CN211907695U

CN211907695U - 一种吸波超材料、吸波结构件及移动载体

Info

Publication number: CN211907695U
Application number: CN201922308389.7U
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 周添; 黄星星; 黄金国
Original assignee: Kuang Chi Cutting Edge Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Cutting Edge Technology Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2029-12-20

Abstract

本实用新型提供了一种吸波超材料，包括电磁超表面材料以及叠加在电磁超表面材料的正反两个表面上的第一电磁吸波材料和阻抗匹配材料，电磁超表面材料在吸波超材料的等效电路中呈电容与电感的串联连接，第一电磁吸波材料和阻抗匹配材料在吸波超材料的等效电路中均呈电阻；其中，在电磁超表面材料的一个或者多个区域分别设置一个或者多个金属微结构。此外，本实用新型还提供一种吸波结构件和移动载体。本实用新型提供的技术方案能适应外界复杂电磁环境，本实用新型通过电磁超表面材料与功能吸波基材相结合的方式，针对电磁干扰频率动态变化，改变吸波功能结构的吸收频率，有效提升复杂电磁环境下电磁兼容抗扰性。

Description

一种吸波超材料、吸波结构件及移动载体

技术领域

本实用新型涉及材料领域，更具体地，涉及一种吸波超材料、吸波结构件及移动载体。

背景技术

在目前复杂电磁环境中，电磁兼容性能是一个非常重要的指标，如何实现对复杂动态电磁环境有良好抗干扰能力有着重要的意义。

传统移动载体的电磁波吸收涂料除了喷涂和维护等方面的困难外，实施在移动载体之后无法改变自身的吸收频段，无法对移动过程中新的电磁干扰做出防范措施。因此，传统电磁波吸收涂层无法适应复杂多变的电磁环境，尤其是产生干扰的电磁频谱日趋频密，无法有效应对，所以，在目前复杂电磁干扰环境中如何应对干扰源频率变化特点以设计出能动态应对电磁环境的吸波结构件是需解决的问题。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种吸波超材料，其中，所述吸波超材料包括电磁超表面材料以及叠加在所述电磁超表面材料的正反两个表面上的第一电磁吸波材料和阻抗匹配材料，所述电磁超表面材料在所述吸波超材料的等效电路中呈电容与电感的串联连接，所述第一电磁吸波材料和所述阻抗匹配材料在所述吸波超材料的等效电路中均呈电阻；

其中，在所述电磁超表面周期结构中分别设置一个或者多个金属微结构，在每一个金属微结构中嵌入一个集总元件，通过改变所述集总元件上的偏掷电压实现吸收峰值和吸收频带的迁移，每一个金属微结构的金属走线长度为λ/50～λ/5，λ为电磁波在所述电磁超表面材料内传输的波长。

优选的，所述阻抗匹配材料包括玻璃纤维复合材料、芳纶纤维复合材料或者石英纤维复合材料，所述第一电磁吸波材料包括吸波玻璃纤维复合材料、吸波聚酰亚胺复合材料或者吸波芳纶纤维复合材料。

优选的，所述吸波超材料还包括叠加在所述第一电磁吸波材料上面的电磁反射材料，所述电磁反射材料包络金属材料以及碳纤维复合材料。

优选的，所述吸波超材料还包括设置在所述电磁超表面材料与所述阻抗匹配材料之间的第二电磁吸波材料，所述第二电磁吸波材料包括吸波玻璃纤维复合材料或者吸波聚酰亚胺纤维复合材料。

优选的，在所述电磁超表面周期结构中仅包括一个金属微结构时，所述金属微结构设置在所述电磁超表面周期结构的中间区域。

优选的，在所述电磁超表面周期结构中包括多个金属微结构时，所述多个金属微结构分别设置在所述电磁超表面周期结构中的边缘拐角区。

优选的，所述集总元件包括开关二极管或者变容二极管。

另外，本实用新型还提供了一种吸波结构件，其中，所述吸波结构件包括以上任一项所述的吸波超材料。

此外，本实用新型还提供了一种移动载体，其中，所述移动载体包括以上任一项所述的吸波超材料。

而且，本实用新型还提供了以上任一项所述的吸波超材料在电磁兼容领域的应用。

本实用新型提供的技术方案能适应复杂多变的电磁环境，针对电磁干扰频段频率复杂的特点，本实用新型通过电磁超表面材料与功能吸波基材相结合的方式，针对性的动态改变吸波功能结构的吸收频率，有效提升复杂电磁环境下抗干扰能力。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中吸波超材料所包括的多叠层结构的截面示意图；

