一種寬頻吸波超材料的製作方法
2023-04-23 13:53:36
一種寬頻吸波超材料的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種寬頻吸波超材料，所述寬頻吸波超材料虛擬劃分為多個周期排列的基本單元，所述基本單元主要由沿電磁波傳播方向依次層疊的第一子單元以及第二子單元構成；所述第一子單元包括第一基材以及附著於第一基材上的第一微結構，所述第二子單元包括第二基材以及附著於第二基材上的第二微結構；所述第一微結構為實心正方形狀，所述第一微結構未全部覆蓋其所附著的第一基材表面；所述第二微結構全部覆蓋其所附著的第二基材表面。本發明利用超材料原理和傳輸線理論設計吸波超材料，其在4GHz至18GHz區間，電磁波的衰減度均能達到約20dB，具有吸波頻帶寬、吸波性能強的有益效果。
【專利說明】一種寬頻吸波超材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種吸波材料，尤其涉及一種利用超材料理論和傳輸線理論設計的寬頻吸波超材料。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術發展的日新月異，以電磁波為媒介的技術、各種產品越來越多，電磁波輻射對環境的影響也日益增大。比如，無線電波可能對機場環境造成幹擾，導致飛機航班無法正常起飛；行動電話可能會干擾各種精密電子醫療器械的工作；即使是普通的計算機，也會輻射攜帶信息的電磁波，它可能在幾公裡以外被接收和重現，造成國防、政治、經濟、科技等方面情報的洩漏。因此，治理電磁汙染，尋找一種能抵擋並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。
[0003]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部，即要求材料具有匹配特性；(2)進入材料內部的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉，即衰減特性。
[0004]現有的吸波材料利用各個材料自身對電磁波的吸收性能，通過設計不同材料的組分使得混合後的材料具備吸波特性，此類材料設計複雜且不具有大規模推廣性，同時此類材料的機械性能受限於材料本身的機械性能，不能滿足特殊場合的需求。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述不足，提出一種利用超材料理論和傳輸線理論設計的寬頻吸波超材料，該吸波超材料對應的吸波頻段寬、吸波超材料厚度薄且對電磁波的衰減性能好。
[0006]本發明解決其技術問題採用的技術方案是，提出一種寬頻吸波超材料，所述寬頻吸波超材料虛擬劃分為多個周期排列的基本單元，所述基本單元主要由沿電磁波傳播方向依次層疊的第一子單元以及第二子單元構成；所述第一子單元包括第一基材以及附著於第一基材上的第一微結構，所述第二子單元包括第二基材以及附著於第二基材上的第二微結構；所述第一微結構為實心正方形狀，所述第一微結構未全部覆蓋其所附著的第一基材表面；所述第二微結構全部覆蓋其所附著的第二基材表面。
[0007]進一步地，所述第一基材、第二基材上分別附著有第一、第二微結構的表面形狀均為邊長為10毫米的正方形狀；所述第一微結構為邊長5.3-6.5毫米的實心正方形狀且第一基材與第一微結構共中心點設置。
[0008]進一步地，所述第一基材、第二基材均由FR4材料製成。
[0009]進一步地，所述第一微結構、第二微結構均由導電油墨製成。
[0010]進一步地，所述第一子單元、第二子單元厚度相同，均為5.1至5.3毫米。
[0011]進一步地，所述第一微結構、第二微結構厚度相同，均為0.01-0.02毫米。[0012]進一步地，所述第一微結構的電導率為34-45S/m，第二微結構的電導率為235-250S/m。
[0013]進一步地，所述基本單元的等效電路為:所述等效電路包括串聯的第一傳輸線元件、第二傳輸線兀件、第一電阻、第二電阻還包括第一電容；用於模擬發射電磁波的埠兀件接入第一傳輸線元件，第二傳輸線元件接地；第一電阻一端接入埠元件與第一傳輸線元件之間，另一端接入第一電容，第一電容另一端接地；第二電阻串接於第二傳輸線元件與地之間。
[0014]進一步地，所述第一電阻值為550至750歐姆，第二電阻值為725至925歐姆；所述第一電容值為0.10至0.15皮法；所述第一傳輸線元件的參數為:第一特徵阻抗為337歐姆，第一傳輸距離為2.5毫米，第一中心頻點為10GHZ ;第二傳輸線元件的參數為:第二特徵阻抗為337歐姆，第二傳輸距離為2.5毫米，第二中心頻點為10GHZ。
[0015]進一步地，所述基本單元還包括覆蓋於所述第基本單元前後兩表面的阻抗匹配層，所述阻抗匹配層由F4B材料製成，所述阻抗匹配層厚度為5毫米。
[0016]本發明利用超材料原理和傳輸線理論設計吸波超材料，其在4GHZ至18GHZ區間，電磁波的衰減度均能達到約20dB，具有吸波頻帶寬、吸波性能強的有益效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為構成超材料的基本單元的結構示意圖；
[0018]圖2為本發明吸波超材料的基本單元的結構示意圖；
