WO2014019514A1 - 一种宽频吸波超材料、电子设备以及获得宽频吸波超材料的方法 - Google Patents

一种宽频吸波超材料、电子设备以及获得宽频吸波超材料的方法 Download PDF

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WO2014019514A1
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layer
layers
basic unit
substrate
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刘若鹏
赵治亚
寇超锋
何嘉威
叶金财
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深圳光启创新技术有限公司
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
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Definitions

  • the present invention generally relates to a absorbing material, and more particularly to a broadband absorbing material, an electronic device, and a broadband thin material. Methods. BACKGROUND OF THE INVENTION.
  • electromagnetic waves may cause interference to the airport environment, causing aircraft flights to fail to take off normally; mobile phones may interfere with the operation of various sophisticated electronic medical devices; even ordinary computers will radiate electromagnetic waves carrying information, which may be It was received and reproduced outside the kilometer, causing leakage of intelligence in defense, politics, economics, science and technology.
  • Absorbing materials are a class of materials that absorb the energy of electromagnetic waves projected onto their surface. They are also widely used in military and other applications, such as stealth machines, invisible clothing, and the like.
  • the basic conditions for the absorption of electromagnetic waves by materials are: (1) When electromagnetic waves are incident on the material, they can enter the interior of the material to the maximum extent, that is, the materials are required to have matching characteristics; (2) The electromagnetic waves entering the interior of the material can be rapidly and almost completely attenuated. That is, the attenuation characteristics.
  • One of the methods to achieve the first condition is to use special boundary conditions, such as coating the surface of the high-conductivity, high-magnetic absorbing material, the magnetic permeability close to the air conductance, and the magnetic permeability to maximize the electromagnetic wave.
  • Achieving the second condition requires the material to have high electromagnetic loss.
  • the existing absorbing materials utilize the absorption properties of the respective materials themselves for electromagnetic waves.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a wide-band absorbing super-material with a wide absorbing band, which comprises a multi-layer substrate and is arranged separately in accordance with the deficiencies of the prior art.
  • the microstructure of the layer on the substrate Further, the topological shape and/or size of the microstructures on different layers of the broadband absorber supermaterial are different.
  • a technical problem to be solved by the present invention is to provide a broadband absorbing material using a metamaterial theory design in view of the above-mentioned deficiencies of the prior art.
  • the broadband absorbing ultra-material has a wide absorption band and good absorbing performance, and has broad application prospects.
  • Another technical problem that is mainly solved by the present invention is to provide a broadband absorbing material, an electronic device, and a method for obtaining a broadband absorbing material, which can make the absorbing material have a better absorption effect on electromagnetic waves. Significantly increase the bandwidth of the absorbing wave.
  • a further technical problem to be solved by the present invention is to provide a broadband absorbing material having a wide absorbing frequency band and a relatively thin absorbing property in view of the above-mentioned deficiencies of the prior art.
  • a technical solution adopted to solve the above technical problem is to provide a broadband absorbing super material, the broadband absorbing super material is virtually divided into a plurality of basic units, and the basic unit includes a plurality of sub-units, and the sub-unit Including the substrate and the microstructure attached to the substrate, the microstructure topography on each sub-unit is the same, and the microstructure size on each sub-unit gradually increases along the electromagnetic wave propagation direction.
  • the microstructures on the sub-units of the layers are composed of one or more first basic microstructures and one or more second basic microstructures, the first basic microstructures being complete circular microstructures
  • the second basic microstructure is an annular structure having four identical notches circumferentially equally spaced; the one or more first basic microstructures and one or more second basic microstructures are concentrically disposed .
  • the microstructure on each layer subunit includes a first basic microstructure shape and a second basic microstructure shape, and the radius of the first basic microstructure shape is smaller than the shape of the second basic microstructure radius.
  • the microstructures on the sub-units of each layer include a radius of n and r 2 Two first basic microstructures and one second basic microstructure, the second basic microstructure having a radius greater than r 2 , r 2 more than the ⁇ .
  • the microstructures on the sub-units of the layers include a first basic microstructure and a radius of n ' and r 2 'two second basic microstructures, r 2 'Greater than', 'greater than the first basic microstructure radius.
  • the basic unit comprises nine layers of sub-units, and the microstructure size on each sub-unit is linearly increased in proportion to the wave propagation direction, and the ratio is 0.3-1.5.
  • the substrate is made of FR4 material.
  • the invention utilizes the principle of metamaterial to design the absorbing supermaterial, and achieves the effects of impedance matching and broadband absorbing by setting the multilayer sub-unit and the microstructure size gradient on each sub-unit.
  • the broadband absorbing supermaterial of the invention has an attenuation of electromagnetic waves of 5dB to 14dB in the range of 4.2 GHz to 20 GHz, and has a wide absorbing frequency band and good absorbing effect.
  • a technical solution adopted by the present invention is: providing a broadband absorbing super material, comprising at least two basic unit layers, each of the basic unit layers including a substrate and a periodic arrangement a plurality of microstructures on the substrate, each of the basic unit layers respectively corresponding to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, wherein the topological shape of the plurality of microstructures on each of the basic unit layers Same as the size, the topological shape and/or size of the microstructures on different basic unit layers are different.
  • the shape of the microstructure of the basic unit layer is a circular ring shape.
  • the at least two layers of metamaterial base unit layers are stacked from the outer layer to the inner layer according to the size of the microstructure of the base unit layer of each layer.
  • the at least two layers of metamaterial base unit layers are stacked from the outer layer to the inner layer direction according to the size of the microstructure of the base unit layer of each layer from small to large.
  • the metamaterial includes four basic unit layers, and the first basic unit layer includes a first substrate and a plurality of first microstructures periodically arranged on the first substrate, wherein the first microstructure is a circle a second microstructure unit layer includes a second substrate and a plurality of second microstructures periodically arranged on the second substrate, the second microstructure comprising a first circular microstructure and a radius greater than a second circular microstructure having a circular microstructure radius and concentrically disposed with the first circular microstructure; the third layer basic unit layer includes a third substrate and a plurality of third periodically arranged on the third substrate a microstructure, the third microstructure includes a third circular microstructure, a fourth circular microstructure, a fifth circular microstructure, the third circular microstructure, the fourth circular microstructure, and the fifth circle The radius of the microstructure is sequentially increased and arranged concentrically and equally; the fourth layer of the basic unit layer includes a fourth substrate and a plurality of fourth microstructures periodically arranged on the fourth substrate, the fourth microstructure comprising Sixth circular micro
  • the first to ninth circular microstructures are all metal microstructures.
  • the first substrate, the second substrate, the third substrate and the fourth substrate are made of the same material, and are all FR-4 material, F4B material, polystyrene PS material, ferroelectric material, ferrite material or Ferromagnetic material.
  • an electronic device including a casing, the casing is provided with a broadband absorbing wave metamaterial, and the metamaterial includes at least two basic unit layers, each The basic unit layer includes a substrate and a plurality of microstructures periodically arranged on the substrate, and each of the basic unit layers respectively corresponds to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, wherein each of the layers
  • the topological shapes and dimensions of the plurality of microstructures on the layer base unit layer are the same, and the topological shapes and/or sizes of the microstructures on the different base unit layers are different.
  • another technical solution adopted by the present invention is: providing a method for obtaining a broadband absorbing super material, comprising: providing at least two basic unit layer layers, each of the basic unit layers including a substrate and a plurality of microstructures periodically arranged on the substrate, each of the basic unit layers respectively corresponding to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, wherein the plurality of layers on each of the basic unit layers
  • the topological shape and size of the microstructure are the same, and the topological shape and/or size of the microstructures on the different basic unit layers are different; the at least two basic unit layers are laminated to form a metamaterial.
  • the beneficial effects of the present invention are: different from the prior art, at least two basic unit layers of the present invention respectively correspond to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, and the plurality of micro-layers on each basic unit layer
  • the topological shape and size of the structure are the same, and the topological shape and/or size of the microstructures on different basic unit layers are different.
  • the absorbing wave metamaterial composed of the multi-layer microstructure layer can significantly increase the bandwidth of the absorbing wave on the basis of better absorption of electromagnetic waves.
