CN204793219U - 吸波超材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种吸波超材料，该吸波超材料包括：多个重叠设置的超材料片层，超材料片层包括基材和嵌入于基材内部的电阻层，其中，电阻层包括频率选择表面FSS。本实用新型通过在基材内部嵌入具有FSS结构的电阻层，能够在对电磁波进行吸收和损耗的同时，还能借助于FSS结构来实现模拟电路和阻抗的结合从而对衰减的电磁波进行频率选择，达到了很好的电磁波宽频吸收效果。

Description

吸波超材料

技术领域

本实用新型涉及超材料领域，具体来说，涉及一种吸波超材料。

背景技术

随着科学技术发展的日新月异，以电磁波为媒介的各种技术和产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如，无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞；移动电话可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；即使是普通的计算机，也会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和重现，造成国防、政治、经济、科技等方面情报的泄漏。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。

吸波材料是指能吸收、衰减入射电磁波、并将电磁能转换成热能或使电磁波干涉消失的一类功能材料。吸波技术包括涂层吸波和结构吸波两类，涂层吸波是指在结构表面涂敷具有吸波功能的涂料以达到损耗电磁波的目的，结构吸波则是赋予材料吸波和承载双重性能。

但是，现有的吸波材料大多是利用各个材料自身对电磁波的吸收性能，通过设计不同材料的组分使得混合后的材料具备吸波特性，此类材料设计复杂且不具有大规模推广性，对衰减的电磁波无法实现频率的选择，而且吸收电磁波的频带较窄，同时此类材料的机械性能受限于材料本身的机械性能，不能满足特殊场合的需求。

针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

针对相关技术中的上述问题，本实用新型提出一种吸波超材料，能够对衰减的电磁波实现频率的选择，并能够实现对电磁波的宽频吸收。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种吸波超材料。

该吸波超材料包括：

多个重叠设置的超材料片层，超材料片层包括基材和嵌入于基材内部的电阻层，其中，电阻层包括频率选择表面(FSS)。

可选的，不同超材料片层中的电阻层的厚度相同或者不同。

可选的，FSS上排布有多个导电几何结构。

优选的，FSS包括多个周期排布的导电几何结构。

优选的，同一超材料片层中的FSS上排布的多个导电几何结构的大小、线宽、以及间距相同或者不同。

优选的，不同超材料片层中的FSS上排布的多个导电几何结构的大小、线宽、以及间距相同或者不同。

可选的，不同超材料片层中的基材的厚度、电导率相同或不同。

优选的，基材为蜂窝基材或泡沫基材。

可选的，该吸波超材料还可进一步包括设置于多个重叠设置的超材料片层的底部的反射板。

其中，在反射板与超材料片层相接触的反射板的表面设置有吸波涂料。

其中，在每一个所述超材料片层中，电阻层的面积小于基材的面积。

优选的，在每一个所述超材料片层中，电阻层和基材均呈矩形，且二者的长或宽相等。

优选的，上述吸波超材料的吸波频段范围为0.8GHz～18GHz。

本实用新型通过在基材内部嵌入具有FSS结构的电阻层，能够在对电磁波进行吸收和损耗的同时，还能借助于FSS结构来实现模拟电路和阻抗的结合从而对衰减的电磁波进行频率选择，达到了很好的电磁波宽频吸收效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的吸波超材料的示意图。

图2是根据本实用新型实施例的吸波超材料的反射率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的实施例，提供了一种吸波超材料。

如图1所示，根据本实用新型实施例的吸波超材料包括：

多个重叠设置的超材料片层，这里示意了7层超材料片层11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g，其中，每个超材料片层(这里以11a为例来说明)均包括基材12a和嵌入于基材12a内部的电阻层13a，其中，为了使本实用新型的吸波超材料能够对吸收的电磁波进行频率的选择，在本实施例中，该电阻层13a中还包含有FSS(未示出)，这样就可通过调整FSS层，来实现该对电磁波吸收频率的选择。

在具体操作中，只需将电路层(即包含有FSS的电阻层13a)嵌入至基材12a内部。

其中，FSS上可排布有多个导电几何结构，这样，在对电磁波的频率进行选择性吸收时，可结合阻抗匹配原理及LC电路原理和传输线理论来根据阻抗匹配特性控制该吸波超材料的输入阻抗，并根据输入阻抗的要求来调整各个基材的参数(例如介电常数、材料组成、厚度、尺寸等)和FSS的参数(例如导电几何结构的尺寸、导电几何结构的排布方式，以及电阻层13a的厚度等)来使得该吸波超材料能够根据是设计情况来调整FSS的工作频率，从而使电磁波在宽频范围内实现很小的反射，达到在宽频范围内实现比较理想的吸收性能的效果。

