CN210326083U - 一种超材料、雷达罩及飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超材料，包括基底材料层以及叠加在基底材料层上的金属微结构层，金属微结构层具有周期性排布的单一方向连通结构，其中，基底材料层与金属微结构层共同形成一个整体，且整体在单一方向上的端部连接有接线端子，并通过接线端子与外部电源接通，形成导电通路以利用金属通电加热的特性进行电加热。此外，本实用新型还提供一种雷达罩和飞行器。本实用新型提供的技术方案将金属微结构层进行特定结构设计，使其既作为电加热单元，具备电加热除冰功能，又作为电磁调制结构，允许电磁收发器件工作频段范围内的电磁信号传输，但屏蔽工作频段范围外的电磁波，抑制杂波信号的干扰。

Description

一种超材料、雷达罩及飞行器

技术领域

本实用新型涉及材料领域，更具体地，涉及一种超材料、雷达罩及飞行器。

背景技术

航空飞行器在飞行过程中结冰是广泛存在的一种物理现象，是造成飞行安全事故的重大隐患之一。当飞行器在在低于结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞行器表面，容易在机身的突出部位，如机翼前缘、旋翼、尾桨前缘、发动机进气口、空速管、飞机风挡玻璃以及天线罩等部件表面凝华形成结冰。飞行器结冰不仅会增加重量，而且会破坏飞行器外表的气动外形，改变绕流流场，破坏气动性能，造成飞行器最大升力下降，飞行阻力增加，飞行性能降低，严重情况下，会对飞行安全造成致命威胁。此外，对于军用飞机来说，如无人机、运输机等，结冰将直接限制其飞行区域，极大的影响其作战能力。因此对于易结冰的关键部位必须进行除冰防护。

现有的除冰方法主要包括：热气除冰、机械除冰、微波除冰、电热除冰。但是，采用发动起引气的热气除冰方法需设计复杂的供气管路，将发动机压气机引出的热气分配到需要除冰的部位，且会影响发动机的功率及工作效率；采用气囊、膨胀管收缩与膨胀使冰层破碎的机械除冰方法会破坏飞行器气动外形，除冰也不彻底；微波除冰又易被雷达捕获；另外，传统的电热除冰一般采用金属箔、金属丝、导电金属膜、电阻丝等作为电加热单元，其不适用于需电磁传输功能的部件。

因此，在航空飞行器上如何实现既能除冰，又能具备电磁调制功能，保障电磁信号的传输，已成为业界亟需解决的痛点问题。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种超材料，其中，所述超材料包括基底材料层以及叠加在所述基底材料层上的金属微结构层，所述金属微结构层具有周期性排布的单一方向连通结构，其中，所述基底材料层与所述金属微结构层共同形成一个整体，且所述整体在单一方向上的端部连接有接线端子，并通过所述接线端子与外部电源接通，形成导电通路以利用金属通电加热的特性进行电加热。

