專利名稱：一種寬頻吸波超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸波材料，尤其涉及一種寬頻吸波超材料。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)發(fā)展的日新月異，以電磁波為媒介的技術(shù)、各種產(chǎn)品越來越多，電磁波輻射對環(huán)境的影響也日益增大。比如，無線電波可能對機場環(huán)境造成干擾，導致飛機航班無法正常起飛；移動電話可能會干擾各種精密電子醫(yī)療器械的工作；即使是普通的計算機，也會輻射攜帶信息的電磁波，它可能在幾公里以外被接收和重現(xiàn)，造成國防、政治、經(jīng)濟、科技等方面情報的泄漏。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學的一大課題。吸波材料是能吸收投射到它表面的電磁波能量的一類材料，其在包括軍事以及其 它方面也有廣泛的應(yīng)用，比如隱形機、隱形衣等。材料吸收電磁波的基本條件是(I)電磁波入射到材料上時，它能最大限度地進入材料內(nèi)部，即要求材料具有匹配特性；(2)進入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉，即衰減特性?，F(xiàn)有的吸波材料利用各個材料自身對電磁波的吸收性能，通過設(shè)計不同材料的組分使得混合后的材料具備吸波特性，此類材料設(shè)計復(fù)雜且不具有大規(guī)模推廣性，同時此類材料的機械性能受限于材料本身的機械性能，不能滿足特殊場合的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種利用超材料理論設(shè)計的寬頻吸波超材料。該寬頻吸波超材料吸收頻段寬、吸波性能好，具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提出一種寬頻吸波超材料，其包括沿電磁波傳播方向依次設(shè)置的第二超材料片層、第一超材料片層以及金屬底層；所述第一超材料片層包括第一基材以及排布于第一基材上的多個第一人造微結(jié)構(gòu)，所述第二超材料片層包括第二基材以及排布于第二基材上的多個第二人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)包括多個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為一個金屬圓環(huán)。進一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)包括6個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，所述6個金屬圓環(huán)按半徑從小到大分別為第一至第六金屬圓環(huán)；第一至第六金屬圓環(huán)的線寬相等，厚度相等，相鄰金屬圓環(huán)的間距相等。進一步地，所述第二人造微結(jié)構(gòu)的拓撲形狀與所述第一人造微結(jié)構(gòu)的第五金屬圓環(huán)相同。進一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)的材料為銅，所述銅板底層的
厚度等于所述第一人造微結(jié)構(gòu)或第二人造微結(jié)構(gòu)厚度。進一步地，所述第一基材為FR-4材料、陶瓷材料、鐵電材料或鐵氧材料。進一步地，所述第二基材為FR-4材料、陶瓷材料、鐵電材料或鐵氧材料。
進一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、鉆刻、電子刻或離子刻附著于第一基材表面上。進一步地，所述第二人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、鉆刻、電子刻或離子刻附著于第二基材表面上。進一步地，所述第二人造微結(jié)構(gòu)上還覆蓋有覆蓋層，所述第一基材、第二基材以及覆蓋層的材料相同。進一步地，所述覆蓋層上還設(shè)置有阻抗匹配層，所述阻抗匹配層的阻抗值小于所述覆蓋層阻抗值。本發(fā)明利用超材料原理設(shè)計吸波超材料，通過設(shè)置多層子單元以及各層子單元上的微結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)以達到阻抗匹配和寬頻吸波的效果。本發(fā)明寬頻吸波超材料在4至18GHZ均具有較好的吸波效果。


圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明寬頻吸波超材料的剖視圖；圖3為本發(fā)明寬頻吸波超材料中第一超材料片層的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明寬頻吸波超材料中第二超材料片層的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明寬頻吸波超材料的吸波仿真結(jié)果示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節(jié)參數(shù)來描述玻璃對光線的響應(yīng)。相應(yīng)的，在研究材料對其他電磁波響應(yīng)的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結(jié)構(gòu)對電磁波的響應(yīng)也可以用材料的整體參數(shù),例如介電常數(shù)ε和磁導率μ來描述。通過設(shè)計材料每點的結(jié)構(gòu)使得材料各點的介電常數(shù)和磁導率都相同或者不同，從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導率和介電常數(shù)即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應(yīng)，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、吸收電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導率和介電常數(shù)的材料稱之為超材料。如圖I所示，圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)100以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的基材200。人造微結(jié)構(gòu)可為人造金屬微結(jié)構(gòu)，其具有對入射電磁波電場和/或磁場產(chǎn)生響應(yīng)的平面或立體拓撲結(jié)構(gòu)，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸，可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應(yīng)。多個超材料基本單元按一定規(guī)律排列，可使超材料對電磁波具有宏觀的響應(yīng)。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應(yīng)，因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應(yīng)需形成連續(xù)響應(yīng)，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波五分之一波長，優(yōu)選為入射電磁波十分之一波長。本段描述中，將超材料整體劃分為多個超材料基本單元是一種人為的劃分方法，但應(yīng)知此種劃分方法僅為描述方便，不應(yīng)看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應(yīng)用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)排布于基材上即可構(gòu)成，工藝簡單且成本低廉。