  • the technical solution adopted by the present invention to solve the above further technical problem is to provide a broadband absorbing material, which is virtually divided into a plurality of basic units, each of which includes a plurality of layers stacked in the electromagnetic wave propagation direction.
  • each layer comprising a substrate and the microstructure coated on the surface of the substrate, the microstructure being a metal coating; the layers of each layer gradually increasing in the direction of electromagnetic wave propagation and the central axes of the layers are coincident .
  • the basic unit is divided into three parts, the substrate of the first layer has a first dielectric constant, and the substrate of the second part has a second dielectric constant.
  • the substrate of the third layer has a third dielectric constant.
  • the first dielectric constant is less than the second dielectric constant less than the third dielectric constant.
  • the size of each layer layer is gradually increased in an equal manner.
  • the first part of the basic unit comprises four layers, the substrate of each layer has a first dielectric constant of 2.6 to 2.8; the second part of the basic unit comprises thirteen layers, and the substrate of each layer The second dielectric constant is 3.5 to 4.0; the third partial basic unit includes three layers, and the third dielectric constant of the substrate of each layer is 8.5 to 9.0. Further, each layer has a thickness of 0.2 mm and a metal coating thickness of 0.01 to 0.02 mm.
  • the substrate material of the first partial basic unit sheet is FR4 material, F4B material or PS material step
  • the substrate material of the second partial basic unit sheet is FR4 material, F4B material or PS Step by step
  • the substrate material of the sheet of the third partial basic unit is FR4 material, F4B material or PS material step
  • the metal coating material is copper, silver or aluminum, and the layers are adhered.
  • the metal-coated surface is square with a maximum square surface length of 10.4 mm and a minimum square surface length of 5 mm.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a basic unit constituting a metamaterial
  • FIG. 2 is a first basic structure of a topological structure constituting each layer subunit in a first embodiment group of a broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention
  • 3 is a schematic diagram of a second basic structure of a topological structure constituting each layer subunit in a first embodiment group of a broadband absorbing supermaterial according to the present invention
  • FIG. 4 is a broadband absorbing super
  • 5 is a schematic diagram of a second preferred embodiment of a topology of microstructures attached to sub-layers of each layer in a first embodiment of a wideband absorbing supermaterial according to the present invention
  • FIG. 6 is a broadband absorbing method of the present invention.
  • FIG. 7 is a first embodiment of a broadband absorbing supermaterial of the present invention
  • FIG. 8 is a perspective view showing a simulation result of a broadband absorbing supermaterial composed of the basic unit shown in FIG. 7 in a first embodiment of a broadband absorbing supermaterial according to the present invention;
  • FIG. schematic diagram. 9 is a schematic structural view of a basic unit constituting a broadband absorbing wave metamaterial in an embodiment of a second embodiment of a broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention;
  • FIG. 10 is a view of a broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention
  • 2 is a schematic structural view of a basic unit constituting a broadband absorbing wave metamaterial in another embodiment of the second embodiment
  • FIG. 11 is a view showing a broadband absorbing wave in a further embodiment of the second embodiment of the broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention
  • FIG. 12 is a schematic structural view of a basic unit constituting a broadband absorbing wave metamaterial according to still another embodiment of the second embodiment of the broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention
  • FIG. 14 is yet another embodiment of a second embodiment of a broadband absorbing supermaterial of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic structural view of a microstructure of a third layer in a further embodiment of a second embodiment of a broadband absorbing supermaterial according to the present invention.
  • FIG. 17 is a second embodiment of a broadband absorbing supermaterial according to the present invention.
  • a schematic diagram of simulation test of metamaterial in still another embodiment; 18 is a schematic structural view of an electronic device corresponding to a second embodiment of a wideband absorbing wave metamaterial of the present invention;
  • FIG. 15 is a schematic structural view of a microstructure of a third layer in a further embodiment of a second embodiment of a broadband absorbing supermaterial according to the present invention.
  • FIG. 19 is a second embodiment group corresponding to a broadband absorbing wave metamaterial of the present invention.
  • a flow diagram of an embodiment of a method of obtaining a broadband absorber. 20 is a perspective view showing the basic structure of a basic unit of a third embodiment of the broadband absorbing material according to the present invention; and FIG. 21 is a simulation result of a preferred embodiment of the third embodiment of the broadband absorbing material according to the present invention.
  • BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION It should be noted that the embodiments in the present application and the features in the embodiments may be combined with each other without conflict. The invention will be described in detail below with reference to the drawings in conjunction with the embodiments.
  • the dielectric constant and magnetic permeability of each point of the material are the same or different, so that the dielectric constant and magnetic permeability of the material as a whole are arranged regularly, the magnetic permeability of the regular arrangement and
  • the dielectric constant allows the material to have a macroscopic response to electromagnetic waves, such as converging electromagnetic waves, diverging electromagnetic waves, and absorbing electromagnetic waves.
  • Such materials with regularly arranged magnetic permeability and dielectric constant are referred to as metamaterials.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view showing a basic unit constituting a metamaterial.
  • the basic unit of the metamaterial includes the artificial microstructure 1 and the substrate 2 to which the artificial microstructure is attached.
  • the artificial microstructure can be an artificial metal microstructure having a planar or stereo topology that responds to an electric field and/or a magnetic field of an incident electromagnetic wave, changing the pattern and/or size of the man-made metal microstructure on each of the metamaterial base elements.
  • the response of each metamaterial base unit to incident electromagnetic waves is varied.
  • the basic units of multiple metamaterials are arranged according to a certain regularity, so that the metamaterial can have a macroscopic response to electromagnetic waves.
  • the basic unit of each metamaterial needs to form a continuous response to the incident electromagnetic wave, which requires that the size of each metamaterial basic unit is less than one fifth of the incident electromagnetic wave, preferably One-tenth of the wavelength of the incident electromagnetic wave.
  • the division of the supermaterial into a plurality of metamaterial basic units is an artificial division method, but it should be understood that the division method is only convenient for description, and the super material can be spliced or assembled by a plurality of metamaterial basic units. It can also be formed by arranging the microstructure of the man-made metal on the substrate.
  • the metamaterial is spliced or assembled from a plurality of metamaterial basic units.
  • the metamaterial is the artificial metal microstructure period. It can be arranged on the substrate, and the process is simple and the cost is low.
  • the periodic arrangement means that the man-made metal microstructures on the basic units of the above-mentioned artificially divided super-materials can generate a continuous electromagnetic response to incident electromagnetic waves.
  • First Embodiment Group The first embodiment of the present invention is described below in detail with reference to Figs. 2 to 8.
  • the first embodiment of the present invention utilizes the above-described metamaterial principle to design a broadband absorbing supermaterial. In contrast to FIG.
  • the basic unit of the absorbing supermaterial in the first embodiment of the present invention includes a plurality of sub-units, each layer Different microstructures are attached to the unit. Impedance matching and broadband absorbing are achieved by designing different microstructures.
  • the microstructures of the subunits in the first embodiment of the present invention have the same topological shape but different sizes, and the microstructure size of the subunits gradually increases along the wave propagation direction.
  • the larger the size of the microstructure, the larger the refractive index of the corresponding subunit, due to the gradual change of the microstructure size on each subunit of the first embodiment of the present invention when the electromagnetic wave At the time of incidence, the gain loss due to the reflection of the electromagnetic wave due to the sudden change in the refractive index can be reduced, thereby achieving the effect of impedance matching.
  • the microstructures of the sub-units of each layer have the absorbing effect, and the absorbing effects of the sub-units of each layer are superimposed to achieve the performance of broadband and high-efficiency absorbing.
  • the topology of the microstructure attached to each layer of subunits can be combined by the basic structure shown in Fig. 2 and Fig. 3.
  • the first basic microstructure topology shown in FIG. 2 is a complete circular microstructure
  • the second basic microstructure topology shown in FIG. 3 is a circular ring having the same four notch structures equally spaced on the circumference. microstructure.
  • the topology of each layer subunit may be composed of the same or different number of the above two basic structures, for example, as shown in FIG. 4, in FIG. 4, the topology of each layer subunit includes a first basic microstructure and a second basic The microstructure, the first basic microstructure and the second basic microstructure are concentrically disposed and the second basic microstructure radius is greater than the first basic microstructure radius. As shown in FIG. 5, in FIG.