优选的，所述超材料还包括第一预浸料层，所述第一预浸料层通过一层粘接剂与所述金属微结构层进行粘接。

优选的，所述超材料还包括第二预浸料层，所述第二预浸料层通过一层粘接剂与所述基底材料层进行粘接。

优选的，所述超材料还包括夹芯层，所述夹芯层通过一层胶膜与所述第二预浸料层进行粘接。

优选的，所述超材料还包括第三预浸料层，所述第三预浸料层通过一层胶膜与所述夹芯层进行粘接。

优选的，所述接线端子之间周期性排布的多个金属周期单元中至少存在一条金属连通线路。

优选的，在任一条金属连通线路中包括多个周期金属单元依次在水平方向上顺序连接，所述金属单元呈V形，所述V形的开口角度大于0度且小于或等于180度。

优选的，在所述金属微结构层中，在任一条金属连通线路中包括多个周期金属单元依次在单一方向上顺序连接，所述金属单元呈矩形波形状。

另外，本实用新型还提供了一种雷达罩，其中，所述雷达罩包括以上任一项所述的超材料。

此外，本实用新型还提供了一种飞行器，其中，所述飞行器包括以上任一项所述的超材料。

本实用新型提供的技术方案通过设计导通的金属通路以及对金属通路的特定设计，解决现有电热除冰方式因金属层对电磁信号屏蔽而无法实现电磁信号传输的难题，同时可抑制部件内部电磁收发器件工作频段之外的外来电磁信号的干扰，从而使得在具备良好电磁传输视野的部位布局电磁收发器件如微波毫米波天线等成为可能，进而为飞机朝多传感集成、全空域感知等趋势发展奠定基础，进一步提升高端航空装备的全信息链贯通。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例中超材料所包括一种多叠层结构的截面示意图；

图2为本实用新型第二实施例中超材料所包括另一种多叠层结构的截面示意图；

图3为本实用新型第二实施例中超材料所包括另一种多叠层的二维剖面示意图；

图4为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的一字形金属微结构的周期性排布示意图；

图5为本实用新型第二实施例中的超材料在TE极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图；

图6为本实用新型第二实施例中的超材料在TM极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图；

图7为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的一字形金属微结构的另一种周期性排布示意图；

图8为本实用新型第二实施例中的图7的超材料在TE极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图；

图9为本实用新型第二实施例中的图7的超材料在TM极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图；

图10为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的V形金属微结构的一种周期性排布示意图；

图11为本实用新型第二实施例中的图10的超材料在TE极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图；

图12为本实用新型第二实施例中的图10的超材料在TM极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图；

图13为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的V形金属微结构的另一种周期性排布示意图；

图14为本实用新型第二实施例中的图13的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图15为本实用新型第二实施例中的图13的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图16为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的V形金属微结构的第三种周期性排布示意图；

图17为本实用新型第二实施例中的图16的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图18为本实用新型第二实施例中的图16的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图19为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的半圆形金属微结构的周期性排布示意图；

图20为本实用新型第二实施例中的图19的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图21为本实用新型第二实施例中的图19的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图22为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的正弦波形金属微结构的周期性排布示意图；

图23为本实用新型第二实施例中的图22的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图；

图24为本实用新型第二实施例中的图22的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

图1为本实用新型实施例中超材料所包括多叠层结构的截面示意图。

如图1所示，本实用新型的超材料采用多叠层结构设计，具体地，超材料包括基底材料层1以及叠加在基底材料层1上的金属微结构层2，金属微结构层2具有周期性排布的单一平方向连通结构，其中，基底材料层1与金属微结构层2共同形成一个整体，且整体在单一方向上的端部连接有接线端子3，并通过两个接线端子3与外部电源接通，形成导电通路，利用金属通电加热的特性进行电加热。其中，基底材料层1既可以是柔性基底材料层，也可以是硬性基底材料层，具体需要根据实际的应用场景而定，例如如果是将该超材料应用到曲面则需要柔性基底材料层，应用到平面的话可以选择硬性基底材料层也可以选择柔性基底材料层。其中，基底材料层1具有绝缘性能优异、耐高低温、拉伸等机械性能良好的特性，将基底材料层1与金属微结构层2共同形成的一个整体称之为金属软板，将该金属软板在水平方向上的端部连接有接线端子3，接线端子3可以通过焊接方式与金属微结构层2上的金属连接，或者其它的连接方式，只要满足接线端子3与金属微结构层2上的金属电连接均可，两个接线端子3分别通过电源线连接外部电源的正负两极，使金属微结构层2上的金属、两个接线端子3、电源线、外部电源之间就会形成导电通路结构，外部电源通过这个电通路结构，利用金属微结构层2通电加热的特性进行电加热。

