CN218101705U

CN218101705U - 一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件

Info

Publication number: CN218101705U
Application number: CN202222155965.0U
Authority: CN
Inventors: 许世栋; 王钦华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2032-08-16

Abstract

本申请提出一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件。该超宽带光学透明微波吸收器件为复合层结构，从上往下依次为电阻膜、第一介质层、频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底。利用金属网格衬底的电磁屏蔽原理实现了器件的光学透明化，利用频率选择表面结构层实现在特定频段具的强吸收能力，通过引入相干完美吸收在高反射频率处实现连续超宽带的高吸收。将相干完美吸收和传统的频率选择性吸收相结合，极大地拓展了器件的吸收带宽。具有结构简单、制备方便、光学透明度高、微波吸收性能强等优点。避免器件体积大、光学与微波性能兼容性差等缺点。

Description

一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件

技术领域

本申请属于光学领域，具体涉及一种微波吸收器件。

背景技术

随着科学技术的快速发展，电磁波被广泛地应用于各个领域，成为我们日常生活和工作中必不可缺的一部分。但是不可避免的会产生电磁辐射和干扰，从而导致电磁环境的恶化，对我们的生产生活造成一系列的影响。为解决电磁污染问题，研究人员已开展了大量的研究，其中吸波材料就是一种有效的手段。同时，在军用飞机、科研设备和医疗仪器等领域，吸波材料还需要具备光学透明的特性。因此需要朝更轻、更薄、更宽、光学透明的方向对吸波材料进行不断地探索。

传统的吸波材料由于其吸收机理的限制，无法满足当前实际应用对吸波材料“轻、薄、宽”等目标的需求。传统的吸波材料可以根据加工工艺的不同分为涂覆型和结构型两种，但他们都存在一个致命的缺陷，需要不断增加材料的厚度才能得到更好地吸收性能。

而超材料吸波结构基本上都是由金属结构、电介质层和金属底组成的，几乎都是不透明的，因此它们都无法满足实际应用中对高光学透过率的要求。

传统吸波材料中，涂覆型吸波材料就是将吸收剂和粘连剂混合在一起后形成的一种混合涂料，将其涂覆在目标物体的表面就可形成吸波涂层，从而实现对电磁波的吸收。其中，常见的吸收剂有铁氧体、纳米粒子、多晶铁纤维、手征性材料和导电高分子等等。而结构型吸波材料主要是利用多重反射和干涉效应的谐振型吸波材料和角锥吸波材料。谐振型吸波材料由于不满足阻抗匹配条件，需要有一层厚度为四分之一吸收波长λ₀的介质层(空气或其他相对介电常数接近1的介质)来提供破坏性干涉，因此也被称为λ₀/4吸波材料，包括Dallenbach吸收屏、Salisbury吸收屏和Jaumann吸收体。角锥吸波材料是一种典型的结构型吸波材料，通常被应用在吸波暗室当中。通过角锥这种从上到下逐渐变大的形状使得空气和吸波材料两者间的阻抗也逐渐匹配，继而通过材料对电磁波的损耗实现吸收。因此，普遍厚度较大。

2014年，Bhattacharyya等人设计了一种三频带的超材料吸波结构，由三个不同大小的金属谐振圆环构成，在一个周期中，三个不同尺寸的金属圆环相互嵌套，分别在5.50GHz、9.52GHz和13.80GHz频率处产生谐振，获得94.1％、99.6％和99.4％的吸收，实现了多个频带的吸收。由于周期的尺寸限制和不同谐振单元之间的耦合作用，这些吸收峰的数量是有限且相互独立的，因此难以将他们连接起来形成一个连续宽带的吸收。

综上所述，现有技术的主要缺陷在于：器件厚度大，吸收带宽窄，光学透过率低，高光学透过率和强微波吸收能力无法很好兼容。

实用新型内容

为解决上述存在的缺陷，本申请提出一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，解决了强微波吸收和高光学透过率之间不能兼容的问题。

为实现上述目的本申请采取如下技术方案：

一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，为复合层结构，从上往下依次为电阻膜、第一介质层、频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底。

