CN114501969A - 一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗 - Google Patents
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Abstract
一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗属于光学透明电磁屏蔽及微波吸收领域。该高透光微波吸收光窗由图案化热致相变材料层、透明介质层和透明微波屏蔽层共同构成，图案化热致相变材料和透明微波屏蔽层分别平行放置于透明介质层的两侧。本发明在高光学透明的前提下，通过控制温度可以实现光窗吸收率的连续变化，且光窗在峰值温度可以实现近100％的峰值吸收率。除此之外，本发明微波吸收光窗的峰值温度可通过控制热致相变材料方阻和图案化热致相变材料层的占空比来调节。本发明扩展了相变材料在GHz领域的应用，且具有设计灵活、热可调、应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明属于光学透明电磁屏蔽及微波吸收领域，特别涉及一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗。
背景技术
近年来，从雷达探测、电子侦察、卫星通信到手机通讯、电磁探伤、医疗诊断等，电磁波应用覆盖着从军事国防到人们日常生产生活的各个领域中。伴随着电磁波应用的不断发展，空间中已充斥着各种频率的电磁波信号。自上世纪70年代以来，由于微波半导体电路的飞速发展，微波在无线电通讯技术领域中占有越来越重要的地位。微波的广泛应用在给人们生活带来便利的同时，包含对人体健康带来的危害和对电子设备造成电磁干扰从而产生系统失效等问题的副作用也越来越引起人们的重视，电磁屏蔽技术也随之兴起。
电磁屏蔽主要以电磁反射和电磁吸收两种方式实现，其中，微波吸收器采用的吸收型电磁屏蔽方法，因无电磁波反射回空间，是较为理想的电磁屏蔽方法，特别是在军事装备的雷达隐身方面，极具应用价值。但是，基于传统材料的微波吸收器对微波吸收的形式属于被动吸收，吸收特性固定，缺乏适应性和可调谐性，难以满足实际需要。因此，如何对吸收特性进行调控成为研究的重点。
目前，微波可调吸收的一个难点和热点问题是如何应用于需要光学透明的场合，如飞机/卫星/舰船/汽车的光窗、光学仪器光窗和显示面板、电磁隔离室和保密设施光窗、通讯设备的透明元件、手机触屏等。在这些领域中开发透明微波可调吸收材料和器件具有十分广阔的应用前景。
相变材料随外部激励驱动会产生可逆的电磁特性的变化，其中，二氧化钒由于相变温度接近室温，理论电导率有将近5个数量级的可调范围引起了大量的关注。专利202110465365.1、202110497432.8、202010331974.3、202011261049.4、202022308742.4、201821278319.0、201821438858.6、201821446265.4、201821907011.8、201920654141.3、201921357422.9、201921357423.3、201921831563.X等都是基于二氧化钒的吸波器，但是针对光学透明和微波吸收，这些吸波器主要存在如下三个缺陷：
1、这些吸波器都工作于THz波段，由于相变材料在THz波段和微波波段的电磁性质差异较大，此类THz吸波器在微波波段的吸收特性发生变化，无法将该类THz吸波器应用于微波波段；
2、这些吸波器通常构建于金属反射层上，且二氧化钒的图案占空比较大，导致光学波段的不透明或透明性很差，无法应用于光学透明场合；
3、现有吸波器主要基于理想的相变材料，相变后的理想电导率近似于金属的电导率；但是实际中，实际相变后的电导率远远达不到金属的电导率；且相变材料理论极限为5个量级的电导率变化，在实际使用中，由于各种因素，相变材料的电导率变化也很难达到5个数量级；这些因素导致按理论情况设计的现有吸波器在实际应用中效果不佳；除此之外，现有基于理想相变材料的吸波器也少见调制到近100％的吸收峰值，因此现有吸波器在实际应用中难以调制到近100％的吸收峰值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术方案的不足，研发一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，在高光学透明的前提下，在室温到峰值温度T的变化范围内，随温度的升高，光窗的微波吸收率增加；在峰值温度T时，可以实现接近100％的峰值吸收率。并且峰值温度T由热致相变材料方阻和图案化热致相变材料层的占空比决定，热致相变材料方阻越大，图案化热致相变材料层的占空比越小，峰值温度T越大，热可调微波吸收光窗的温度可调范围越大。本发明还用一个实施例证明了本发明的可行性，扩展了相变材料在微波领域的应用。