如图1所示，在金属软板中，通过刻蚀工艺将基底材料层1上的金属进行刻蚀，进而加工成实际所需要的各种金属微结构图形，金属微结构层2中没有被蚀刻掉的区域就保留金属，金属微结构层2中被保留下来的金属形成一个在单一方向上的连通结构，该连通结构为具有周期性排布的单一方向连通结构，例如单一方向连通结构可以是一字形、V字形、矩形波形等直线型的水平方向连通结构，也可以是正弦波形、半圆形等曲线型的水平方向连通结构。

其中，在金属微结构层2中，每一个金属周期单元均包括两个末端，相邻的两个金属周期单元的末端之一相连，具体的，第一个金属周期单元的末端与相邻的第二个金属周期单元的末端相连，第二个金属周期单元的另一个末端与相邻的第三个金属周期单元的末端相连，第三个金属周期单元的另一个末端与相邻的第四个金属周期单元的末端相连，…，依此规律，依次顺序相连以形成在水平方向上的连通结构。其中，在金属微结构层2中，两个接线端子3之间周期性排布的多个金属周期单元中至少存在一条金属连通线路，这样可以保证金属软板两端的两个接线端子3通电后形成导通通路，而作为加热单元，使得该超材料结构具备电加热除冰功能，在任一条金属连通线路中包括多个金属周期单元依次在单一方向上顺序连接，金属周期单元呈一字形或V形，且所述V形的开口角度大于0度且小于或等于180度，或者，在任一条金属连通线路中包括多个金属周期单元依次在水平方向上顺序连接，所述金属周期单元呈矩形波形状。

如图1所示，超材料还包括第一预浸料层4和第二预浸料层5，分别通过两层粘接剂6粘接在金属软板的正反两个表面，具体的，第一预浸料层4通过一层粘接剂6与金属微结构层2的正面进行粘接，金属微结构层2的反面与基底材料层1的正面叠加，第二预浸料层5通过另一层粘接剂6与所述基底材料层1的反面进行粘接。其中，第一预浸料层4和第二预浸料层5中各自的预浸料均为玻璃或石英等纤维预浸料，起到绝缘、强度支撑等作用，两层粘接剂6的作用是用于将第一预浸料层4和第二预浸料层5更好的粘接在金属软板的正反两个表面。

在本实施方式中，金属微结构层2具有周期性排布的单一方向连通结构，这种周期性排布的单一方向连通结构的制备是在金属软板中通过刻蚀工艺将基底材料层1上的金属进行刻蚀，进而加工成实际所需要的各种金属微结构图形，金属微结构图形在单一方向是连通的，具体地，这种连通型金属结构图形可视为带栅型金属结构图形，从外部物理特征而言，带栅型金属结构图形可看做在一块完整的金属层表面上按照一定的排布形式刻蚀得到一些单向的金属线。这种带栅型金属结构图形在电磁波照射下产生的电子可不受限制地流动，从频率响应特性上看，带栅型金属结构图形在电场极化方向平行于带栅方向的电磁波入射下，具备低频截止的高通型的电磁调制作用，对另一正交极化方向的场基本不产生影响，具体地，这种低频截止的高通型的电磁调制作用的机理表现在：

a)当电场极化方向平行于带栅方向的低频电磁波照射在这种带栅型金属结构图形的表面时，将激发大范围量自由的电子在较长时间内向同一方向移动，从而获得较大的动能。入射电磁波的频率越低，电子吸收的能量越多，因而，入射电磁波的传输能力越弱，透射系数越小；

b)当高频电磁波入射时，电场方向快速变化，电子能达到的速度较小，电子吸收的能量少，因而，入射电磁波具有较高的传输能力，透射系数高。

在本实施方式中，这种带栅型金属结构图形的表面还可自由组合非连通环形金属表面微元、贴片型金属表面微元，进而实现需要的电磁调制特性。本实用新型结合电磁收发器件的电磁响应特性和结构、强度要求，对含电加热及电磁调制功能的复合层进行选材，并进行厚度、金属结构图案等一体化设计，实现结构、强度与复合电加热与电磁调制功能的一体化部件。