作为优选，所述频率选择表面结构层由微纳金属网格构成，微纳金属网格线宽介于0.5～5μm，厚度应大于电磁波的趋肤深度。

作为优选，所述频率选择表面结构层表面设置为图案化网格单元。

作为优选，第一介质层及第二介质层的材质分别采用PET，

作为优选，第一介质层及第二介质层其厚度均介于0.5～5mm，相对介电常数均介于3.0～3.8。

作为优选，所述电阻膜阻值介于377～1500Ω。

作为优选，所述金属网格衬底的材质为金、银、铜、铁、铝或镍之一。

作为优选，金属网格衬底的线宽介于0.5～5μm，厚度介于5～10μm，厚度应大于电磁波的趋肤深度。

有益效果

本申请提出一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，具有超宽带高吸收、高光学透明性等优点，同时该吸收器件尺寸小，厚度薄，易于集成和制作，实现电磁干扰的吸收。解决了强微波吸收和高光学透过率之间不能兼容的问题。

附图说明

图1为本申请实施例的超宽带光学透明微波吸收器件示意图；

图2为本申请实施例的超宽带光学透明微波吸收器件的三维示意图；

图3为本申请实施例的频率选择表面结构层的图案化网格单元示意图；

图4为本申请实施例的金属网格衬底示意图；

图5为本申请实施例的超宽带光学透明微波吸收器件的微波吸收率图；

图6为本申请实施例的超宽带光学透明微波吸收器件的光学透过率图；

其中：1为电阻膜，2为第一介质层，3为频率选择表面结构层，4为第二介质层，5为金属网格衬底。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本申请做进一步描述：

该超宽带光学透明微波吸收器件的工作原理：

该器件的分为上下两个部分：上半部分由电阻膜及第一介质层组成，其中电阻膜的方阻为R_sΩ；下半部分由频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底组成；下半部分的频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底形成谐振腔，谐振腔可以在特定频率处产生选择性震荡吸收。上半部的电阻膜能在零相位反射处实现相干完美吸收的同时保证频率选择性吸收不受太大影响，器件整体能在一个连续的宽频段内实现高的吸收。

对于相干完美吸收，电磁波在照射到电阻膜时分别以t和r发生透反射现象，同时透过电阻膜的电磁波会在电阻膜与谐振腔之间产生多次反射。每次电磁波在谐振腔上的反射都存在一个

的相位延迟，且反射率为100％。每次电磁波通过电阻膜时，由于电场的连续性条件可以得到1+r＝t，这里需要指出的是，不论电磁波是从左往右穿过电阻膜还是从右往左穿过，这种情况都是成立的。经过初次反射r＝t-1，后续发生的多次反射可以表示为：

因此，总反射系数为：

想要实现相干完美吸收就需要r+r’＝0，而在此时需要满足

以及电阻膜的方阻R_s满足一定值。

其次对其频率选择性吸收进行分析推导。当器件的输入阻抗Z₁等于自由空间的特征阻抗Z₀时其吸收率达到最大。频率选择表面的频率特性受其单元结构的形状和尺寸的影响巨大，因此可以通过合适的结构设计得到较宽的频率选择性吸收，同时在其无法吸收的区域满足零相位(近零相位)的高反射。频率选择性吸收在特定的频段具有对电磁波的强吸收能力，但是这种吸收的频率范围较窄且振荡不连续，而在其吸收振荡区域存在多个高反射且零相位的频率点，恰好满足相干完美吸收条件。可以通过加载电阻膜，引入谐振腔使得在高反射频率处的产生相干完美吸收，从而实现连续超宽带的高吸收。

电阻膜相当于一个半透半反膜，在零相位反射存在损失时，可以通过控制电阻膜方阻的阻值来调控器件的吸收。零相位反射的反射率越小，实现相干完美吸收所需要的电阻膜方阻就越大。同时在发生频率选择性吸收的频率范围内，由于入射的电磁波都能被损耗吸收，因此此时的电阻膜就需要尽可能减少从自由空间入射的电磁波的反射，从而保证当前频率范围内器件的吸收效果。并且利用微纳金属网格结构替代连续的金属结构，在不影响器件电磁性能的前提下，能够实现器件的光学透明化。解决了高光学透过率和强微波吸收能力之间的兼容问题。