图2为本实用新型实施例一中吸波超材料的等效电路图；

图3为本实用新型实施例二中吸波超材料所包括的多叠层结构的截面示意图；

图4为本实用新型实施例三中吸波超材料所包括的多叠层结构的截面示意图；

图5为本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面周期结构中所包括的多个金属微结构的排布结构示意图；

图6为本实用新型实施例中在电磁超表面材料层中新增集总元件后的吸波超材料的等效电路图；

图7为本实用新型实施例中将图5所示的电磁超表面周期结构中的多个金属微结构应用到图3所示的多叠层结构之后的仿真测试结果示意图；

图8为本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面周期结构中所包括的多个金属微结构的第二种布局结构示意图；

图9为本实用新型实施例中将图8所示的电磁超表面周期结构中的多个金属微结构应用到图3所示的多叠层结构之后的仿真测试结果示意图；

图10为本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面周期结构中所包括的多个金属微结构的第三种布局结构示意图；

图11为本实用新型实施例中将图10所示的电磁超表面材料层中的多个金属微结构应用到图4所示的多叠层结构之后的仿真测试结果示意图；

图12为本实用新型实施例中对应的拱形场反射测试曲线。

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一中吸波超材料所包括的多叠层结构的截面示意图。

本实用新型的吸波超材料采用多叠层结构设计，吸波超材料包括电磁超表面材料1以及叠加在电磁超表面材料的正反两个表面上的第一电磁吸波材料2和阻抗匹配材料3，电磁超表面材料1设置在多叠层结构中的中间层，第一电磁吸波材料2和阻抗匹配材料3分别叠加设置在电磁超表面材料1的正反两个表面上。其中，电磁超表面材料1在吸波超材料的等效电路中呈电容与电感的串联连接，第一电磁吸波材料2和阻抗匹配材料3 在吸波超材料的等效电路中均呈电阻，如图2所示。

图2为本实用新型实施例一中吸波超材料的等效电路图。

如图2所示，吸波超材料的电磁超表面材料1在等效电路中呈电容与电感的串联连接，所起到的作用是调节作用，调节电路中的电容和电感，电磁超表面材料1两侧的第一电磁吸波材料2和阻抗匹配材料3在等效电路中均呈电阻，所起到的作用是电阻作用，本实用新型实施例一中的吸波超材料通过电容、电感和电阻的配合可以实现对于端口宽频信号的良好吸收，其中，阻抗匹配材料3可以实现电磁波从自由空间良好进入吸波超材料的吸波结构，电磁超表面材料1可以定制化设计材料吸收频段，第一电磁吸波材料2可以有效降低垂直入射、大角度入射电磁波和表面行波回波。如图2所示，Z1为阻抗匹配材料3在吸波超材料的等效电路中的等效阻抗，和材料厚度、电磁参数相关，Z2为第一电磁吸波材料2在吸波超材料的等效电路中的等效阻抗。

继续参阅图1，阻抗匹配材料3包括玻璃纤维复合材料(例如玻璃钢等复合材料)或者石英纤维复合材料，具体的包括环氧树脂玻璃纤维预浸料、环氧树脂石英纤维预浸料等等，第一电磁吸波材料2包括吸波复合材料，例如吸波玻璃纤维复合材料、吸波聚酰亚胺复合材料或者吸波芳纶纤维复合材料等，具体的包括改性环氧树脂玻璃纤维吸波预浸料、改性环氧树脂聚酰亚胺纤维吸波复合材料等。

图3为本实用新型实施例二中吸波超材料所包括的多叠层结构的截面示意图。

如图3所示，本实用新型实施例二中吸波超材料在图1的基础上还包括叠加在第一电磁吸波材料2上面的电磁反射材料4，具体的结构为，在第一电磁吸波材料2的正反两面上，一面叠加电磁超表面材料1，另一面叠加电磁反射材料4，其中，电磁反射材料4包络金属材料以及碳纤维复合材料等。

图4为本实用新型实施例三中吸波超材料所包括的多叠层结构的截面示意图。

如图4所示，本实用新型实施例三中吸波超材料在图3的基础上还包括设置在电磁超表面材料1与阻抗匹配材料3之间的第二电磁吸波材料5，具体的结构为，在第二电磁吸波材料5的正反两面上，一面叠加电磁超表面材料1，另一面叠加阻抗匹配材料3，其中，第二电磁吸波材料5为吸波复合材料，例如玻璃纤维吸波复合材料或者聚酰亚胺纤维吸波复合材料等，具体的包括改性环氧树脂玻璃纤维吸波复合材料、改性环氧树脂聚酰亚胺纤维吸波复合材料等。本实用新型实施例三中增加第二电磁吸波材料5可以进一步拓展吸收带宽。