在本实施方式中，根据结构强度、电磁调控性能等需要，该超材料可进一步增加新的组合介质层，如图2所示。

图2为本实用新型实施例中超材料所包括另一种多叠层结构的截面示意图。

如图2所示，虚线框A所表示的是图1中的超材料，虚线框B所表示的是新增的组合介质层。在图1所示的超材料结构的基础上，图2中的超材料还包括夹芯层7和第三预浸料层8，其中，夹芯层7的一面通过一层胶膜9与第二预浸料层5进行粘接，第三预浸料层8通过另一层胶膜9与夹芯层7的另一面进行粘接。在本实施方式中，为了实现更优异的电磁调制性能，本实用新型还可以在夹芯层7或第三预浸料层8中单独嵌入图1所示的金属软板(即基底材料层1与金属微结构层2共同形成的一个整体)来作为电磁调制层。

图3为本实用新型第二实施例中超材料所包括另一种多叠层的二维剖面示意图。

图3所示的结构图即为将图2中的多叠层结构压合在一起形成一个多叠层的超材料的二维剖面示意图，图3所示的超材料结构是一种集除冰、电磁调制的功能与结构承载功能于一体的夹层结构，一共包括9层，具体的，从上到下，第一预浸料层4的厚度为d₁，一层粘接剂6的厚度为d₂，金属软板(包括基底材料层1和金属微结构层2)的厚度为d₃，另一层粘接剂6的厚度为d₄，第二预浸料层5的厚度为d₅，一层胶膜9的厚度为d₆，夹芯层7的厚度为d₇，另一层胶膜9的厚度为d₈，第三预浸料层8的厚度为d₉。

其中，第一预浸料层4、第二预浸料层5、第三预浸料层8中各自的预浸料均是低介电、低损耗的石英纤维氰酸酯预浸料，具备高透波及承载作用，同时，第一预浸料层4、第二预浸料层5、第三预浸料层8都是一种很好的蒙皮材料，第一预浸料层4、第二预浸料层5可以用作外蒙皮材料，第三预浸料层8可以用作内蒙皮材料，两层粘接剂6均可以用胶膜来实现粘接，金属软板作为电加热层主要由加热材料与绝缘材料组成，本实用新型中的金属微结构层2就是加热材料，其采用电阻率高、导电率高的金属铜来制作，本实用新型中的基底材料层1就是绝缘材料，其主要为综合性能优异的聚酰亚胺(PI)薄膜，夹芯层7作为蜂窝层来实现电磁性能优化及承载功能。

其中，金属微结构层2中的金属层厚度根据实际需要电阻大小来确定，金属层越厚产生的电阻越小，而薄的金属层则产生的电阻大。在本实施方式中，金属微结构层2中的金属层厚度为18μm，基底材料层1(即PI薄膜)的厚度为25μm，因此本实用新型中的二者组成的金属软板作为电加热层具有柔性，易于在曲面件贴覆，而且金属铜可被设计成不同拓扑结构镂空图案实现频选的电磁调制功能，同时，金属微结构层2是连通结构，保证金属微结构层2中的金属在加电后可以形成导电通路，实现通电加热除冰功能，为实现单极化低频截止的高通型频选功能，金属微结构层2还需要具有周期性排布结构以及水平方向连通结构。本实用新型的各层之间通过用胶膜来实现粘接。以上使用的材料中，作为蒙皮材料的介电常数为3.15、损耗角正切值为0.006，胶膜材料的介电常数为2.7、损耗角正切值为0.0065，PI薄膜材料的介电常数为3.2、损耗角正切值为0.002，蜂窝材料的介电常数为1.11、损耗角正切值为0.006。