本发明采用的技术方案是：一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗：所述光窗包括由上至下依次堆叠的图案化热致相变材料层、透明介质层和透明微波屏蔽层；所述图案化热致相变材料层是指在透明介质层上表面由热致相变材料贴片单元排布构成的图案层；所述热致相变材料是指可在温度的驱动下实现电导率可逆且连续变化的材料；所述热可调微波吸收光窗在室温到峰值温度T的变化范围内，随温度的升高，光窗的微波吸收率增加；所述热可调微波吸收光窗在峰值温度T时，可以实现接近100％的峰值吸收率；所述峰值温度T由热致相变材料方阻和图案化热致相变材料层的占空比决定，热致相变材料方阻越大，图案化热致相变材料层的占空比越小，峰值温度T越大，热可调微波吸收光窗的温度可调范围越大；所述图案化热致相变材料层的占空比是指在一个热致相变材料贴片单元中热致相变材料贴片的总面积与热致相变材料贴片单元面积的比值；
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，在图案化热致相变材料层上侧依次平行配置单层或多层的增透膜A和单层或多层的保护层A；在透明微波屏蔽层上侧平行配置的黏连层；在透明微波屏蔽层下侧依次平行配置单层或多层的增透膜B和单层或多层的保护层B；
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述热致相变材料包括二氧化钒、三氧化二钒、氧化钒、五氧化二钒。
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述热致相变材料贴片单元的形状包括十字形、Y形、圆形、方形、耶路撒冷形、六边形、偶极子形、锚形、十字环形、圆环形、方环形、Y环形、耶路撒冷环形、六边环形、偶极子环形、锚环形。
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述的图案化热致相变材料层中热致相变材料的厚度大于50nm。
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述透明介质层可以为任意透明材料，所述透明材料能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料。
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述透明微波屏蔽层可以为任意透明强微波屏蔽材料，所述透明强微波屏蔽材料能够作为满足使用场合要求的透明材料并且具有强的微波屏蔽能力。
作为一种优选基本结构，上述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述的图案化热致相变材料层的占空比大于3％且小于20％。
本发明的创新性和良好效果是：
1、本发明提出由图案化热致相变材料层、透明介质层和透明微波屏蔽层组成的幅值可连续温控调节高透光微波吸收光窗。在微波波段，该光窗的吸收机理是由于电磁波入射到图案化热致相变材料层时直接反射的电磁波和由图案化热致相变材料层与透明微波屏蔽层组成的平行平板反射出的电磁波产生了干涉相消，并利用相变材料在微波呈现的电阻特性，耗散电磁波，从而实现微波吸收特性。在室温时，虽然电磁波入射到图案化热致相变材料层时直接反射的电磁波和由图案化热致相变材料层与透明微波屏蔽层组成的平行平板反射出的电磁波产生了干涉相消，但是由于平行平板反射出的电磁波能量大于图案化热致相变材料层时直接反射的电磁波能量，导致反射电磁波的能量不匹配，吸收较低；利用相变材料随着温度从室温上升，电导率会增加的特性，电磁波入射到图案化热致相变材料层时直接反射的电磁波能量随着温度升高增加，而由图案化热致相变材料层与透明微波屏蔽层组成的平行平板反射出的电磁波能量随着温度升高减小，两者能量差随着温度升高减小，对电磁波的耗散增加，实现微波吸收率的热可调特性。在光窗温度为峰值温度T时，两者反射的电磁波能量近乎相等，对电磁波的耗散达到最大，可以实现微波波段近100％的峰值吸收率。
2、在创新性1的基础上，本发明创新性还在于由热致相变材料方阻和图案化热致相变材料层占空比决定的峰值温度T，热致相变材料的方阻越大，图案化热致相变材料层的占空比越小，峰值温度T越大，热可调微波吸收光窗的温度可调范围越大。这样的良好效果在于可以根据实际的不同应用场合设计不同的占空比以及采用不同方阻的热致相变材料，实现实际应用需求的峰值温度和温度可调范围。
3、在考虑实际使用过程中，由于各种因素，相变材料的电导率达不到5个数量级的变化，导致目前很多发明中的吸波器在实际应用中效果不佳。本发明考虑了实际使用过程中相变材料电导率的变化情况。在实际中，相变后的相变材料方阻最小可以达到5Ω/sq。计算分析得到的近100％的峰值吸收率在图案化热致相变材料层的占空比为3％-20％之间时，所需要相变材料的方阻为9Ω/sq到80Ω/sq，在实际中可以达到。因此本发明在实际应用中也能达到良好吸收效果(近100％的峰值吸收率)。