图5为本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面1层周期结构中所包括的多个金属微结构的排布结构示意图。

如图5所示，电磁超表面材料1层周期结构中包括多个金属微结构，每一个金属微结构分别设置在所述电磁超表面周期结构中的一个边缘拐角区域，即本实用新型实施例中吸波超材料在电磁超表面1周期结构中的四个拐角区域分别设置了四个金属微结构且形状不完全相同，其中，四个金属微结构分别包括第一金属微结构11、第二金属微结构12、第三金属微结构13、第四金属微结构14。其中，第一金属微结构11的金属走线呈L形，第一金属微结构11与电磁超表面材料1的边缘不相连。其中，第二金属微结构12的金属走线呈F形，第二金属微结构12与电磁超表面材料1的边缘不相连。其中，第三金属微结构13的金属走线大致呈h形，第三金属微结构13与电磁超表面材料1的边缘相连。其中，第四金属微结构14的金属走线大致呈h形，第四金属微结构14与电磁超表面材料1的边缘相连。其中，第三金属微结构13的形状与第四金属微结构14相同，二者的位置关系为相差90度，即将第三金属微结构13顺时针旋转90度就得到第四金属微结构14。此外，第一金属微结构11、第二金属微结构12、第三金属微结构13、第四金属微结构14还可以是其它形状，只要满足每一个金属微结构的金属走线长度为λ/50～λ/5即可，λ为电磁波在所述电磁超表面材料1内传输的波长。

如图5所示，在每一个金属微结构中嵌入一个集总元件15，集总元件 15包括开关二极管或者变容二极管。通过集总元件15与电磁超表面材料1 层中的四个金属微结构(11、12、13、14)集成，再与吸波结构(如第一电磁吸波材料2和第二电磁吸波材料5)异质集成，就可以通过信号改变电磁超表面材料1的电磁响应特性，从而改变整体吸波结构件的电磁响应特性，吸波超材料在电磁超表面材料1层中新增集总元件15后的等效电路示意如图6所示。

图6为本实用新型实施例中在电磁超表面材料层中新增集总元件后的吸波超材料的等效电路图。

如图6所示，集总元件15可以调控吸波超材料的等效电路中的电容、电感数值，通过改变集总元件15的偏掷电压，可以实现吸收峰值和吸收频带的迁移。

图7为本实用新型实施例中将图5所示的电磁超表面材料层中的多个金属微结构应用到图3所示的多叠层结构之后的仿真测试结果示意图。

将图5所示的电磁超表面材料层中的多个金属微结构应用到图3所示的多叠层结构之后，吸波超材料包括四个叠层结构，即电磁超表面材料1、第一电磁吸波材料2、阻抗匹配材料3以及电磁反射材料4，具体的结构尺寸包括：电磁超表面材料1的厚度为0.2mm，第一电磁吸波材料2的厚度为1mm，阻抗匹配材料3的厚度为1.8mm，电磁反射材料4的厚度为0.2mm，吸波超材料的总厚度为3.2mm。其中，阻抗匹配材料3在10GHz时的电磁参数为：Er′＝3.3，tanδ＝0.017。第一电磁吸波材料2在10GHz时的电磁参数为：Er′＝7.8，tanδ＝0.03。电磁超表面材料1中涉及的金属微结构(11、 12、13、14)采用的是金属铜导体，导电率5.8×10^7S/m，当然也可以采用其它的金属，在此不作限定，此外，电磁超表面材料1中的集总元件15 为变容二极管，且变容二极管的电容变化范围为0.1～5pF。同时，第一金属微结构11的金属走线呈L形，第二金属微结构12的金属走线呈F形，第三金属微结构13的金属走线大致呈h形，第四金属微结构14的金属走线大致呈h形，这些形状的共同特点是每一个金属微结构的尺寸与电磁波的波长相关，具体为波长的1/4～1/20，相邻金属微结构之间的距离影响相互间的电容电感，从而影响电磁响应特性。当电磁波垂直入射吸波超材料时，通过外部电压等信号调节集总元件15参数，S11参数仿真结果如图7所示，从图7中可以看出，本实用新型实施例中通过改变集总元件15的偏掷电压，可以实现吸收峰值和吸收频带的迁移。吸收峰值从10GHz偏移至11GHz。由此可以看出，本实用新型结合吸收多叠层结构设计和电磁超表面材料的功能层结构设计，通过调节元器件参数，可以使电磁超表面材料1具有不同的电磁响应特征，进而影响电磁波吸收频率峰值，利用多种吸波机理可以在低剖面条件下拓展吸波带宽，可见，本实用新型可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节。