本發(fā)明利用上述超材料原理設(shè)計寬頻吸波超材料，與圖I不同的是，本發(fā)明吸波超材料的基本單元包括多層子單元，每層子單元上均附著有不同的微結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計不同的微結(jié)構(gòu)的排布實現(xiàn)阻抗匹配與寬頻吸波的效果。請參照圖2，圖2為本發(fā)明寬頻吸波超材料的剖視圖。沿電磁波傳播方向，本發(fā)明寬頻吸波超材料包括第二超材料片層2、第一超材料片層I以及金屬底層3。本實施例中，金屬底層3由純銅板構(gòu)成。第一超材料片層I的立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其包括第一基材10以及排布于第一基材10上的多個第一人造微結(jié)構(gòu)11 ;第二超材料片層2的立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其包括第二基材20以及排布于第二基材20上的多個第二人造微結(jié)構(gòu)21。第一人造微結(jié)構(gòu)11包括多個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，本實施例中，包括6個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，6個金屬圓環(huán)按半徑從小到大分別為第一至第六金屬圓環(huán)，每一金屬圓環(huán)的 線寬相等，厚度相等，且相鄰金屬圓環(huán)的間距相等。第二人造微結(jié)構(gòu)21由一個金屬圓環(huán)構(gòu)成，該金屬圓環(huán)的尺寸與第一人造微結(jié)構(gòu)11中的第五金屬圓環(huán)相同。第一基材10以及第二基材20的材料可相同也可不同，其材料可選取為FR4材料、鐵電材料、鐵氧材料或陶瓷材料等?？梢韵胂蟮?，第一基材10以及第二基材20選取具有一定吸波性能的材料時會使得本發(fā)明寬頻吸波超材料的吸波性能更好。底層3的厚度等于第一人造微結(jié)構(gòu)11和第二人造微結(jié)構(gòu)21上的金屬圓環(huán)的厚度。第一人造微結(jié)構(gòu)11和第二人造微結(jié)構(gòu)21上的金屬圓環(huán)的材料可為銅、銀、鋁或其他導電金屬，其可通過蝕亥|J、鉆亥|J、電子刻、離子刻等附著于第一基材10以及第二基材20表面上。在本發(fā)明中，多個第一人造微結(jié)構(gòu)11被夾持于第一基材10以及第二基材20之間，為了保護第二人造微結(jié)構(gòu)21，本發(fā)明還在第二人造微結(jié)構(gòu)21上覆蓋有覆蓋層4，覆蓋層4的材料和第二基材20材料相同。進一步地，為使得電磁波入射到本發(fā)明寬頻吸波超材料時不會因為阻抗變化過大而造成大量反射，本發(fā)明還在覆蓋層4上設(shè)置有阻抗匹配層5。阻抗匹配層5的阻抗值小于第二基材20的阻抗值，使得阻抗?jié)u變。利用CST (Computer Simulation Technology)軟件仿真本發(fā)明寬頻吸波超材料的吸波性能，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，本發(fā)明寬頻吸波超材料的吸波頻段較寬，在4至18GHZ均能達到-5至-20dB的吸波效果，其中在8. 5至13GHZ頻率，吸波性能最佳，能達到-15至-20dB的吸波效果。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種寬頻吸波超材料，其特征在于包括沿電磁波傳播方向依次設(shè)置的第二超材料片層、第一超材料片層以及金屬底層；所述第一超材料片層包括第一基材以及排布于第一基材上的多個第一人造微結(jié)構(gòu)，所述第二超材料片層包括第二基材以及排布于第二基材上的多個第二人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)包括多個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為一個金屬圓環(huán)。
2.如權(quán)利要求I所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第一人造微結(jié)構(gòu)包括6個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，所述6個金屬圓環(huán)按半徑從小到大分別為第一至第六金屬圓環(huán)；第一至第六金屬圓環(huán)的線寬相等，厚度相等，相鄰金屬圓環(huán)的間距相等。
3.如權(quán)利要求2所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第二人造微結(jié)構(gòu)的拓撲形狀與所述第一人造微結(jié)構(gòu)的第五金屬圓環(huán)相同。
4.如權(quán)利要求3所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)的材料為銅，所述銅板底層的厚度等于所述第一人造微結(jié)構(gòu)或第二人造微結(jié)構(gòu)厚度。
5.如權(quán)利要求I所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第一基材為FR-4材料、陶瓷材料、鐵電材料或鐵氧材料。
6.如權(quán)利要求I所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第二基材為FR-4材料、陶瓷材料、鐵電材料或鐵氧材料。
7.如權(quán)利要求I所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第一人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、鉆刻、電子刻或離子刻附著于第一基材表面上。
8.如權(quán)利要求I所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第二人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、鉆刻、電子刻或離子刻附著于第二基材表面上。
9.如權(quán)利要求I至4任一項所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述第二人造微結(jié)構(gòu)上還覆蓋有覆蓋層，所述第一基材、第二基材以及覆蓋層的材料相同。
10.如權(quán)利要求9所述的寬頻吸波超材料，其特征在于所述覆蓋層上還設(shè)置有阻抗匹配層，所述阻抗匹配層的阻抗值小于所述覆蓋層阻抗值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種寬頻吸波超材料，其包括銅板底層，第一超材料片層以及第二超材料片層；所述第一超材料片層包括第一基材以及排布于第一基材上的多個第一人造微結(jié)構(gòu)，所述第二超材料片層包括第二基材以及排布于第二基材上的多個第二人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)包括多個同心設(shè)置的金屬圓環(huán)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為一個金屬圓環(huán)。本發(fā)明利用超材料原理設(shè)計吸波超材料，通過設(shè)置多層子單元以及各層子單元上的微結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)以達到阻抗匹配和寬頻吸波的效果。本發(fā)明寬頻吸波超材料在4至18GHZ均具有較好的吸波效果。
文檔編號H01Q17/00GK102769210SQ20121022224
公開日2012年11月7日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者何嘉威, 劉若鵬, 寇超鋒, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司