  • each layer subunit includes two first basic microstructures and one second basic microstructure having radii rl and r2, respectively, wherein the two first basic microstructures and one The second basic microstructure is concentrically arranged and the second basic microstructure radius is greater than r2 and r2 is greater than rl.
  • the topology of each layer subunit includes a first basic microstructure and two second basic microstructures having radii rl ' and r2', respectively, wherein the first basic microstructure and two The second basic microstructure is concentrically arranged and r2' is greater than rl ', and rl ' is greater than the first basic microstructure radius.
  • FIG. 7 is a schematic structural view of a preferred embodiment of a basic unit of a broadband absorbing material in a group according to a first embodiment of the present invention.
  • the basic unit of the broadband absorbing supermaterial includes nine sub-units, each sub-single
  • the element includes a substrate and a microstructure attached to the substrate.
  • Each of the substrates has the same material, and is FR4 material in this embodiment.
  • the microstructure topography on each substrate is the same, which is the topological shape shown in Fig. 4. In the direction of wave propagation, the microstructure size on each substrate gradually increases.
  • Fig. 8 is a simulation result of the S11 parameter obtained by using the CST (Computer Simulation Technology) simulation software for the broadband absorbing material shown in Fig. 7.
  • the broadband absorbing material of the embodiment has a wide absorption frequency band and good absorbing performance, and has a good absorbing effect between 4.2 GHz and 20 GHz, and the electromagnetic wave attenuation is 5 dB to 14 dB.
  • CST Computer Simulation Technology
  • FIG. 9 is a schematic structural view of a basic unit constituting a broadband absorbing wave metamaterial in an embodiment of a second embodiment of a broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention
  • FIG. 10 is a second embodiment of a broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention.
  • a schematic diagram of a basic unit of a broadband absorbing supermaterial is constructed.
  • the metamaterial basic unit layer has two layers, three layers, ... or N layers, and at least two layers, as shown in FIG.
  • the metamaterial base unit layer has two layers 201 and 202.
  • the metamaterial base unit layer has four layers 301, 302, 303, and 304.
  • Each layer of metamaterial base unit includes a substrate and a plurality of microstructures periodically arranged on the substrate.
  • the topological shapes and dimensions of the microstructures on each of the supermaterial base units are the same, and the topological shapes and/or dimensions of the microstructures on the different layers are different.
  • the base material of each layer of the super material base unit may be selected from FR-4 material, F4B material, PS material, ferroelectric material, ferrite material or ferromagnetic material.
  • the material of the base material of each layer of the metamaterial base unit is selected from materials having a large electromagnetic wave loss to enhance the absorbing effect of the broadband absorbing material in the second embodiment of the present invention.
  • the microstructures of the metamaterials of different basic unit layers are different, and each layer of the metamaterial base layer corresponds to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves.
  • the microstructures of different basic unit layers are different, so the microstructure of each layer plays a different role, and the microstructure between layers also affects each other, and the effects of each layer are integrated to achieve broadband absorption.
  • Effect. 11 is a schematic structural view of a basic unit constituting a broadband absorbing wave metamaterial in a further embodiment of a second embodiment of the broadband absorbing wave metamaterial according to the present invention. As shown in FIG. 11, the metamaterial basic unit layer includes 401. 402, 403, and 404, the corresponding microstructures are 41, 42, 43 and 44, respectively.
  • the topological shape of the microstructure may be a cross, an I-shape, a flat snowflake, a circle, a ring, a ring or other stereo topology.
  • the topological shape is illustrated in FIG. 11 as a cross shape.
  • the size of the metamaterial microstructure 41 is smaller than the size of the metamaterial microstructure 42.
  • the size of the metamaterial microstructure 42 is smaller than the size of the metamaterial microstructure 43.
  • the size of the microstructure 43 is small The dimensions of the supermaterial microstructure 44.
  • the metamaterial basic unit is performed.
  • the basic unit layers including the microstructures 54, the microstructures 53, the microstructures 52, and the microstructures 51 may be sequentially stacked in the outward direction.
  • the arrangement of the basic unit layers of the supermaterial is performed according to the size of the microstructure of each of the basic unit layers. The size is arranged from the outer layer to the inner layer from small to large, as shown in FIG.
  • the outer layer in the order of the size of the microstructure of the basic unit layer may be stacked from the outer to the inner, and may be small to small. To be large, or from large to small and then from small to large, as long as they can meet the required absorbing requirements, they can be combined according to the size of the microstructure, and will not be described here.
  • the topological shape of the microstructure of the basic unit layer is circular.
  • a broadband absorbing super material adopts 4 layers.
  • the first basic unit layer is composed of a first substrate 801. And a plurality of first microstructures 802 periodically arranged on the first substrate 801.
  • the microstructures 802 are circular microstructures having a radius of a first radius r0, and the circular microstructures 802 have a first line width.
  • the second basic unit layer is composed of a second substrate 901 and a second microstructure 902, wherein the second microstructure 902 includes a first circular microstructure having a radius rl and is concentric with the first circular microstructure.
  • the third basic unit layer is composed of a third base material 1001 and a third microstructure 1002, wherein the third microstructure 1002 includes a third circular microstructure having a radius r3 and a fourth circle having a radius r4.
  • the fourth basic unit layer is composed of a fourth base material 1101 and a fourth microstructure 1102, wherein the fourth microstructure 1102 includes a sixth circular microstructure having a radius r6 and a seventh circle having a radius r7.
  • the microstructures are concentric and equally spaced, with the spacing being the first spacing, and r9>r8>r7>r6>r5>r4>r3>r2>rl>r0.
  • the four layers of the basic unit layers are laminated from the outside to the inside to form a metamaterial, and the metamaterial is subjected to simulation test. As shown in Fig. 17, the abscissa indicates the frequency of the electromagnetic wave, the ordinate indicates the si value of the si 1 parameter, and has the absorbing property in the range of 5-15 GHz in the high frequency.
  • the test results show that compared with the single-layer basic unit layer, the super-material of the multi-layer basic unit layer can significantly improve the absorbing bandwidth.
  • at least two basic unit layers of the present invention respectively correspond to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, and the topological shapes and sizes of the plurality of microstructures on each of the basic unit layers are the same. The topological shape and/or size of the microstructures on different basic unit layers are different.
  • the absorbing wave metamaterial composed of the multi-layer microstructure layer can significantly increase the bandwidth of the absorbing wave on the basis of better absorption of electromagnetic waves.
  • the housing includes an outer casing, and the outer casing of the electronic device 1301 is provided with a broadband absorber super-material 1302,
  • the meta-material 1302 includes at least two basic unit layers, each of the basic unit layers including a substrate and a plurality of microstructures periodically arranged on the substrate, each layer of the basic unit layer Corresponding to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, wherein the topological shapes and sizes of the plurality of microstructures on each basic unit layer are the same, and the topological shapes and/or sizes of the microstructures on different basic unit layers are different.
  • the metamaterial basic unit layer of the electronic device has two layers, three layers, ... or N layers, and at least two layers, and the microstructure of each layer of the super material basic unit layer is different, and each layer of the super material basic unit
  • the layers respectively correspond to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves.
  • the microstructures of different basic unit layers are different, so the microstructure of each layer plays a different role, and the microstructure between layers also affects each other, and the effects of each layer are integrated to achieve broadband absorption. Effect.
  • the topological shape of the microstructure of the basic unit layer is a circular shape.
  • At least two layers of metamaterial base unit layers are stacked from the outer layer to the inner layer in accordance with the size of the microstructure of the base unit layer of each layer.
  • at least two layers of the metamaterial base unit layer are arranged in a stack from the outer layer to the inner layer according to the size of the microstructure of the base unit layer of each layer from small to large.
  • at least two basic unit layers are stacked from the outer layer to the inner layer in accordance with the periodicity of the periodic arrangement of the basic unit layers of the respective unit layers on the substrate.
  • at least two basic unit layers are arranged in a layered manner from the outer layer to the inner layer according to the periodicity of the periodic arrangement of the basic unit layers of each layer on the substrate.