图8为本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面材料层中所包括的多个金属微结构的第二种布局结构示意图。

如图8所示，本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面材料1层中包括四个金属微结构(11、12、13、14)以及四个集总元件15，四个金属微结构的形状完全相同，每一个金属微结构的金属走线呈L形，每一个金属微结构与电磁超表面材料1的边缘不相连。而且在每一个金属微结构中嵌入一个集总元件15，集总元件15包括开关二极管或者变容二极管。通过集总元件15与电磁超表面材料1层中的四个金属微结构(11、12、13、 14)集成，再与吸波结构(如第一电磁吸波材料2和第二电磁吸波材料5) 异质集成，就可以通过信号改变电磁超表面材料1的电磁响应特性，从而改变整体吸波结构件的电磁响应特性，集总元件15可以调控吸波超材料的等效电路中的电容、电感数值，通过改变集总元件15的偏掷电压，可以实现吸收峰值和吸收频带的迁移。

图9为本实用新型实施例中将图8所示的电磁超表面周期结构中的多个金属微结构应用到图3所示的多叠层结构之后的仿真测试结果示意图。

将图8所示的电磁超表面周期结构中的多个金属微结构应用到图3所示的多叠层结构之后，吸波超材料包括四个叠层结构，即电磁超表面材料 1、第一电磁吸波材料2、阻抗匹配材料3以及电磁反射材料4，具体的结构尺寸包括：电磁超表面材料1的厚度为0.2mm，第一电磁吸波材料2的厚度为1mm，阻抗匹配材料3的厚度为1.8mm，电磁反射材料4的厚度为0.2mm，吸波超材料的总厚度为3.2mm。其中，阻抗匹配材料3在10GHz 时的电磁参数为：Er′＝3.3，tanδ＝0.017。第一电磁吸波材料2在10GHz 时的电磁参数为：Er′＝7.8，tanδ＝0.03。电磁超表面材料1中涉及的金属微结构(11、12、13、14)采用的是金属铜导体，导电率5.8×10^7S/m，当然也可以采用其它的金属，在此不作限定，此外，电磁超表面材料1中的集总元件15为变容二极管，且变容二极管的电容变化范围为0.1～5pF，通过集总元件15调控等效电容、电感数值。同时，第一金属微结构11、第二金属微结构12、第三金属微结构13、第四金属微结构14的形状完全相同，每一个金属微结构的金属走线呈L形，每一个金属微结构与电磁超表面材料1的边缘不相连。这些形状的共同特点是每一个金属微结构的尺寸与电磁波的波长相关，具体为波长的1/4～1/20，相邻金属微结构之间的距离影响相互间的电容电感，从而影响电磁响应特性。当电磁波垂直入射吸波超材料时，通过外部电压等信号调节集总元件15参数，S11参数仿真结果如图9所示，从图9中可以看出，本实用新型实施例中通过改变集总元件15的偏掷电压，可以实现吸收峰值和吸收频带的迁移。吸收峰值从 10GHz偏移至11GHz。由此可以看出，本实用新型结合吸收多叠层结构设计和电磁超表面材料的功能层结构设计，通过调节元器件参数，可以使电磁超表面材料1具有不同的电磁响应特征，进而影响雷达波吸收频率峰值，利用多种吸波机理可以在低剖面条件下拓展吸波带宽，可见，本实用新型可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节。

以上实施例为当电磁超表面1周期结构中包括多个金属微结构时，利用在每一个金属微结构中嵌入一个集总元件，通过改变所述集总元件上的偏掷电压实现吸收峰值和吸收频带的迁移，可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节。当电磁超表面1周期结构中仅包括一个金属微结构时也能实现可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节，如下所述。

图10为本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面周期结构中所包括的多个金属微结构的第三种布局结构示意图。

如图10所示，本实用新型实施例中吸波超材料的电磁超表面1周期结构中包括五个金属微结构(11、12、13、14、16)以及一个集总元件15，四个金属微结构(11、12、13、14)分别设置在电磁超表面1周期结构中的四个拐角区域且形状完全相同，均呈L形，集总元件15嵌入金属微结构16中并共同设置在电磁超表面1周期结构中的中间位置，金属微结构16 呈螺旋状，本实用新型实施例中增加螺旋型微结构可以进一步改善大角度入射条件下吸收能力。

