO的PET基板其厚度为tpet=0.125mm，图案化的ITO薄膜阻值R2=100Ω/sq，最下层连续ITO薄膜阻值R3=6Ω/sq，图案化ITO薄膜厚度为55nm，连续ITO薄膜厚度为185nm。
所述透明超材料层中的聚氯乙烯介质基板的介电常数为3.07，损耗角正切为0.014，厚度2mm。
图6为低红外发射率超材料吸波体的S参数曲线图，利用电磁仿真软件CST的频域求解器得到了对应的S参数，在5.57~18.87 GHz内吸收率均在90％以上，吸收带宽为108.8%。
图7为低红外发射率超材料吸波体的在垂直入射电磁波下的吸波率曲线图。
将图6得到的S参数，再利用公式A(ω)=1-R(ω)-T(ω)=1-|S11|2-|S21|2得到吸收率曲线图，在5.57~18.87 GHz内吸收率均在90％以上，吸收带宽为108.8%。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体，其特征在于，包含若干个在二维空间呈周期性阵列分布的超材料吸波体结构单元；
所述超材料吸波体结构单元包含低红外发射板和微波吸收板；
所述红外发射板呈正方形、为上表面刻蚀有第一透明导电薄膜的聚氯乙烯介质基板，所述第一透明导电薄膜包含若干周期性阵列分布的正方形的方块薄膜；
所述微波吸收板包含由上至下的透明平板层、透明介质基板层、透明反射层；
所述透明平板层、透明介质基板层、透明反射层均为形状和所述红外发射板相同的正方形，其中，所述透明平板层为上表面刻蚀有第二透明导电薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板；所述透明介质基板层采用聚氯乙烯介质基板；所述透明反射层为上表面设有第三透明导电薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板，所述第三透明导电薄膜形状和其下苯二甲酸乙二醇酯介质基板相同；
所述第二透明导电薄膜包含第一至第三方环薄膜，所述第一至第三方环的环宽相同，第一方环设置在第二方环内 ，第二方环设置在第三方环内，第一方环和第二方环之间的间距等于第二方环和第三方环之间的间距，且第一至第三方环在其四边的中点处沿垂直于其边长的方向均设有开口；
所述红外发射板下端面的四角通过四根塑料柱和所述微波吸收板透明平板层上端面的四角一一对应垂直固连，使得红外发射板和微波吸收板平行设置且中间留有空气层。
2.根据权利要求1所述低红外发射率的超材料吸波体，其特征在于，所述红外发射板中的聚氯乙烯介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.06。
3.根据权利要求1所述低红外发射率的超材料吸波体，其特征在于，所述低红外发射板的厚度为0.125mm，微波吸收板的厚度为2mm，低红外发射板和微波吸收板之间空气层的厚度为1.8mm。
4.根据权利要求1所述的超宽带超薄光学透明的超材料吸波体，其特征在于，所述透明介质基板层中的聚氯乙烯介质基板的介电常数为3.07，损耗角正切为0.014，厚度2mm。
5. 根据权利要求1所述的超宽带超薄光学透明的超材料吸波体，其特征在于，所述透明平板层、透明反射层中的聚对苯二甲酸乙二醇酯介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.06, 厚度0.125mm。
6.根据权利要求1所述的超宽带超薄光学透明的超材料吸波体，其特征在于，所述第一至第三透明导电薄膜采用氧化铟锡、掺杂氟的二氧化锡、铝掺杂的氧化锌、聚合物基透明导体中的任意一种透明导电薄膜。
7. 根据权利要求1所述的超宽带超薄光学透明的超材料吸波体，其特征在于，所述微波吸收板中平板层的边长为13.5mm，所述第三方环四条边上的开口宽度0.1mm，第二方环四条边上的开口宽度0.1mm，第一方环四条边上的开口宽度0.1mm,第三方环的外边长为13.5mm，第二方环的外边长为9mm，第一方环的外边长4.5mm, 第一至第三方环的环宽均为1.75mm，第一方环和第二方环之间的间隔0.5mm。
8.根据权利要求1所述的超宽带超薄光学透明的超材料吸波体，其特征在于，所述第二透明导电薄膜的膜厚为55nm，第三透明导电薄膜的膜厚为185nm，第二、第三透明导电薄膜方阻的取值范围为6-300Ω/sq。
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| CN106252897A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-12-21 | 江苏赛博防务技术有限公司 | 透明宽带超材料吸波器 |
| CN112622391A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-04-09 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构 |
| CN113328261A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-31 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器 |
-
2022
- 2022-01-05 CN CN202210005893.3A patent/CN114465015A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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