  • At least two basic unit layers of the present invention respectively correspond to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, and the topological shapes and sizes of the plurality of microstructures on each of the basic unit layers are the same.
  • the topological shape and/or size of the microstructures on different basic unit layers are different.
  • the absorbing wave metamaterial composed of the multi-layer microstructure layer can significantly increase the bandwidth of the absorbing wave on the basis of better absorption of electromagnetic waves.
  • 19 is a flow chart of an embodiment of a method for obtaining a broadband absorbing supermaterial corresponding to a second embodiment of a broadband absorbing supermaterial of the present invention. As shown in FIG.
  • Step S101 Providing at least two basic unit layer layers, each of the basic unit layers comprising a substrate and a plurality of microstructures periodically arranged on the substrate, each of the basic unit layers respectively corresponding to a predetermined frequency of absorbing electromagnetic waves a point or a predetermined frequency band, wherein the topological shapes and sizes of the plurality of microstructures on each of the basic unit layers are the same, and the topological shapes and/or sizes of the microstructures on different basic unit layers are different;
  • Step S102 The at least two basic unit layers are laminated to form a metamaterial.
  • the microstructures of different layers are different, so the microstructure of each layer plays a different role, and the microstructure between layers also affects each other, and the effects of each layer are integrated to achieve broadband absorbing effect.
  • at least two basic unit layers of the second embodiment group of the broadband absorbing supermaterial of the present invention respectively correspond to a predetermined frequency point or a predetermined frequency band for absorbing electromagnetic waves, and each of the basic unit layers
  • the topological shapes and dimensions of the plurality of microstructures are the same, and the topological shapes and/or sizes of the microstructures on different basic unit layers are different.
  • the absorbing wave metamaterial composed of the multi-layer microstructure layer can significantly increase the bandwidth of the absorbing wave on the basis of better absorption of electromagnetic waves.
  • the present invention utilizes the above-described metamaterial principle to design an absorbing wave metamaterial.
  • the basic unit of the broadband absorbing material in the third embodiment of the wideband absorbing material of the present invention includes a plurality of stacked in the electromagnetic wave propagation direction.
  • the ply layer, each ply layer comprises a substrate and a metal coating, wherein the metal coating is one of the above microstructures.
  • the metal coating coats the entire surface of the substrate.
  • the thickness of the metal coating layer is preferably 0.01 to 0.02 mm, and the thickness of each layer is preferably 0.2 mm.
  • the metal coating material may be various types of conductive metals such as copper, silver, and aluminum.
  • FIG. 20 is a schematic perspective structural view of a basic unit in a third embodiment of a wideband absorbing material according to the present invention. As can be seen from Fig. 2, the layer size of each layer gradually increases in the electromagnetic wave propagation direction and the central axes of the respective layer layers coincide.
  • the basic unit is divided into three parts, the substrate of the first layer has a first dielectric constant, and the substrate of the second part has a second dielectric constant, the third The partial substrate of each of the sheets has a third dielectric constant.
  • the first dielectric constant is less than the second dielectric constant and less than the third dielectric constant.
  • the first part of the basic unit comprises four layers, the substrate of each layer has a first dielectric constant of 2.6 to 2.8; the second part of the basic unit comprises thirteen layers, the substrate of each layer Second The dielectric constant is 3.5 to 4.0; the third part of the basic unit comprises three layers, and the substrate of each layer has a third dielectric constant of 8.5 to 9.0.
  • the material having the first dielectric constant, the second dielectric constant, and the third dielectric constant may be an FR-4 material, an F4B material, a PS material, or the like.
  • the surface of each layer layer to which the metal coating layer is attached is square, and the size of the square surface of each layer layer is gradually increased in the direction of electromagnetic wave propagation.
  • the difference ratio is: (maximum square surface side length - minimum square surface side length) I (layer number of layers -1).
  • the largest square surface has a side length of 10.4 mm and the smallest square surface has a side length of 5 mm.
  • the size of each layer of the basic unit in the group is gradually increased to satisfy the impedance matching effect.
  • the metal coating of the adjacent layers constitutes an equivalent capacitance
  • the metal coating itself constitutes an equivalent inductance
  • the basic unit integrally forms a plurality of LC equivalent circuits.