将图10所示的电磁超表面周期结构中的多个金属微结构应用到图4所示的多叠层结构之后，吸波超材料包括五个叠层结构，即电磁超表面材料 1、第一电磁吸波材料2、阻抗匹配材料3、电磁反射材料4以及第二电磁吸波材料5，具体的结构尺寸包括：电磁超表面材料1的厚度为0.2mm，第一电磁吸波材料2的厚度为1mm，第二电磁吸波材料5的厚度为1mm，阻抗匹配材料3的厚度为1.3mm，电磁反射材料4的厚度为0.1mm，吸波超材料的总厚度为3.6mm。其中，阻抗匹配材料3在10GHz时的电磁参数为：Er′＝3.3，tanδ＝0.017。第一电磁吸波材料2在10GHz时的电磁参数为：Er′＝7.8，tanδ＝0.03。电磁超表面材料1中涉及的金属微结构(11、 12、13、14)采用的是金属铜导体，导电率5.8×10^7S/m，当然也可以采用其它的金属，在此不作限定，此外，电磁超表面材料1中的集总元件15 为变容二极管，且变容二极管的电容变化范围为0.1～5pF，通过集总元件 15调控等效电容、电感数值。同时，金属微结构16为螺旋状微结构，从中心开始的长度分别为1.125、1.25、2.25、2.25、3.25、3.25、4.125mm。

螺旋状微结构的电感可以通过下面公式计算：

其中l是螺旋状微结构的周长，w是微结构的线宽，单位为m。

当电磁波垂直入射吸波超材料时，通过外部电压等信号调节集总元件 15参数，S11参数仿真结果如图11所示，从图11中可以看出，本实用新型实施例中通过改变集总元件15的偏掷电压，可以实现吸收峰值和吸收频带的迁移，以及吸收峰值的改变。由此可以看出，本实用新型结合吸收多叠层结构设计和电磁超表面材料的功能层结构设计，通过调节元器件参数，可以使电磁超表面材料1具有不同的电磁响应特征，进而影响电磁波吸收频率峰值，利用多种吸波机理可以在低剖面条件下拓展吸波带宽，以及在大角度入射条件下吸波性能。可见，本实用新型可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节。

图12为本实用新型实施例中对应的拱形场反射测试曲线。曲线显示通过不同可变电容值的选取，实现了对吸波性能的动态调节。

另外，本实用新型还提供了一种吸波结构件，其中，所述吸波结构件包括以上任一项所述的吸波超材料。本实用新型提供的吸波结构件可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节。

此外，本实用新型还提供了一种移动载体，其中，所述移动载体包括以上任一项所述的吸波超材料。本实用新型提供的移动载体能可动态调节电磁波吸收的频率，可实现X波段内的频率动态调节。

本实用新型提供的技术方案能适应室外复杂多变的电磁环境，针对室外环境电磁干扰频率复杂多变的特点，本实用新型通过电磁超表面材料与功能吸波基材相结合的方式，针对性的动态改变吸波功能结构的吸收频率，有效提升复杂电磁环境下抗干扰能力。

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

1.一种吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料包括电磁超表面材料以及叠加在所述电磁超表面材料的正反两个表面上的第一电磁吸波材料和阻抗匹配材料，所述电磁超表面材料在所述吸波超材料的等效电路中呈电容与电感的串联连接，所述第一电磁吸波材料和所述阻抗匹配材料在所述吸波超材料的等效电路中均呈电阻；

其中，在所述电磁超表面材料的一个或者多个区域分别设置一个或者多个金属微结构，在每一个金属微结构中嵌入一个集总元件，通过改变所述集总元件上的偏掷电压实现吸收峰值和吸收频带的迁移，每一个金属微结构的周期长度为λ/50～λ/5，λ为电磁波在所述电磁超表面材料内传输的波长。

2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述阻抗匹配材料包括玻璃纤维复合材料，所述第一电磁吸波材料为吸波复合材料。

3.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料还包括叠加在所述第一电磁吸波材料上面的电磁反射材料，所述电磁反射材料包括金属材料以及碳纤维复合材料。

4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料还包括设置在所述电磁超表面材料与所述阻抗匹配材料之间的第二电磁吸波材料，所述第二电磁吸波材料为吸波复合材料。

5.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，在所述电磁超表面周期结构中仅包括一个金属微结构时，所述金属微结构设置在所述电磁超表面周期的中间区域。

6.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，在所述电磁超表面周期结构中包括多个金属微结构时，所述多个金属微结构分别设置在所述电磁超表面周期结构的边缘拐角区域。

7.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述集总元件包括开关二极管或者变容二极管。

8.一种吸波结构件，其特征在于，所述吸波结构件包括权利要求1-7 任一项所述的吸波超材料。

9.一种移动载体，其特征在于，所述移动载体包括权利要求1-7任一项所述的吸波超材料。