4、本发明的微波吸收光窗，采用的图案化热致相变材料层占空比小于20％，图案化热致相变材料层的透光优于80％，且采用以石英玻璃、PMMA为代表的透明介质层以及以金属网栅、氧化铟锡为代表的透明微波屏蔽层，并将三者构成层叠结构，由于各单元均有良好的光学透明性，且光波仅穿过层叠结构一次，因此微波吸收光窗具有高光学透明性。在实际使用过程中，可以采用较小方阻的相变材料以在相同峰值温度T时提高透光率。
综上，本发明在高光学透明的前提下，光窗通过控制温度可以实现不同幅值的吸收，而且在峰值温度时可以实现近100％的峰值吸收率。同时可以通过控制热致相变材料方阻和图案化热致相变材料的占空比来控制峰值温度与温度可调范围，是一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗。本发明考虑了相变材料的实际特性，因而实用性强。
附图说明：
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗的一种优选结构剖面示意图。
图2是贴片单元的示意图。
图3是不同贴片单元形状的示意图。
图4是实施例1的结构示意图。
图5是实施例1的理论计算不同方阻对微波吸收光窗吸收性能的影响。
图中件号说明：1.保护层A；2.增透膜A；3.图案化热致相变材料层；4.透明介质层；5.黏连层；6.透明微波屏蔽层；7.增透膜B；8.保护层B；9.热致相变材料贴片单元；10.二氧化钒；11.石英玻璃；12.透明ITO背板。
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：本发明的目的是这样实现的：所述光窗包括由上至下依次堆叠的图案化热致相变材料层3、透明介质层4和透明微波屏蔽层6；所述图案化热致相变材料层3是指在透明介质层4上表面由热致相变材料贴片单元9排布构成的图案层；所述热致相变材料是指可在温度的驱动下实现电导率可逆且连续变化的材料；所述热可调微波吸收光窗在室温到峰值温度T的变化范围内，随温度的升高，光窗的微波吸收率增加；所述热可调微波吸收光窗在峰值温度T时，可以实现接近100％的峰值吸收率；所述峰值温度T由热致相变材料方阻和图案化热致相变材料层3的占空比决定，热致相变材料方阻越大，图案化热致相变材料层3的占空比越小，峰值温度T越大，热可调微波吸收光窗的温度可调范围越大；所述图案化热致相变材料层3的占空比是指在一个热致相变材料贴片单元9中热致相变材料贴片的总面积与热致相变材料贴片单元9面积的比值。
图1是一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗的一种优选结构剖面示意图，所述透明介质层4可以为任意透明材料，只要能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料，同时能够将图案化热致相变材料层3和透明微波屏蔽层6按一定工艺流程加工于其表面，包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；黏连层5帮助将透明微波屏蔽层6固定于透明介质层4的下侧；单层或者多层增透膜(2和7)增强光窗的透光能力；单层或者多层的保护层(1和8)被用来保护图案化热致相变材料层3和透明微波屏蔽层6，以防止被划伤或长期暴露于空气中造成腐蚀和氧化，避免影响图案化热致相变材料层3和透明微波屏蔽层6的电磁传输性能。实际应用中，图案化热致相变材料层3、透明介质5和透明微波屏蔽层6是本发明不可或缺的因素，根据工艺和实际应用场合，黏连层5、增透膜(2和7)和保护层(1和8)可以具备或不具备。
图2列举了本发明中图案化热致相变材料层3由热致相变材料贴片单元9排布构成的图案；以圆环周期性的阵列排布为例(图2仅展示5×3个圆环)。
图3为不同热致相变材料贴片单元9形状的示意图，(a)为十字形，(b)为圆形，(c)为方形，(d)为Y形，(e)为耶路撒冷形，(f)为六边形，(g)为偶极子孔形，(h)为锚形，(i)为十字环形，(j)为圆环形，(k)为方环形，(l)为Y环形，(m)为耶路撒冷环形，(n)为六边环形，(o)为偶极子环形，(p)为锚环形。
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更清楚、完整的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1：