  • the equivalent capacitance and the equivalent inductance value in the LC equivalent circuit are adjusted to combine the resonance frequency points of the plurality of LC equivalent circuits. In order to achieve broadband absorbing effect.
  • the absorption frequency of the present invention is determined by an LC resonance circuit composed of an equivalent capacitance and an equivalent inductance, when it is necessary to change the absorption frequency, it is only necessary to change the metal coating size or the equivalent dielectric constant of the substrate or The thickness of the substrate can be.
  • the first portion includes four layers, and the first dielectric constant of the substrate of each layer is 2.65; the second portion includes ten a three-layered sheet, the second dielectric constant of the substrate of each layer is 3.73; the third portion includes three layers, and the third dielectric constant of the substrate of each layer is 8.79; each layer The thickness is 0.2 mm; along the direction of electromagnetic wave propagation, the size of the square surface of each layer gradually increases in an equidistant manner, the maximum square surface size is 10.4 mm, and the minimum square surface is 5 mm, the broadband absorbing material of the present invention
  • the S 11 parameter simulation effect is shown in Figure 3. As can be seen from Fig.
  • the broadband absorbing material of the present invention has a better absorbing effect, and the electromagnetic wave attenuation can reach more than 10 dB in the bandwidth of 7.5 GHz to 12 GHz.

Abstract

本发明公开了一种宽频吸波超材料，其包括多层基材以及分别排布于不同层所述基材上的微结构。这种宽频吸波超材料的吸波频段较宽。本发明还公开了一种电子设备以及一种获得宽频吸波超材料的方法。通过上述方式，本发明能够使吸波超材料在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。

Description

一种宽频吸波超材料、 电子设备以及获得宽频吸波超材料的方法 技术领域 本发明涉及一种吸波材料， 具体而言， 涉及一种宽频吸波超材料、 电子设备以及 获得宽频稀薄材料的方法。 背景技术 随着科学技术发展的日新月异， 以电磁波为媒介的技术、 各种产品越来越多， 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一吸波材料， 已成为材料科学的一大课题。 吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料， 其在包括军事以及其 它方面也有广泛的应用， 比如隐形机、 隐形衣等。 材料吸收电磁波的基本条件是： （1 ) 电磁波入射到材料上时， 它能最大限度地进入材料内部， 即要求材料具有匹配特性； (2)进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉， 即衰减特性。 实现第一个条件 的方法之一是采用特殊的边界条件， 如在高电导、 高磁导吸波材料的表面涂敷电导、 磁导接近空气电导、 磁导的介质， 使电磁波最大限度地入射； 实现第二个条件要求材 料具有高的电磁损耗性。 现有的吸波材料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， 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。 另外， 现有的吸波超材料对特定频率的电磁波的吸收效果已经有了较大的进步， 但是通常吸 收的电磁波的频段非常窄。 发明内容 本发明所要解决的技术问题在于， 针对现有技术的不足， 提供一种吸波频段较宽 的宽频吸波超材料， 该宽频吸波超材料包括多层基材以及分别排布于不同层所述基材 上的微结构。 进一步地， 该宽频吸波超材料中不同层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸 不相同。 具体来说: 本发明所要解决的一个技术问题在于， 针对现有技术的上述不足， 提出一种利用 超材料理论设计的宽频吸波超材料。 该宽频吸波超材料吸收频段宽、 吸波性能好， 具 有广泛的应用前景。 本发明主要解决的另一个技术问题是提供一种宽频吸波超材料、 电子设备以及获 得宽频吸波超材料的方法，能够使吸波超材料在对电磁波有较好的吸收效果的基础上， 显著提高吸波的带宽。 本发明所要解决的再一个技术问题在于， 针对现有技术的上述不足， 提出一种吸 波频段较宽、 厚度较薄吸波性能较好的宽频吸波材料。 为了解决上述一个技术问题采用的技术方案是， 提出一种宽频吸波超材料， 所述 宽频吸波超材料虚拟划分为多个基本单元， 所述基本单元包括多层子单元， 所述子单 元包括基材以及附着于基材上的微结构， 各层子单元上的微结构拓扑形状相同， 沿电 磁波传播方向， 各层子单元上的微结构尺寸逐渐增大。 进一步地， 所述各层子单元上的微结构由一个或多个第一基本微结构和一个或多 个第二基本微结构构成， 所述第一基本微结构为完整的圆环形微结构， 所述第二基本 微结构为圆周上等间距设置有四个相同的缺口的圆环形微结构； 所述一个或多个第一 基本微结构和一个或多个第二基本微结构同心设置。 进一步地， 所述各层子单元上的微结构包括一个第一基本微结构形状和一个第二 基本微结构形状， 所述第一基本微结构形状的半径小于所述第二基本微结构形状的半 径。 进一步地， 所述各层子单元上的微结构包括半径为 n和 r2的两个第一基本微结构 和一个第二基本微结构， 所述第二基本微结构半径大于 r2， r2大于 Γι。 进一步地，所述各层子单元上的微结构包括一个第一基本微结构和半径为 n '和 r2' 的两个第二基本微结构， r2 '大于 '， '大于所述第一基本微结构半径。 进一步地， 所述基本单元包括九层子单元， 各层子单元上的微结构尺寸沿波传播 方向呈线性等比例增大， 比例数为 0.3-1.5。 进一步地， 所述基材由 FR4材质制成。 本发明利用超材料原理设计吸波超材料， 通过设置多层子单元以及各层子单元上 的微结构尺寸渐变达到阻抗匹配和宽频吸波的效果。本发明宽频吸波超材料在 4.2GHZ 至 20GHZ区间内对电磁波的衰减度达到 5dB至 14dB， 其吸波频段宽， 吸波效果好。 为解决上述另一个技术问题， 本发明采用的一个技术方案是： 提供一种宽频吸波 超材料， 包括至少两层基本单元层， 每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所 述基材上的多个微结构， 每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或 者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同。 其中， 所述基本单元层的微结构的形状是圆环形。 其中， 所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺 寸的大小进行从外层到内层方向层叠排列的。 其中， 所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺 寸的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。 其中， 所述超材料包括四层基本单元层， 第一层基本单元层包括第一基材以及周 期排布于第一基材上的多个第一微结构， 所述第一微结构为圆形微结构； 第二层基本 单元层包括第二基材以及周期排布于第二基材上的多个第二微结构， 所述第二微结构 包括第一圆形微结构以及半径大于第一圆形微结构半径且与第一圆形微结构同心设置 的第二圆形微结构； 第三层基本单元层包括第三基材以及周期排布于第三基材上的多 个第三微结构， 所述第三微结构包括第三圆形微结构、 第四圆形微结构、 第五圆形微 结构， 所述第三圆形微结构、第四圆形微结构、第五圆形微结构半径依次增大且同心、 等间距设置； 第四层基本单元层包括第四基材以及周期排布于第四基材上的多个第四 微结构， 所述第四微结构包括第六圆形微结构、 第七圆形微结构、 第八圆形微结构以 及第九圆形微结构， 所述第六圆形微结构、 第七圆形微结构、 第八圆形微结构、 第九 圆形微结构半径依次增大且同心、 等间距设置 其中， 所述第二层基本单元层上第二圆形微结构与第一圆形微结构的间距为第一 间距； 所述第三层基本单元层上第三圆形微结构与第四圆形微结构， 第四圆形微结构 与第五圆形微结构之间的间距均为第一间距； 所述第四层基本单元层上第六圆形微结 构与第七圆形微结构， 第七圆形微结构与第八圆形微结构以及第八圆形微结构与第九 圆形微结构之间的间距均为第一间距。 其中， 所述第一至第九圆形微结构均为金属微结构。 其中，所述第一基材、第二基材、第三基材与第四基材材质相同，均为 FR-4材料、 F4B材料、 聚苯乙烯 PS材料、 铁电材料、 铁氧材料或者铁磁材料。 为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种电子设备， 包 括外壳， 所述外壳上设置有宽频吸波超材料， 所述超材料包括至少两层基本单元层， 每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构， 每层所述基 本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段， 其中， 所述每层基本单 元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑 形状和 /或尺寸不相同。 为解决上述技术问题， 本发明采用的又一个技术方案是： 提供一种获得宽频吸波 超材料的方法， 包括： 提供至少两层基本单元层层， 每层所述基本单元层包括基材以 及周期排布于所述基材上的多个微结构， 每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的 一个预定频点或者预定频段， 其中， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑 形状和尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同； 将所述至 少两层基本单元层进行层叠而组成超材料。。 