图4为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的一字形金属微结构的周期性排布示意图。

如图4所示，金属微结构层2上的金属微结构的基本单元为一字形，包括两个末端，相邻的两个一字形金属微结构的末端之一相连，具体的，在第一行中，第一个一字形金属微结构的末端与相邻的第二个一字形金属微结构的末端相连，第二个一字形金属微结构的另一个末端与相邻的第三个一字形金属微结构的末端相连，第三个一字形金属微结构的另一个末端与相邻的第四个一字形金属微结构的末端相连，…，依此规律，依次顺序相连以形成在水平方向上的连通结构，即水平方向上整体也是呈现一字形；在第二行中，多个一字形金属微结构的连接方式与第一行的连接方式相同；在第三行、第四行、…第N行中，多个一字形金属微结构的连接方式均与第一行的连接方式也相同；这样一来，金属微结构层2上的金属微结构实现一维连通型排布，在水平方向为连通结构，通过两边的接线端子可形成通电回路，即每一行的水平方向连通结构的两个末端均分别连接两个接线端子3。如图4所示，一字形金属微结构的金属线宽均为ww，相邻的两行金属微结构之间的距离均为p，金属线宽均为ww。

在本实施方式中，将图4所示的金属微结构层2上的金属微结构的周期性排布应用到图3所示的叠层结构中，其中主要的结构尺寸设计如下表1所示：

表1主要结构尺寸

参数	数值(mm)
		d<sub>1</sub>	0.3
d<sub>2</sub>	0.1
		d<sub>3</sub>	0.043
d<sub>4</sub>	0.1
		d<sub>5</sub>	0.3
d<sub>6</sub>	0.2
		d<sub>7</sub>	5.6
d<sub>8</sub>	0.2
		d<sub>9</sub>	0.3
ww	0.04
		p	10

然后根据上述表格中的尺寸对图3中的超材料进行仿真，结果如图5和图6所示。

从图5和图6中可以看出，在入射角度theta＝0～70°时，TM极化在4-18GHz表现出高通特性，透波大于-0.8dB；在入射角度theta＝0～60°时，TM极化在0-0.6GHz表现出截止特性，透波均小于-9dB；TE极化在入射角度theta＝0～60°时，透波基本表现为纯介质属性，在0-20GHz透波大于-0.834dB。

从以上仿真结果中可以看出，沿水平方向连续的金属线相当于TM极化低频截止的高通型频选结构，可实现对TM波相对独立的调制，而不影响另一极化。类似地，通过改变金属线沿垂直方向连续的方向周期排布，如图7所示，此时沿垂直方向连续的金属线相当于TE极化低频截止的高通型频选结构，可实现对TE波相对独立的调制，具体尺寸如表1所示。

然后根据上述表格中的尺寸对图7中的超材料进行仿真，结果如图8和图9所示。

图8为本实用新型第二实施例中的图7的超材料在TE极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图。

图9为本实用新型第二实施例中的图7的超材料在TM极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图。

从图8和图9中可以看出，在入射角度theta＝0～70°时，TE极化在8-16GHz表现出高通特性，透波大于-1.3dB；在入射角度theta＝0～80°时，TE极化在0-1.3GHz表现出截止特性，透波均小于-10dB；在入射角度theta＝0～70°时，TM极化透波基本表现为纯介质属性，在0-18GHz透波大于-0.8dB。

因此，从图5、图6、图8和图9的仿真结果来看，本实用新型中的超材料实现了高频透波功能，这种由单向性连续的金属线所构成的呈直线型的水平方向连通结构均可在实现电加热除冰的基础上复合电磁调制功能，能实现单极化低频截止功能。

此外，本实用新型中不仅仅像一字形金属微结构这类直线型的水平方向连通结构的周期性排布能实现电加热除冰功能和电磁调制功能，其它类的直线型的水平方向连通结构，例如对金属线的任意边可弯折处理(如V形)或变换为任意多边形周期边界(如矩形波形)，且弯折的金属线只要满足水平方向一维连续排布，均可形成连通结构实现导电通路，进而在作为电加热层通电时能够实现除冰功能，而且通过设计叠层结构中的主要结构尺寸还能使其具备电磁调制功能。