实施例一

如图1和2所示，一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，为复合层结构，从上往下依次为电阻膜1、第一介质层2、频率选择表面结构层3、第二介质层4和金属网格衬底5。

进一步地，电阻膜1和第一介质层之间紧密贴合；第一介质层2和频率选择表面结构层之间由胶进行粘连；频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底之间由UV胶连接。

实施例二

通过基于光刻、电镀、UV压印的微纳米结构制备技术在介质基板上制备了一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件的实验样品，该基样品总尺寸为295.55mm×295.55mm×3mm。

本实施例中频率选择表面结构层表面3，如图3所示，由两个L形网格单元3a和三方块叠加的网格单元3b叠加组成；金属网格衬底5为网格布局，如图4所示；第一介质层及第二介质层材质选择为PET，第一介质层厚度均为0.5，相对介电常数均为3.0；第二介质层其厚度均为2.5mm，相对介电常数均为3.4；电阻膜阻值为377Ω，所述频率选择表面结构层及金属网格衬底的材质均为铜，金属网格线宽为0.5μm，厚度为5μm。

从图3和4可以看出金属在整个结构单元中所占比例很小，因此可以保证器件的高光学透过率。图5为该实施例的微波测试结果，可以看出实验与仿真对应良好，且在有无电阻膜的两种情况下对比明显，说明了这种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件的吸收是由相干完美吸收和传统的频率选择性吸收共同作用产生的。图6为该实施例的光学透过率测试结果，可以看到其光学透过率平均达到了80％以上，说明其具有优异的光学透过性能。

经过光学测试得到该器件在可见-近红外(400-1400nm)范围内具有平均80.3％光学透过率，具有良好的光学透明性；实现了在8.5-23.42GHz频率范围的吸收率大于90％，相对吸收带宽为93.5％；20GHz频率范围内该器件的实验结果与对应仿真结果具有很好的一致性，验证了仿真模拟的准确性。同时器件厚度仅约为最低频率处波长的1/12。

本方案利用金属网格衬底的电磁屏蔽原理实现了器件的光学透明化，并通过频率选择表面结构层实现了在特定的频段对电磁波的强吸收能力，但是这种吸收的频率范围较窄且振荡不连续，而在其吸收振荡区域存在多个高反射且零相位的频率点，恰好满足相干完美吸收条件。因此，可以通过引入相干完美吸收，在高反射频率处引入相干完美吸收，实现连续超宽带的高吸收。将相干完美吸收和传统的频率选择性吸收相结合，极大地拓展了器件的吸收带宽。本申请具有结构简单、制备方便、光学透明度高、微波吸收性能强解决了强微波吸收和高光学透过率之间不能兼容的问题，同时器件的厚度也更薄。由此可见，本实用新型提供的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，具有超宽带高吸收、高光学透明性等优点，同时该吸收器件尺寸小，厚度薄，易于集成和制作，实现电磁干扰的吸收。

Claims

1.一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，为复合层结构，其特征在于：包括：

金属网格衬底，在所述金属网格衬底上层叠的第二介质层、频率选择表面结构层、第一介质层及电阻膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

包括上半部分及下半部分，

所述上半部分包括电阻膜及第一介质层组成；

所述下半部分包括频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底，且所述下半部分的频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底组合形成谐振腔。

3.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

所述频率选择表面结构层包括微纳金属网格构成，所述微纳金属网格的线宽介于0.5～5μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

所述频率选择表面结构层的表面设置成图案化网格单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

所述第一介质层及第二介质层分别采用PET材质。

6.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

所述第一介质层及第二介质层的厚度分别介于0.5～5mm，相对介电常数分别介于3.0～3.8。

7.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

所述电阻膜的阻值介于377～1500Ω。

8.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

所述金属网格衬底的材质为金、银、铜、铁、铝或镍之一。

9.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

金属网格衬底的线宽介于0.5～5μm，厚度介于5～10μm。

10.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，其特征在于：

频率选择表面结构层表面包括两个L形网格单元和三方块叠加的网格单元。