本发明的有益效果是： 区别于现有技术的情况， 本发明至少两层基本单元层分别 对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段， 所述每层基本单元层上的所述多个微 结构的拓扑形状和尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相 同。 这种多层微结构层组成的吸波超材料， 能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础 上， 显著提高吸波的带宽。 本发明解决上述再一个技术问题采用的技术方案是， 提出一种宽频吸波材料， 所 述宽频吸波材料虚拟划分为多个基本单元， 每一基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠 的多层片层， 每层片层包括基材以及涂覆于基材表面的所述微结构， 微结构为金属涂 层； 沿电磁波传播方向各层片层尺寸逐渐增大且各层片层的中心轴线重合。 进一步地， 沿电磁波传播方向， 将所述基本单元划分为三部分， 第一部分的片层 的基材均具有第一介电常数， 第二部分的片层的基材均具有第二介电常数， 第三部分 的片层的基材均具有第三介电常数。 第一介电常数小于第二介电常数小于第三介电常 数。 进一步地， 沿电磁波传播方向， 各层片层尺寸按照等差方式逐渐增大。 进一步地， 第一部分基本单元包括四层片层， 每层片层的基材的第一介电常数为 2.6至 2.8; 第二部分基本单元包括十三层片层，每层片层的基材的第二介电常数为 3.5 至 4.0;第三部分基本单元包括三层片层，每层片层的基材的第三介电常数为 8.5至 9.0。 进一步地， 每层片层厚度为 0.2毫米， 金属涂层厚度为 0.01至 0.02毫米。 步地，所述第一部分基本单元的片层的基材材料为 FR4材料、 F4B材料或 PS 材料 步地，所述第二部分基本单元的片层的基材材料为 FR4材料、 F4B材料或 PS 材料 步地，所述第三部分基本单元的片层的基材材料为 FR4材料、 F4B材料或 PS 材料 步地， 所述金属涂层材料为铜、 银或铝 进一步地，各层片层附着有金属涂层的表面呈正方形，最大正方形表面边长为 10.4 毫米， 最小正方形表面边长为 5毫米。 本发明通过设计金字塔形的基本单元， 并优选地使得金字塔形的基本单元不同部 位的基材具有不同的介电常数从而实现阻抗匹配和宽频吸波的效果， 本发明宽频吸波 材料在 7.5GHZ至 12GHZ的频宽内， 电磁波衰减度均能达到 10dB以上。 附图说明 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。 在附图中： 图 1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图； 图 2为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中构成各层子单元的拓扑结构 的第一基本结构的示意图； 图 3为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中构成各层子单元的拓扑结构 的第二基本结构的示意图； 图 4为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中各层子单元上附着的微结构 的拓扑结构的第一较佳实施例的示意图； 图 5为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中各层子单元上附着的微结构 的拓扑结构的第二较佳实施例的示意图； 图 6为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中各层子单元上附着的微结构 的拓扑结构的第三较佳实施例的示意图； 图 7为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中基本单元的一较佳实施例的 立体结构示意图； 图 8为本发明一种宽频吸波超材料的第一实施例组中由图 7所示基本单元构成的 宽频吸波超材料的仿真结果示意图。 图 9为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中的一实施例中构成宽频吸波 超材料基本单元的结构示意图； 图 10 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中另一实施例中构成宽频吸 波超材料基本单元的结构示意图； 图 11 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中构成宽频吸 波超材料基本单元的结构示意图； 图 12 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中构成宽频吸 波超材料基本单元的结构示意图； 图 13 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中第一层的微 结构的结构示意图； 图 14 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中第二层的微 结构的结构示意图； 图 15 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中第三层的微 结构的结构示意图； 图 16 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中第四层的微 结构的结构示意图； 图 17 为本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中超材料的仿 真测试示意图； 图 18 为对应于本发明一种宽频吸波超材料的第二实施组例的一种电子设备的结 构示意图； 图 19 为对应于本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组的一种获得宽频吸波 超材料的方法的一实施例的流程图。 图 20为本发明一种宽频吸波材料的第三实施例组中基本单元的立体结构示意图； 图 21为本发明一种宽频吸波材料第三实施例组中优选实施例的仿真结果图。 具体实施方式 需要说明的是， 在不冲突的情况下， 本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 光， 作为电磁波的一种， 其在穿过玻璃的时候， 因为光线的波长远大于原子的尺 寸， 因此我们可以用玻璃的整体参数， 例如折射率， 而不是组成玻璃的原子的细节参 数来描述玻璃对光线的响应。 相应的， 在研究材料对其他电磁波响应的时候， 材料中 任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数， 例如介 电常数 ε和磁导率 μ来描述。 通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁 导率都相同或者不同， 从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布， 规律 排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、 发散电磁波、 吸收电磁波等。 该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超 材料。 如图 1所示， 图 1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。 超材料的基本单 元包括人造微结构 1 以及该人造微结构附着的基材 2。 人造微结构可为人造金属微结 构， 其具有对入射电磁波电场和 /或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构， 改变每个超 材料基本单元上的人造金属微结构的图案和 /或尺寸， 可改变每个超材料基本单元对入 射电磁波的响应。 多个超材料基本单元按一定规律排列， 可使超材料对电磁波具有宏 观的响应。 由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应， 因此各个超材料基本单 元对入射电磁波的响应需形成连续响应， 这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射 电磁波五分之一波长， 优选为入射电磁波十分之一波长。 本段描述中， 将超材料整体 划分为多个超材料基本单元是一种人为的划分方法， 但应知此种划分方法仅为描述方 便， 超材料既可由多个超材料基本单元拼接或组装而成， 也可将人造金属微结构周期 排布于基材上构成， 实际应用中不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而 成， 超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成， 工艺简单且成本低廉。 周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁 波产生连续的电磁响应。 第一实施例组 以下详细参考附图 2至图 8中描述本发明第一实施例组。 本发明第一实施例组利用上述超材料原理设计宽频吸波超材料，与图 1不同的是， 本发明第一实施例组中吸波超材料的基本单元包括多层子单元， 每层子单元上均附着 有不同的微结构。 通过设计不同的微结构的排布实现阻抗匹配与宽频吸波的效果。 本 发明第一实施例组中各子单元的微结构具有相同的拓扑形状但具有不同的尺寸， 沿波 传播方向， 子单元的微结构尺寸逐渐增大。 根据实验可知， 相同基材条件下， 微结构 的尺寸越大， 其对应的子单元的折射率越大， 由于本发明第一实施例组中各层子单元 上的微结构尺寸渐变， 当电磁波入射时， 能减小由于折射率突变造成的电磁波被反射 带来的增益损失， 从而实现阻抗匹配的效果。 同时， 各层子单元的微结构均具有吸波 效果， 各层子单元的吸波效果叠加达到宽频、 高效吸波的性能。 各层子单元上附着的微结构的拓扑结构可由图 2、 图 3所示的基本结构组合而成。 图 2所示的第一基本微结构拓扑形状为完整的圆环形微结构， 图 3所示的第二基本微 结构拓扑形状为圆周上等间距设置有相同的 4个缺口结构的圆环形微结构。 各层子单 元的拓扑结构可由相同或不同数量的上述两种基本结构组成， 例如如图 4所示， 图 4 中， 各层子单元的拓扑结构包括一个第一基本微结构和一个第二基本微结构， 第一基 本微结构和第二基本微结构同心设置且第二基本微结构半径大于第一基本微结构半 径。 如图 5所示， 图 5中， 各层子单元的拓扑结构包括半径分别为 rl和 r2的两个第 一基本微结构和一个第二基本微结构， 其中两个第一基本微结构和一个第二基本微结 构同心设置且第二基本微结构半径大于 r2， r2大于 rl。 如图 6所示， 图 6中， 各层子单元的拓扑结构包括一个第一基本微结构以及半径 分别为 rl '和 r2'的两个第二基本微结构， 其中第一基本微结构和两个第二基本微结构 同心设置且 r2'大于 rl '， rl '大于第一基本微结构半径。 结合上述说明还可以有很多其他不同种类的组合方式， 在此不再一一赘述。 如图 7所示， 图 7为本发明第一实施例组中宽频吸波材料的基本单元的一较佳实 施例的结构示意图。 图 7中， 宽频吸波超材料的基本单元包括九层子单元， 每层子单 元均包括基材以及附着于基材上的微结构。 各基材材质相同， 本实施例中均为 FR4材 料。 各基材上的微结构拓扑形状相同， 均为图 4所示拓扑形状。 沿波传播方向， 各基 材上的微结构尺寸逐渐增大。 尺寸增大的规律可为线性等比例增大也可为指数增大等 方式， 该实施例中采用线性等比例增大， 比例数为 0.3-1.5。 图 8为图 7所示的宽频吸波材料利用 CST (Computer Simulation Technology) 仿 真软件得到的 S11参数仿真效果图。 从图 8可以看出， 该实施例的宽频吸波超材料吸 波频段宽、 吸波性能好， 在 4.2GHZ至 20GHZ之间具有良好的吸波效果， 电磁波衰减 度为 5dB至 14dB。 第二实施例组 以下详细参考附图 9至图 19中描述本发明第二实施例组，在该第二实施例组中宽 频吸波超材料简称为超材料。 