图10为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的V形金属微结构的一种周期性排布示意图；

如图10所示，金属微结构层2上的金属微结构的基本单元为V形且两边左右对称，包括两个末端，相邻的两个V形金属微结构的末端之一相连，具体的，在第一行中，第一个V形金属微结构的末端与相邻的第二个V形金属微结构的末端相连，第二个V形金属微结构的另一个末端与相邻的第三个V形金属微结构的末端相连，第三个V形金属微结构的另一个末端与相邻的第四个V形金属微结构的末端相连，…，依此规律，依次顺序相连以形成在水平方向上的连通结构，即水平方向上整体也是呈现V形；在第二行中，多个V形金属微结构的连接方式与第一行的连接方式相同；在第三行、第四行、…第N行中，多个V形金属微结构的连接方式均与第一行的连接方式也相同；这样一来，金属微结构层2上的金属微结构实现一维连通型排布，在水平方向为连通结构，通过两边的接线端子可形成通电回路，即每一行的水平方向连通结构的两个末端均分别连接两个接线端子3。如图10所示，V形金属微结构的金属线宽均为ww，相邻的的两行金属微结构之间的距离均为p，V形金属微结构左右两边的边长均为a，V形金属微结构的开口角度大于0度且小于或等于180度。

在本实施方式中，将图10所示的金属微结构层2上的金属微结构的周期性排布应用到图3所示的叠层结构中，其中主要的结构尺寸设计如下表2所示：

表2主要结构尺寸

然后根据上述表格中的尺寸对图3中的超材料进行仿真，结果如图11和图12所示。

图11为本实用新型第二实施例中的图10的超材料在TE极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图。

图12为本实用新型第二实施例中的图10的超材料在TM极化下的S21曲线随入射角度theta的变化示意图。

从图11和图12中可以看出，在入射角度theta＝0～70°时，TM极化在7-20GHz表现出高通特性，透波大于-1dB；在入射角度theta＝0～70°时，TM极化在0-0.8GHz表现出截止特性，透波均小于-9.8dB；在入射角度theta＝0～60°时，TE极化透波基本表现为纯介质属性，在0-18GHz透波大于-0.64dB。

图13为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的V形金属微结构的另一种周期性排布示意图。

如图13所示，金属微结构层2上的金属微结构的基本单元为V形且V形金属微结构的开口角度为60度，其它参数与图10所示的相同。

在本实施方式中，将图13所示的金属微结构层2上的金属微结构的周期性排布应用到图3所示的叠层结构中，其中主要的结构尺寸设计如下表3所示：

表3主要结构尺寸

然后根据上述表格中的尺寸对图13中的超材料进行仿真，结果如图14和图15所示。

图14为本实用新型第二实施例中的图13的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

图15为本实用新型第二实施例中的图13的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

从图14和图15中可以看出，在入射角度theta＝0°时，TE极化在0-16GHz透波大于-0.64dB；TM极化表现出高通特性，在3-20GHz透波大于-0.66dB，低频具有截止功能。因此，本实用新型中像V形金属微结构这类直线型的水平方向连通结构的周期性排布也能实现电加热除冰功能和电磁调制功能。

图16为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的V形金属微结构的第三种周期性排布示意图。

如图16所示，金属微结构层2上的金属微结构的基本单元为V形且V形金属微结构的开口角度为90度，相邻的的两行金属微结构之间的距离p为12mm，其它参数与图10所示的相同，且任一行的多个金属微结构均是在水平方向上依次顺序连接以形成矩形波的形状。