[0019]圖3為第一子單元的主視圖；
[0020]圖4為第二子單元的主視圖；
[0021]圖5為本發明吸波超材料的等效電路不意圖；
[0022]圖6為附著有阻抗匹配層後的吸波超材料的等效電路示意圖；
[0023]圖7為附著有阻抗匹配層後的吸波超材料的仿真效果示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0025]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於原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小於電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數,例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同，從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波、吸收電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料稱之為超材料。
[0026]如圖1所示，圖1為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括人造微結構I以及該人造微結構附著的基材2。人造微結構可為人造金屬微結構，其具有對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸，可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。多個超材料基本單元按一定規律排列，可使超材料對電磁波具有宏觀的響應。由於超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應，因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸小於入射電磁波五分之一波長，優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，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布於基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述人為劃分的各個超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續的電磁響應。
[0027]本發明利用上述超材料原理設計吸波超材料，與圖1不同的是，本發明吸波超材料的基本單元包括多層，每層上均附著有微結構。如圖2所示，本發明吸波超材料的基本單元主要由沿電磁波傳播方向依次層疊的第一子單元10以及第二子單元20構成，第一子單元10包括第一基材11以及附著於第一基材11上的第一微結構12，第二子單元20包括第二基材21以及附著於第二基材21上的第二微結構22。
[0028]本實施例中，第一、第二微結構拓撲形狀均為實心正方形，且第一、第二微結構的材料優選為導電油墨，各導電油墨的電導率不相同。第一、第二微結構厚度相同，均為
0.01-0.02毫米。如圖3所示，圖3為第一子單元的主視圖。圖3中，第一基材11上附著有第一微結構的表面形狀為邊長為10毫米的正方形狀,第一微結構12形狀為邊長為5.3-6.5毫米的實心正方形狀且第一基材11與第一微結構12共中心點設置。如圖4所示，圖4為第二子單元的主視圖，圖5中，第二基材上附著有第二微結構的表面形狀為邊長為10毫米的正方形狀，第二微結構22全部填充第二基材上附著有第二微結構的表面。在圖3、圖4中，第一微結構、第二微結構由於由導電油墨製成，其自身可等效為等效電路中電阻，由於第一微結構未全部填充第一子單元表面，因此相鄰的第一子單元上的兩個第一微結構之間可等效為等效電路中電容。採用此種結構設計超材料時，相比圖1所示的超材料基本單元，本發明無需設計複雜的金屬微結構拓撲圖案，只需在每層子單元上附著一定厚度的不同於子單元基材的材料的物質即可調節本發明吸波超材料對電磁波的響應從而調整電磁波，設計簡單、方便，便於規模生產。
[0029]由於本發明吸波超材料應用於高頻領域，因此本發明採用傳輸線理論來具體設計第一微結構和第二微結構的電導率。如圖5所示，圖5為本發明寬頻吸波超材料的等效電路圖。圖5中，埠元件100用於模擬從自由空間傳輸的電磁波，由於自由空間阻抗為337歐姆，因此相應地，埠元件的輸入阻抗也為337歐姆。本發明採用二層子單元層結構，因此等效電路圖中串接有二個傳輸線元件，埠元件100接入第一傳輸線元件103，第二傳輸線元件104接地。同時由於第一、第二微結構的電阻特性以及相鄰第一微結構的電容特性，等效電路圖中還包括第一、第二電阻以及第一電容，其中，第一電阻101 —端接於埠元件100與第一傳輸線兀件103之間，另一端接入第一電容105,第一電容105另一端接地；第二電阻102串接於第二傳輸線元件與地之間。