图 9是本发明一种宽频吸波超材料第二实施例组中的一实施例中构成宽频吸波超 材料基本单元的结构示意图，图 10是本发明一种宽频吸波超材料第二实施例组中的另 一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的结构示意图， 根据实际情况， 超材料基本 单元层有两层、 三层、 …或 N层， 至少包括两层， 如图 9所示， 超材料基本单元层有 两层 201以及 202， 如图 10所示， 超材料基本单元层有 4层 301、 302、 303以及 304。 每层超材料基本单元均包括基材以及周期排布于基材上的多个微结构。 每层超材料基 本单元上的微结构的拓扑形状和尺寸相同， 不同层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不 同。 各层超材料基本单元的基材材质可选取 FR-4材料、 F4B材料、 PS材料、 铁电材 料、 铁氧材料或者铁磁材料。 优选地， 各层超材料基本单元的基材材质选取对电磁波 损耗较大的材料以加强本发明第二实施例中宽频吸波超材料的吸波效果。 不同基本单 元层的超材料的微结构各不相同， 每层超材料基本单元层分别对应吸收电磁波的一个 预定频点或者预定频段。 不同基本单元层的微结构各不相同， 从而每一层的微结构所起的作用也不同， 而 层与层之间的微结构又会产生相互影响， 综合各层的效应从而达到宽频吸波的效果。 图 11 是本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中又一实施例中构成宽频吸 波超材料基本单元的结构示意图， 如图 11所示， 超材料基本单元层包括 401、 402、 403以及 404， 对应的微结构分别是 41、 42、 43以及 44， 微结构的拓扑形状可以是十 字形、 工字形、 平面雪花形、 圆形， 环形、 圆环形或者其它立体拓扑结构的拓扑形状， 在图 11中以十字形为例进行说明，超材料微结构 41的尺寸小于超材料微结构 42的尺 寸，超材料微结构 42的尺寸小于超材料微结构 43的尺寸，超材料微结构 43的尺寸小 于超材料微结构 44的尺寸。在进行超材料基本单元层的排列时按照由外向内依次层叠 包括微结构 41、 微结构 42、 微结构 43以及微结构 44的基本单元层； 或者如图 12所 示， 在进行超材料基本单元层的排列时也可以按照有外向内依次层叠包括微结构 54、 微结构 53、 微结构 52以及微结构 51的基本单元层。 如前所述， 在本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组的一优选实施例中， 在 进行超材料基本单元层的排列时是按照每层基本单元层的微结构的尺寸的大小由小到 大进行从外层到内层方向层叠排列的， 如图 11所示。 在该优选实施例中， 仅列举了四层基本单元层， 在实际情况中， 并不限于四层； 另外按照基本单元层的微结构的尺寸由外向内依次层叠可以由大到小、 由小到大， 或 者先由大到小再由小到大， 只要能满足需要的吸波要求， 可以按照微结构的尺寸进行 组合， 在此不进行一一赘述。 在本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组的一优选实施例中， 基本单元层的 微结构的拓扑形状是圆形， 本发明中一种宽频吸波超材料采用了 4层包括各不相同的 微结构的基本单元层， 每一层的微结构分别如图 13、 图 14、 图 15、 图 16所示， 先参 阅图 14， 第一基本单元层由第一基材 801和周期排布于第一基材 801上的多个第一微 结构 802构成， 微结构 802为圆形微结构， 半径为第一半径 r0， 且圆形的微结构 802 具有第一线宽。参阅图 14第二基本单元层由第二基材 901和第二微结构 902构成，其 中，第二微结构 902包括半径为 rl的第一圆形微结构以及与第一圆形微结构同心的半 径为 r2的第二圆形微结构， r2>rl>r0， 第二圆形微结构的线宽等于第一圆形微结构线 宽， 第二圆形微结构与第一圆形微结构具有第一间距。 参阅图 15， 第三基本单元层由 第三基材 1001和第三微结构 1002构成， 其中， 第三微结构 1002包括半径为 r3的第 三圆形微结构、 半径为 r4的第四圆形微结构以及半径为 r5的第五圆形微结构， 第三 圆形微结构、 第四圆形微结构和第五圆形微结构同心且等间距设置， 间距均为第一间 距， 且 r5>r4>r3>r2>rl>r0。 参阅图 16， 第四基本单元层由第四基材 1101和第四微结 构 1102构成， 其中， 第四微结构 1102包括半径为 r6的第六圆形微结构、 半径为 r7 的第七圆形微结构、 半径为 r8的第八圆形微结构以及半径为 r9的第九圆形微结构， 第六圆形微结构、 第七圆形微结构、 第八圆形微结构以及第九圆形微结构同心且等间 距设置， 间距均为第一间距， 且 r9>r8>r7>r6>r5>r4>r3>r2>rl>r0。 将这 4层基本单元 层由外向内层叠组成超材料， 对此超材料进行仿真测试。如图 17所示， 横坐标表示电 磁波的频率， 纵坐标表示 si 1参数 dB值， 在高频 5-15GHZ范围内具有吸波性能， 在 6.71-13.21GHZ范围内， sl l参数 dB值为 -5dB， 测试结果表明， 和单层基本单元层相 比， 本多层基本单元层的超材料可以显著提高吸波带宽。 区别于现有技术的情况， 本发明至少两层基本单元层分别对应吸收电磁波的一个 预定频点或者预定频段， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸 相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同。 这种多层微结构层组 成的吸波超材料， 能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础上， 显著提高吸波的带宽。 图 18 是对应于本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组的一种电子设备的一 实施例的结构示意图， 如图 18所示， 包括外壳， 电子设备 1301的外壳上设置有宽频 吸波超材料 1302， 所述超材料 1302包括至少两层基本单元层， 每层所述基本单元层 包括基材以及周期排布于基材上的多个微结构， 每层基本单元层分别对应吸收电磁波 的一个预定频点或者预定频段， 其中， 每层基本单元层上的多个微结构的拓扑形状和 尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同。 根据实际情况， 电子设备的超材料基本单元层有两层、 三层、 …或 N层， 至少包 括两层， 每层的超材料基本单元层的微结构各不相同， 每层超材料基本单元层分别对 应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段。 不同基本单元层的微结构各不相同， 从而每一层的微结构所起的作用也不同， 而 层与层之间的微结构又会产生相互影响， 综合各层的效应从而达到宽频吸波的效果。 其中， 基本单元层的微结构的拓扑形状是圆环形。 其中， 至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的 大小进行从外层到内层方向层叠排列的。 其中， 至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的 大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。 其中， 至少两层基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构周期排布于所述 基材上的周期性的大小进行从外层到内层方向层叠排列的。 其中， 至少两层基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构周期排布于基材 上的周期性的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。 区别于现有技术的情况， 本发明至少两层基本单元层分别对应吸收电磁波的一个 预定频点或者预定频段， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸 相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同。 这种多层微结构层组 成的吸波超材料， 能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础上， 显著提高吸波的带宽。 图 19 是对应于本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组的一种获得宽频吸波 超材料的方法的一实施例的流程图， 如图 19所示， 包括： 步骤 S101 : 提供至少两层基本单元层层， 每层所述基本单元层包括基材以及周期 排布于所述基材上的多个微结构， 每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预 定频点或者预定频段， 其中， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和 尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同； 步骤 S102: 将所述至少两层基本单元层进行层叠而组成超材料。 不同层的微结构各不相同， 从而每一层的微结构所起的作用也不同， 而层与层之 间的微结构又会产生相互影响， 综合各层的效应从而达到宽频吸波的效果。 区别于现有技术的情况， 本发明一种宽频吸波超材料的第二实施例组中至少两层 基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段， 所述每层基本单元层 上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状 和 /或尺寸不相同。 这种多层微结构层组成的吸波超材料， 能够在对电磁波有较好的吸 收效果的基础上， 显著提高吸波的带宽。 第三实施例组 以下详细参考附图 20至图 21中描述本发明第三实施例组， 其中宽频吸波材料相 当于宽频吸波超材料。 本发明利用上述超材料原理设计吸波超材料， 与图 1不同的是， 本发明一种宽频 吸波材料的第三实施例组中宽频吸波材料的基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠的多 层片层， 各层片层包括基材以及金属涂层， 这里的金属涂层即为上述的微结构中的一 种。金属涂层将基材表面全部涂覆。 金属涂层厚度均优选为 0.01至 0.02毫米， 每层片 层厚度均优选为 0.2毫米。 金属涂层材料可为铜、 银、 铝等各类导电金属。 请参照图 20， 图 20即为本发明一种宽频吸波材料的第三实施例组的一实施例中， 基本单元的立体结构示意图。 由图 2可知， 各层片层尺寸沿电磁波传播方向逐渐增大 且各层片层的中心轴线重合。 同时， 沿电磁波传播方向， 将基本单元划分为三部分， 第一部分的片层的基材均具有第一介电常数， 第二部分的片层的基材均具有第二介电 常数， 第三部分的片层的基材均具有第三介电常数。 第一介电常数小于第二介电常数 小于第三介电常数。 优选地， 第一部分基本单元包括四层片层， 每层片层的基材的第 一介电常数为 2.6至 2.8; 第二部分基本单元包括十三层片层， 每层片层的基材的第二 介电常数为 3.5至 4.0; 第三部分基本单元包括三层片层， 每层片层的基材的第三介电 常数为 8.5至 9.0。 整个基本单元为二十层片层， 厚度为 （0.2+0.018 ) *20=4.36毫米， 厚度非常薄。具有第一介电常数、第二介电常数、第三介电常数的材料可为 FR-4材料、 F4B材料、 PS材料等。 优选地， 各层片层附着有金属涂层的表面为正方形， 沿电磁波传播方向， 各层片 层的正方形表面的尺寸按等差方式逐渐增大。 等差比例为： （最大正方形表面边长-最 小正方形表面边长） I (片层层数 -1 )。 优选地， 本发明宽频吸波材料中， 最大正方形 表面边长为 10.4毫米， 最小正方形表面边长为 5毫米。 本发明一种宽频吸波材料的第三实施例组中基本单元的各层片层的尺寸逐渐增 大， 满足阻抗匹配效果。 同时相邻片层的金属涂层构成等效电容， 金属涂层本身构成 等效电感， 基本单元整体形成多个 LC等效电路。 通过合理配置金属涂层尺寸、 基材 等效介电常数以及基材厚度来调整 LC等效电路中的各等效电容和等效电感值， 使多 个 LC等效电路的谐振频点组合后以达到宽频吸波效果。 另外， 由于本发明的吸波频 点由等效电容和等效电感构成的 LC谐振电路决定， 当需要改变吸波频点时， 只需要 改变金属涂层尺寸或者基材等效介电常数或者基材厚度即可。 当本发明第三实施例组中宽频吸波材料基本单元采用 20层片层，第一部分包括四 层片层， 每层片层的基材的第一介电常数为 2.65 ; 第二部分包括十三层片层， 每层片 层的基材的第二介电常数为 3.73 ; 第三部分包括三层片层， 每层片层的基材的第三介 电常数为 8.79; 每层片层厚度为 0.2毫米； 沿电磁波传播方向， 各层片层的正方形表 面的尺寸按等差方式逐渐增大， 最大正方形表面尺寸为 10.4毫米， 最小正方形表面为 5毫米时， 本发明宽频吸波材料的 S 11参数仿真效果如图 3所示。 由图 21可知，本发明一种宽频吸波材料的第三实施例组中宽频吸波材料吸波效果 较好， 在 7.5GHZ至 12GHZ的频宽内， 电磁波衰减度均能达到 10dB以上。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技 术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的 任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权 利 要 求 书