在本实施方式中，将图16所示的金属微结构层2上的金属微结构的周期性排布应用到图3所示的叠层结构中，其中主要的结构尺寸设计如下表4所示：

表4主要结构尺寸

然后根据上述表格中的尺寸对图16中的超材料进行仿真，结果如图17和图18所示。

图17为本实用新型第二实施例中的图16的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

图18为本实用新型第二实施例中的图16的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

从图17和图18中可以看出，在入射角度theta＝0°时，TE极化在0-18GHz透波大于-0.54dB；TM极化表现出高通特性，在3-20GHz透波大于-0.95dB，低频具有截止功能。因此，本实用新型中直线型的水平方向连通结构，例如一字形的直线金属微结构、V形的弯折金属微结构、矩形波形的弯折金属微结构等等，只要满足水平方向一维连续排布，均可形成连通结构实现导电通路，进而在作为电加热层通电时能够实现除冰功能，而且通过设计叠层结构中的主要结构尺寸还能使其具备电磁调制功能。

另外，本实用新型中不仅仅直线型的单一方向连通结构的周期性排布能实现电加热除冰功能和电磁调制功能，而且曲线型的单一方向连通结构的周期性排布也能实现电加热除冰功能和电磁调制功能。

图19为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的半圆形金属微结构的周期性排布示意图。

如图19所示，金属微结构层2上的金属微结构的基本单元为半圆形，包括多行在水平方向上呈连续周期排布的半圆形金属微结构，在任一行中，多个半圆形金属微结构在水平方向上依次顺序连接，以形成曲线型的水平方向连通结构，行与行之间的间距为p，半圆形的直径为a，半圆形金属微结构的线宽为ww。

在本实施方式中，将图19所示的金属微结构层2上的金属微结构的周期性排布应用到图3所示的叠层结构中，其中主要的结构尺寸设计如下表5所示：

表5主要结构尺寸

参数	数值(mm)
		d<sub>1</sub>	0.3
d<sub>2</sub>	0.1
		d<sub>3</sub>	0.043
d<sub>4</sub>	0.1
		d<sub>5</sub>	0.3
d<sub>6</sub>	0.2
		d<sub>7</sub>	5.6
d<sub>8</sub>	0.2
		d<sub>9</sub>	0.3
ww	0.04
		p	8
a	4

然后根据上述表格中的尺寸对图19中的超材料进行仿真，结果如图20和图21所示。

图20为本实用新型第二实施例中的图19的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

图21为本实用新型第二实施例中的图19的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

从图20和图21中可以看出，在入射角度theta＝0°时，TE极化在0-20GHz透波大于-0.35dB；TM极化表现出高通特性，在6-20GHz透波大于-1dB，低频具有截止功能。

图22为本实用新型第二实施例中超材料所包括的金属微结构层2上的正弦波形金属微结构的周期性排布示意图。

如图22所示，金属微结构层2上的金属微结构的基本单元为正弦波形，包括多行在水平方向上呈连续周期排布的正弦波形金属微结构，在任一行中，多个正弦波形金属微结构在水平方向上依次顺序连接，以形成曲线型的水平方向连通结构，行与行之间的间距为p，正弦波形的周期为a，半圆形金属微结构的线宽为ww。

在本实施方式中，将图22所示的金属微结构层2上的金属微结构的周期性排布应用到图3所示的叠层结构中，其中主要的结构尺寸设计如下表6所示：

表6主要结构尺寸

参数	数值(mm)
		d<sub>1</sub>	0.3
d<sub>2</sub>	0.1
		d<sub>3</sub>	0.043
d<sub>4</sub>	0.1
		d<sub>5</sub>	0.3
d<sub>6</sub>	0.2
		d<sub>7</sub>	5.6
d<sub>8</sub>	0.2
		d<sub>9</sub>	0.3
ww	0.04
		p	15
a	10