优选的，在一个实施例中，该FSS可包括有多个周期排布的导电几何结构。

优选的，在另一个实施例中，对于同一超材料片层中的FSS上排布的多个导电几何结构来说，各个导电几何结构的大小、线宽、以及间距可以相同，也可以不同。

优选的，在另一个实施例中，对于不同超材料片层中的FSS上排布的多个导电几何结构来说，各个导电几何结构的大小、线宽、以及间距同样可以相同，也可以不同。

可选的，在一个实施例中，对于不同超材料片层中的电阻层来说，不同的电阻层的厚度可以相同，也可以不同，其中，电阻层的厚度范围可以为0.01mm～0.03mm，其中，在本例中，不同超材料片层中的电阻层的厚度是相同的，且它们的优选厚度为0.025mm。

另外，对于本实施例中超材料片层中的基材12a来说，该基材12a为蜂窝基材，但是，本实用新型对于超材料片层中的基材并不做具体限定，其只要是介电常数在3.8～4.8之间的基材即可。因此，在另一个可选的实施例中，该基材也可以是蜂窝基材，从而能够在保证吸波超材料的吸波性能的同时，还能使该吸波超材料的重量非常轻，并可以作为航空吸波材料的良好选择；并且，本实用新型借助于提供一种低介电常数基材作为吸波超材料的基材能够将吸波超材料的总厚度控制在一个比较薄的范围内，从而使该吸波超材料具有较大的设计空间，为高性能吸波超材料开辟了一条崭新的途径。

此外，为了使入射至本实用新型的吸波超材料的电磁波得到充分吸收，根据本本实用新型实施例的吸波超材料还可包括反射板14，设置于多个重叠设置的超材料片层的底部，与底层的超材料片层11g相接触。这样，在电磁波入射至本实用新型的吸波超材料后，当电磁波传播至吸波超材料中最后一层的超材料片层11g时，为了避免电磁波从该超材料片层11g中传播出去，通过在吸波超材料的底部附有一层反射板14(这里为铜板)可使传播至吸波超材料底部的电磁波再返回至各个超材料片层中继续被各个超材料片层中的电阻层所衰减吸收，并被电阻层中的FSS进行频率选择，从而实现较好的电磁波吸收效果。

其中，在一个优选的实施例中，在反射板与超材料片层11g相接触的反射板的表面上还设置有吸波涂料，这样就进一步加强了电磁波的吸收。

此外，在一个实施例中，根据本实用新型实施例的反射板可为金属反射板，虽然这里示意的为铜板，但是本实用新型对于该金属反射板的材质并不做具体限定，它可以是铁板，也可以是多种金属混合的金属板。

另外，对于该反射板的厚度来说，在一个实施例中反射板的厚度范围为0.01mm～0.02mm，其中，在本例中，该铜板的优选厚度为0.018mm，但是应当注意的是，本实用新型对于反射板的厚度并不做具体限定，其可以根据实际需要作出灵活调整。

此外，在一个实施例中，从图1可以看出，根据本实用新型实施例的吸波超材料，在每一个超材料片层中，电阻层13a的面积均小于基材12a的面积，具体的，由于电阻层13a是嵌入在基材12a的内部的，从图1可以看出，电阻层13a将基材12a分成了两部分，即电阻层13a的面积小于该两部分12a的总面积。

优选的，在一个实施例中，从图1还可以看出，在每一个所述超材料片层(这里以11a为例)中，电阻层13a和基材12a均呈矩形，且电阻层13a的长度和基材12a的长度相等，或者电阻层13a的宽度和基材12a的宽度相等。

此外，图2示出了本实用新型的吸波超材料的单品格CST仿真结果图，即，吸波超材料的反射率曲线图，从图2可以看出，本实用新型的吸波超材料的吸波效果比较理想，在0.8GHz～18GHz频段都有比较好的吸波效果，特别是对低频具有非常明显的吸波效果，例如在低频L波段；此外，该吸波超材料在高频的吸波效果同样非常理想，例如在高频X波段。

具体的，而在不同的实施例中，不同超材料片层中的基材的厚度、电导率同样可以相同或者不同，而具体到本实施例中，图1所示的七层超材料片层中的七层基材11a～11g的厚度并不相同：七层基材的厚度从电磁波的入射方向从左至右分别为5.6mm、5.5mm、4mm、6.8mm、6mm、6mm、7mm，并且七层基材11a～11g的电导率也并不相同：七层基材的电导率从电磁波的入射方向从左至右分别为95S/m、35S/m、69S/m、89S/m、120S/m、126S/m和756S/m。而借助于上述技术方案，在本实施例中的吸波超材料的厚度仅为40.5mm，并且，在低频L波段的反射率低于-5dB，在高频X波段的反射率低于-16dB，即在低频和高频波段均表现出了良好的吸波效果，并且吸波超材料的厚度小，重量轻，利于各种吸波产品的制作。

而在另一个实施例中，图1所示的七层超材料片层中的七层基材11a～11g的厚度、电导率同样各不相同，具体的：七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的厚度从电磁波的入射方向分别为5.3mm、5.5mm、4mm、6.8mm、6mm、6mm、7mm；并且七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的电导率从电磁波的入射方向分别为95S/m、35S/m、69S/m、89S/m、140S/m、126S/m和756S/m。而借助于本实施例中的吸波超材料的结构，在本实施例中的吸波超材料的厚度仅为42.6mm，并且，在低频L波段的反射率低于-5dB，在高频X波段的反射率低于-10dB，即在低频和高频波段均表现出了良好的吸波效果，并且吸波超材料的厚度小，重量轻，利于各种吸波产品的制作。