根据本发明的一个实施例的结构示意图如图4所示，由顶部第一层图案化热致相变材料层、第二层透明石英玻璃、第三层透明ITO背板构成。本实例中图案化所用的贴片形状选择的是圆环形，占空比为10％；热致相变材料采用是二氧化钒，模拟不同温度的方阻变化范围为2000Ω/sq-40Ω/sq。透明微波屏蔽层采用的是透光96％、方阻为8Ω/sq的ITO薄膜，ITO和相变材料的厚度均为200nm。
由于高透光微波吸收光窗的重要参数之一为透光率，因此对实施例1样件的透光率进行分析，图案化相变材料3的透光率约为90％；透明微波屏蔽层6所用的ITO膜可见光透光率约为96％，因此整体结构的归一化可见光透光率约为86.4％。对透明性要求高的场合仍为适用。
本发明的效果可通过图5进一步说明：
由于方阻和温度呈对应关系，在计算分析中，用方阻来描述，本实施例中模拟不同温度的方阻变化范围为2000Ω/sq-40Ω/sq，计算分析基于该方阻变化范围的二氧化钒高透光微波吸收光窗的吸收性能的变化情况如图5所示。当方阻为2000Ω/sq时，微波吸收光窗的吸收率最差，最高吸收率仅30％，而当方阻降低为45Ω/sq时，微波吸收光窗的最高吸收率大于99.99％，将近100％，当方阻进一步降低时，微波吸收光窗的吸收率再次下降。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，所述光窗包括由上至下依次堆叠的图案化热致相变材料层(3)、透明介质层(4)和透明微波屏蔽层(6)；所述图案化热致相变材料层(3)是指在透明介质层(4)上表面由热致相变材料贴片单元(9)排布构成的图案层；所述热致相变材料是指可在温度的驱动下实现电导率可逆且连续变化的材料；所述热可调微波吸收光窗在室温到峰值温度T的变化范围内，随温度的升高，光窗的微波吸收率增加；所述热可调微波吸收光窗在峰值温度T时，可以实现接近100％的峰值吸收率；所述峰值温度T由热致相变材料方阻和图案化热致相变材料层(3)的占空比决定，热致相变材料方阻越大，图案化热致相变材料层(3)的占空比越小，峰值温度T越大，热可调微波吸收光窗的温度可调范围越大；所述图案化热致相变材料层(3)的占空比是指在一个热致相变材料贴片单元(9)中热致相变材料贴片的总面积与热致相变材料贴片单元(9)面积的比值。
2.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：在图案化热致相变材料层(3)上侧依次平行配置单层或多层的增透膜A(2)和单层或多层的保护层A(1)；在透明微波屏蔽层(6)上侧平行配置的黏连层(5)；在透明微波屏蔽层(6)下侧依次平行配置单层或多层的增透膜B(7)和单层或多层的保护层B(8)。
3.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：所述热致相变材料包括二氧化钒、三氧化二钒、氧化钒、五氧化二钒。
4.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：所述热致相变材料贴片单元(9)的形状包括十字形、Y形、圆形、方形、耶路撒冷形、六边形、偶极子形、锚形、十字环形、圆环形、方环形、Y环形、耶路撒冷环形、六边环形、偶极子环形、锚环形。
5.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：所述的图案化热致相变材料层(3)中热致相变材料的厚度大于50nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：所述透明介质层(4)可以为任意透明材料，所述透明材料能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：所述透明微波屏蔽层(6)可以为任意透明强微波屏蔽材料，所述透明强微波屏蔽材料能够作为满足使用场合要求的透明材料并且具有强的微波屏蔽能力。
8.根据权利要求1所述的一种基于热致相变材料的高透光热可调微波吸收光窗，其特征在于：所述的图案化热致相变材料层(3)的占空比大于3％且小于20％。
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| WO2015199624A1 (en) * | 2014-06-23 | 2015-12-30 | Aselsan Elektronik Sanayi Ve Ticaret Anonim Şirketi | A graphene based emi shielding optical coating |
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2022
- 2022-01-29 CN CN202210110004.XA patent/CN114501969A/zh active Pending
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