然后根据上述表格中的尺寸对图22中的超材料进行仿真，结果如图23和图24所示。

图23为本实用新型第二实施例中的图22的超材料在TE极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

图24为本实用新型第二实施例中的图22的超材料在TM极化下的S21曲线在入射角度theta＝0°时的变化示意图。

从图23和图24中可以看出，在入射角度theta＝0°时，TE极化在0-20GHz透波大于-0.02dB；TM极化表现出高通特性，在4-20GHz透波大于-0.74dB，低频具有截止功能。因此，本实用新型中曲线型的单一方向连通结构，例如半圆形金属微结构、正弦波形金属微结构等等，只要满足单一方向一维连续排布，均可形成连通结构实现导电通路，进而在作为电加热层通电时能够实现除冰功能，而且通过设计叠层结构中的主要结构尺寸还能使其具备电磁调制功能。

由此可知，本实用新型中将直线型的、曲线型的单一方向连通结构作为基本单元结构在周期性排布下均能实现电加热除冰功能，而且只要满足单一方向连续排布，相邻的两个单元结构之间存在交集的条件(如共边、共点、共线段等)，均可形成导电通路，进而在作为电加热层通电时能够实现除冰功能，而且通过设计叠层结构中的主要结构尺寸还能使其具备电磁调制功能。实现除冰功能的电加热层(即金属软板)除了保证金属层为连通结构以外，还需要将电加热层上的金属通过焊点与电源线相连接以形成接线端子，接线端子利用电源线连接至飞行器上的机载电源上，电加热层产生的热量在冰层和外蒙皮之间溶化出一个薄层，降低冰层和外蒙皮之间的附着力，这样在气动力或离心力的作用下冰层很容易被吹落。

另外，本实用新型还提供了一种雷达罩，其中，所述雷达罩包括以上任一项所述的超材料。

此外，本实用新型还提供了一种飞行器，其中，所述飞行器包括以上任一项所述的超材料。

本实用新型提供的技术方案在满足除冰功能的基础上复合电磁调制功能，通过设计导通的金属通路以及对金属通路的特定设计，解决现有除冰方式因金属层对电磁信号屏蔽而无法保证电磁信号传输的难题，同时可抑制部件内部电磁收发器件工作频段之外的外来电磁信号的干扰，从而使得在具备良好电磁传输视野的部位布局电磁收发器件，如微波、毫米波天线等成为可能，同时为飞机朝多传感集成、全空域感知等趋势发展奠定基础，这也将更进一步提升高端航空装备的全信息链贯通。

本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种超材料，其特征在于，所述超材料包括基底材料层以及叠加在所述基底材料层上的金属微结构层，所述金属微结构层具有周期性排布的单一方向连通结构，其中，所述基底材料层与所述金属微结构层共同形成一个整体，且所述整体在单一方向上的端部连接有接线端子，并通过所述接线端子与外部电源接通，形成导电通路以利用金属通电加热的特性进行电加热。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括第一预浸料层，所述第一预浸料层通过一层粘接剂与所述金属微结构层进行粘接。

3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括第二预浸料层，所述第二预浸料层通过一层粘接剂与所述基底材料层进行粘接。

4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括夹芯层，所述夹芯层通过一层胶膜与所述第二预浸料层进行粘接。

5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括第三预浸料层，所述第三预浸料层通过一层胶膜与所述夹芯层进行粘接。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，在所述金属微结构层中，所述接线端子之间周期性排布的多个金属周期单元中至少存在一条金属连通线路。

7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，在所述金属微结构层中，在任一条金属连通线路中包括多个周期金属单元依次在水平方向上顺序连接，所述金属单元呈V形，所述V形的开口角度大于0度且小于或等于180度。

8.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，在所述金属微结构层中，在任一条金属连通线路中包括多个周期金属单元依次在水平方向上顺序连接，所述金属单元呈矩形波形状。

9.一种雷达罩，其特征在于，所述雷达罩包括权利要求1-8任一项所述的超材料。

10.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器包括权利要求1-8任一项所述的超材料。

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