1. 一种宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述宽频吸波超材料包括多层基材以及分 别排布于不同层所述基材上的微结构，
2. 根据权利要求 1所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 不同层上的微结构的拓 扑形状和 /或尺寸不相同。
3. 根据权利要求 2所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述宽频吸波超材料虚 拟划分为多个基本单元， 所述基本单元包括多层子单元， 所述子单元包括所述 基材以及附着于所述基材上的所述微结构， 各层子单元上的所述微结构拓扑形 状相同， 沿电磁波传播方向， 各层子单元上的所述微结构尺寸逐渐增大。
4. 根据权利要求 3所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述各层子单元上的所 述微结构由一个或多个第一基本微结构和一个或多个第二基本微结构构成， 所 述第一基本微结构为完整的圆环形微结构， 所述第二基本微结构为圆周上等间 距设置有四个相同的缺口的圆环形微结构； 所述一个或多个第一基本微结构和 一个或多个第二基本微结构同心设置。
5. 根据权利要求 4所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述各层子单元上的所 述微结构包括一个第一基本微结构拓扑形状和一个第二基本微结构拓扑形状， 所述第一基本微结构拓扑形状的半径小于所述第二基本微结构拓扑形状的半 径。
6. 根据权利要求 4所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述各层子单元上的所 述微结构包括半径为 rl和 r2的两个第一基本微结构和一个第二基本微结构， 所述第二基本微结构半径大于 r2， r2大于 rl。
7. 根据权利要求 4所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述各层子单元上的所 述微结构包括一个第一基本微结构和半径为 rl '和 r2'的两个第二基本微结构， r2'大于 rl '， rl '大于所述第一基本微结构半径。
8. 根据权利要求 5所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述基本单元包括九层 所述子单元， 所述各层子单元上的所述微结构尺寸沿波传播方向呈线性等比例 增大， 比例数为 0.3-1.5。
9. 根据权利要求 8所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述基材由 FR4材质制 成。
10. 根据权利要求 2所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述超材料包括至少两 层基本单元层， 每层所述基本单元层包括所述基材以及周期排布于所述基材上 的多个所述微结构， 每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点 或者预定频段， 其中， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和 尺寸相同， 不同基本单元层上的所述微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同。
11. 根据权利要求 10所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述基本单元层的所述 微结构的拓扑形状是圆环形。
12. 根据权利要求 10所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述至少两层超材料基 本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小进行从外层到内层 方向层叠排列的。
13. 根据权利要求 12所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述至少两层超材料基 本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小由小到大进行从外 层到内层方向层叠排列的。
14. 根据权利要求 10所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述超材料包括四层基 本单元层， 第一层基本单元层包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多个 第一微结构， 所述第一微结构为圆形微结构； 第二层基本单元层包括第二基材 以及周期排布于第二基材上的多个第二微结构， 所述第二微结构包括第一圆形 微结构以及半径大于第一圆形微结构半径且与第一圆形微结构同心设置的第二 圆形微结构； 第三层基本单元层包括第三基材以及周期排布于第三基材上的多 个第三微结构， 所述第三微结构包括第三圆形微结构、 第四圆形微结构、 第五 圆形微结构， 所述第三圆形微结构、 第四圆形微结构、 第五圆形微结构半径依 次增大且同心、 等间距设置； 第四层基本单元层包括第四基材以及周期排布于 第四基材上的多个第四微结构， 所述第四微结构包括第六圆形微结构、 第七圆 形微结构、 第八圆形微结构以及第九圆形微结构， 所述第六圆形微结构、 第七 圆形微结构、 第八圆形微结构、 第九圆形微结构半径依次增大且同心、 等间距 设置。
15. 根据权利要求 14所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述第二层基本单元层 上第二圆形微结构与第一圆形微结构的间距为第一间距； 所述第三层基本单元 层上第三圆形微结构与第四圆形微结构， 第四圆形微结构与第五圆形微结构之 间的间距均为第一间距； 所述第四层基本单元层上第六圆形微结构与第七圆形 微结构， 第七圆形微结构与第八圆形微结构以及第八圆形微结构与第九圆形微 结构之间的间距均为第一间距。
16. 根据权利要求 15所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述第一至第九圆形微 结构均为金属微结构。
17. 根据权利要求 15所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述第一基材、第二基 材、 第三基材与第四基材材质相同， 均为 FR-4材料、 F4B材料、 聚苯乙烯 PS 材料、 铁电材料、 铁氧材料或者铁磁材料。
18. 根据权利要求 1所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 所述宽频吸波材料虚拟 划分为多个基本单元， 每一基本单元包括沿电磁波传播方向堆叠的多层片层， 每层片层包括所述基材以及涂覆于基材表面的所述微结构， 所述微结构为金属 涂层； 沿电磁波传播方向各层片层尺寸逐渐增大且各层片层的中心轴线重合。
19. 根据权利要求 18所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 沿电磁波传播方向， 将 所述基本单元划分为三部分， 第一部分的片层的基材均具有第一介电常数， 第 二部分的片层的基材均具有第二介电常数， 第三部分的片层的基材均具有第三 介电常数。 第一介电常数小于第二介电常数小于第三介电常数。
20. 根据权利要求 19所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 沿电磁波传播方向， 各 层片层尺寸按照等差方式逐渐增大。
21. 根据权利要求 19所述的宽频吸波超材料，其特征在于，第一部分基本单元包括 四层片层， 每层片层的基材的第一介电常数为 2.6至 2.8; 第二部分基本单元包 括十三层片层， 每层片层的基材的第二介电常数为 3.5至 4.0; 第三部分基本单 元包括三层片层， 每层片层的基材的第三介电常数为 8.5至 9.0。
22. 根据权利要求 18或 21所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 每层片层厚度为 0.2毫米， 金属涂层厚度为 0.01至 0.02毫米。
23. 根据权利要求 21所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述第一部分基本单元 的片层的基材材料为 FR4材料、 F4B材料或 PS材料。
24. 根据权利要求 21所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述第二部分基本单元 的片层的基材材料为 FR4材料、 F4B材料或 PS材料。
25. 根据权利要求 21所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述第三部分基本单元 的片层的基材材料为 FR4材料、 F4B材料或 PS材料。
26. 根据权利要求 18所述的宽频吸波超材料，其特征在于，所述金属涂层材料为铜、 银或铝。
27. 根据权利要求 18或 20所述的宽频吸波超材料， 其特征在于， 各层片层附着有 金属涂层的表面呈正方形， 最大正方形表面边长为 10.4毫米， 最小正方形表面 边长为 5毫米。
28. 一种电子设备， 包括外壳， 其特征在于： 所述外壳上设置有宽频吸波超材料， 所述超材料包括至少两层基本单元层， 每层所述基本单元层包括基材以及周期 排布于所述基材上的多个微结构， 每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的 一个预定频点或者预定频段， 其中， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构 的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相 同。
29. 一种获得宽频吸波超材料的方法， 其特征在于： 所述方法包括：
提供至少两层基本单元层层， 每层所述基本单元层包括基材以及周期排布 于所述基材上的多个微结构， 每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个 预定频点或者预定频段， 其中， 所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓 扑形状和尺寸相同， 不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和 /或尺寸不相同； 将所述至少两层基本单元层进行层叠而组成超材料。
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