而在另一个实施例中，图1所示的七层超材料片层中的七层基材11a～11g的厚度、电导率还可以进行如下设置，具体的：七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的厚度从电磁波的入射方向分别为5.3mm、5.5mm、4mm、6.3mm、6.5mm、6mm、7mm；并且七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的电导率从电磁波的入射方向分别为95S/m、35S/m、80S/m、70S/m、140S/m、126S/m和756S/m。而借助于本实施例中的吸波超材料的结构，在本实施例中的吸波超材料的厚度仅为42.4mm，并且，在低频L波段的反射率低于-8dB，在高频X波段的反射率低于-15dB，即在低频和高频波段均表现出了良好的吸波效果，并且吸波超材料的厚度小，重量轻，利于各种吸波产品的制作。

而在另一个实施例中，图1所示的七层超材料片层中的七层基材11a～11g的厚度、电导率还可以进行如下设置，具体的：七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的厚度从电磁波的入射方向分别为5.3mm、5.5mm、4mm、6mm、6.5mm、6mm、7mm；并且七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的电导率从电磁波的入射方向分别为95S/m、35S/m、80S/m、70S/m、140S/m、126S/m和756S/m。而借助于本实施例中的吸波超材料的结构，在本实施例中的吸波超材料的厚度仅为42.4mm，并且，在低频L波段的反射率低于-8dB，在高频X波段的反射率低于-15dB，即在低频和高频波段均表现出了良好的吸波效果，并且吸波超材料的厚度小，重量轻，利于各种吸波产品的制作。

而在另一个实施例中，图1所示的七层超材料片层中的七层基材11a～11g的厚度、电导率还可以进行如下设置，具体的：七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的厚度从电磁波的入射方向分别为5.3mm、5.5mm、4mm、6.3mm、6.5mm、6mm、7mm；并且七层基材11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g的电导率从电磁波的入射方向分别为95S/m、35S/m、80S/m、70S/m、186S/m、126S/m和756S/m。而借助于本实施例中的吸波超材料的结构，在本实施例中的吸波超材料的厚度仅为41.6mm，并且，在低频L波段的反射率低于-8dB，在高频X波段的反射率低于-15dB，即在低频和高频波段均表现出了良好的吸波效果，并且吸波超材料的厚度小，重量轻，利于各种吸波产品的制作。

值得注意的是，虽然在本例中示意了7层超材料片层，但是本实用新型对于该吸波超材料中的超材料片层的数量并不做具体限定，其可以根据输入该吸波超材料的阻抗要求来对超材料片层的数量作灵活调整。

众所周知，超材料是一种以导电几何结构为基本单元，并以特定方式进行空间排布的具有特殊电磁响应的新型材料，其对电磁响应的特征往往不取决于其构成材料的本征性质，而是由其导电几何结构的特征所决定，并且超材料可以在一定范围内实现普通材料所无法具备的折射率、磁导率以及吸波极化性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。

而本实用新型利用上述全新设计的导电几何结构来产生具有宽频的吸波效果，其中，本实用新型的吸波超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。通过对FSS中导电几何结构的有序排列，从而改变空间中各点的相对介电常数和磁导率。这样就可使吸波超材料在一定范围内实现普通材料所无法具备的折射率、磁导率以及吸波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过在基材内部嵌入具有FSS结构的电阻层，能够在对电磁波进行吸收和损耗的同时，还能借助于FSS结构来实现模拟电路和阻抗的结合从而对衰减的电磁波进行频率选择，达到了很好的电磁波宽频吸收效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种吸波超材料，其特征在于，包括：

多个重叠设置的超材料片层，所述超材料片层包括基材和嵌入于所述基材内部的电阻层，其中，所述电阻层包括频率选择表面FSS。

2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，不同超材料片层中的电阻层的厚度相同或者不同。

3.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述FSS上排布有多个导电几何结构。

4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，所述FSS包括多个周期排布的导电几何结构。

5.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，同一超材料片层中的FSS上排布的多个导电几何结构的大小、线宽、以及间距相同或者不同。

6.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，不同超材料片层中的FSS上排布的多个导电几何结构的大小、线宽、以及间距相同或者不同。

7.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，不同超材料片层中的基材的厚度、电导率相同或不同。

8.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述基材为蜂窝基材或泡沫基材。

9.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料进一步包括设置于所述多个重叠设置的超材料片层的底部的反射板。

10.根据权利要求9所述的吸波超材料，其特征在于，在所述反射板与所述超材料片层相接触的所述反射板的表面设置有吸波涂料。

11.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，在每一个所述超材料片层中，电阻层的面积小于基材的面积。

12.根据权利要求11所述的吸波超材料，其特征在于，在每一个所述超材料片层中，电阻层和基材均呈矩形，且二者的长或宽相等。

13.根据权利要求1～12中任意一项所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料的吸波频段范围为0.8GHz～18GHz。