[0030]通過在CST (Computer Simulation Technology)仿真軟體中設置參數並仿真得到結果，並通過結果調整參數後，得到優選的等效電路的參數為:第一電阻101值為550至750歐姆，第二電阻102值為725至925歐姆。第一電容105值為0.10至0.15皮法。第一傳輸線兀件103的參數為:第一特徵阻抗為337歐姆，第一傳輸距離為2.5毫米,第一中心頻點為IOGHZ ;第二傳輸線元件104的參數為:第二特徵阻抗為337歐姆，第二傳輸距離為
2.5毫米，第二中心頻點為10GHZ。第一、第二傳輸距離即為第一、第二子單元的厚度，因此本實施例中吸波超材料厚度較薄，僅為5.1-5.3毫米，可應用於各種吸波場合。
[0031]根據上述等效電路參數可得到本發明一優選實施例中，第一基材11、第二基材21均米用FR4材料製成；沿電磁波傳播方向，第一微結構12的電導率為34-45S/m,第二微結構22的電導率為235-250S/m。
[0032]可以想像地，在保證各微結構在各子單元表面的分布狀況的要求下，可選擇各種不同類型的材料來實現各微結構的電導率，也可選擇相同的材料不同的厚度來實現各微結構的電導率。
[0033]本發明一實施例中，為提高本發明吸波超材料的吸波效果，還在吸波超材料前後表面均覆蓋有阻抗匹配層，所述阻抗匹配層由F4B材料製成，由於F4B材料的折射率小於FR4材料的折射率，因此覆蓋F4B材料後能減小自由空間入射到吸波超材料上的反射電磁波損失。覆蓋有F4B材料後，吸波超材料的等效電路圖如圖6所不。圖6中，與圖5所不等效電路圖的不同之處在於在第一傳輸線元件103和埠元件100之間串聯有第三傳輸線元件106，在第二電阻102上並聯有第四傳輸線元件107。第三、第四傳輸線元件參數相同，為:第三、第四特徵阻抗為
【權利要求】
1.一種寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述寬頻吸波超材料虛擬劃分為多個周期排列的基本單元，所述基本單元主要由沿電磁波傳播方向依次層疊的第一子單元以及第二子單元構成；所述第一子單元包括第一基材以及附著於第一基材上的第一微結構，所述第二子單元包括第二基材以及附著於第二基材上的第二微結構；所述第一微結構為實心正方形狀，所述第一微結構未全部覆蓋其所附著的第一基材表面；所述第二微結構全部覆蓋其所附著的第二基材表面。
2.如權利要求1所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一基材、第二基材上分別附著有第一、第二微結構的表面形狀均為邊長為10毫米的正方形狀；所述第一微結構為邊長5.3-6.5毫米的實心正方形狀且第一基材與第一微結構共中心點設置。
3.如權利要求1或2所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一基材、第二基材均由FR4材料製成。
4.如權利要求1或2所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一微結構、第二微結構均由導電油墨製成。
5.如權利要求1或2所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一子單元、第二子單元厚度相同，均為5.1至5.3毫米。
6.如權利要求4所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一微結構、第二微結構厚度相同，均為0.01-0.02毫米。
7.如權利要求1或2所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一微結構的電導率為34-45S/m，第二微結構的電導率為235_250S/m。
8.如權利要求7所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述基本單元的等效電路為:所述等效電路包括串聯的第一傳輸線元件、第二傳輸線元件、第一電阻、第二電阻還包括第一電容；用於模擬發射電磁波的埠元件接入第一傳輸線元件，第二傳輸線元件接地；第一電阻一端接入埠元件與第一傳輸線元件之間，另一端接入第一電容，第一電容另一端接地；第二電阻串接於第二傳輸線元件與地之間。
9.如權利要求7所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述第一電阻值為550至750歐姆，第二電阻值為725至925歐姆；所述第一電容值為0.10至0.15皮法；所述第一傳輸線元件的參數為:第一特徵阻抗為337歐姆，第一傳輸距離為2.5毫米，第一中心頻點為10GHZ ;第二傳輸線元件的參數為:第二特徵阻抗為337歐姆，第二傳輸距離為2.5毫米，第二中心頻點為IOGHZ。
10.如權利要求1或2所述的寬頻吸波超材料，其特徵在於:所述基本單元還包括覆蓋於所述第基本單元前後兩表面的阻抗匹配層，所述阻抗匹配層由F4B材料製成，所述阻抗匹配層厚度為5毫米。
【文檔編號】H05K9/00GK103582399SQ201210275252
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月3日 優先權日:2012年8月3日
【發明者】劉若鵬, 趙治亞, 寇超鋒, 陳智偉 申請人:深圳光啟創新技術有限公司