超材料电磁吸收装置及隧道机设备的制作方法

1.本技术涉及电磁技术领域，尤其涉及超材料电磁吸收装置及隧道机设备。


背景技术：

2.人工电磁超材料(简称超材料)是指具有天然常规材料所不具备的超常物理性质的人造周期性结构材料，可以通过设计特定单元结构来控制其电磁属性，使其能够实现负折射率、完美透镜等奇特性质以及对太赫兹波产生强烈响应或操控作用。
3.目前超高频无线电射频识别(radio frequency identification，rfid)技术又称射频标签、电子标签，其在隧道机或通道机应用场景中，主要用于货物标签的快速识别。由于从隧道机或通道机的机械设计成本考虑，其存在电磁屏蔽泄漏的问题。在超高频rfid读写器处于高功率模式时，一部分电磁辐射会从隧道机或通道机结构体的缝隙泄漏出去造成对机体外部货物标签的识别，从而使得超高频rfid读写器的误读，降低产品本身的性能。一般的技术解决方式是采用金属铜箔装贴在机体缝隙处，使电磁波被束缚在机体内部，这会造成机体内部原本电磁分布受到干扰，破坏了rfid标签识读的电磁环境。


技术实现要素：

4.本技术的主要目的为提供超材料电磁吸收装置及隧道机设备，旨在解决超高频rfid应用场景中的电磁泄漏问题，促进宽频带太赫兹超材料吸收体装置在实际中的应用以及提高其应用效率。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种超材料电磁吸收装置，包括依次层叠设置的图形化功能材料层、介质层和金属底板层，所述图形化功能材料层包括一个或多个阵列排布的超材料谐振环；所述超材料谐振环包括位于中间的隔离中心片、多个折线结构和多个阻滞元件，各所述折线结构之间通过所述阻滞元件中心对称地相互连接形成一个环形折线结构围设在所述隔离中心片的外侧，且与所述隔离中心片的边缘具有距离。
6.在其中一个实施例中，通过调节所述距离以调节所述超材料谐振环的谐振点。
7.在其中一个实施例中，通过调节各所述折线结构的相对位置以调节所述超材料谐振环的谐振点。
8.在其中一个实施例中，所述折线结构和所述阻滞元件均为四个，所述超材料谐振环为井字形镂空结构。
9.在其中一个实施例中，所述隔离中心片为直角四边形，用于隔离所述折线结构之间的耦合作用。
10.在其中一个实施例中，所述阻滞元件包括电阻。
11.在其中一个实施例中，所述介质层为介电常数大于或等于2的电介质。
12.在其中一个实施例中，所述介质层的材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
13.在其中一个实施例中，所述金属底板层的厚度为0.05um至1um。
14.本技术的第二方面提供了一种隧道机设备，包括壳体、轨道、多个超高频圆极化天
线和电子标签，多个所述超高频圆极化天线间隔布置在所述壳体的内壁，其特征在于，还包括：若干个本技术实施例第一方面提供的超材料电磁吸收装置，若干个所述超材料电磁吸收装置布置在所述隧道机壳体的内壁，用于吸收所述壳体内部反射的电磁波。
15.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：超材料电磁吸收装置采用折线结构、阻滞元件以及隔离中心片组成的超材料谐振环，实现超材料谐振环尺寸的减小，通过加载阻滞元件提升超材料谐振环对电磁波的阻滞效果，提升超材料电磁吸收装置的吸收效率，使得在不干扰电磁分布的前提下很好地抑制电磁泄漏。
附图说明
16.图1为本技术一实施例提供的超材料电磁吸收装置的结构原理示意图；
17.图2为本技术一实施例提供的超材料电磁吸收装置的单元结构原理示意图；
18.图3为本技术一实施例提供的超材料谐振环的结构原理示意图；
19.图4为本技术另一实施例提供的超材料电磁吸收装置的结构原理示意图；
20.图5为本技术另一实施例提供的超材料电磁吸收装置的仰视图；
21.图6为本技术另一实施例提供的超材料电磁吸收装置的吸收率、反射率与频率的关系示意图；
22.图7为本技术一实施例提供的隧道机设备应用超材料电磁吸收装置的原理示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
25.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.请参阅图1，本技术实施例的第一方面提供一种超材料电磁吸收装置10，超材料电磁吸收装置10包括依次层叠设置的图形化功能材料层100、介质层200和金属底板层300，金属底板层300为由高电导率的金属材料制成的连续金属薄膜，该高电导率的金属材料比如为金、银、铜或铝。
28.图形化功能材料层100包括一个或多个阵列排布的超材料谐振环110，多个超材料
谐振环110阵列排布在同一平面上，请参阅图2，与传统的方形金属谐振环相比，本技术实施例的超材料谐振环110为一种特殊的单元结构，超材料谐振环110包括位于中间的隔离中心片113、多个折线结构111和多个阻滞元件112，各折线结构111之间通过阻滞元件112中心对称地相互连接形成一个环形折线结构围设在隔离中心片113的外侧，并且该环形折线结构与隔离中心片113的边缘具有距离。超材料谐振环110可以谐振形成窄带谐振点，同时形成电磁波吸收带，一般定义吸收率超过90％的频段为吸收带宽。
29.为更好的说明上述实施例中的超材料电磁吸收装置10和超材料谐振环110的结构，可以参阅图3，其中图3示出的为超材料谐振环110的结构原理示意图，其中，环形折线结构与隔离中心片113的边缘的距离为h1。
30.本技术实施例的第一方面提供一种超材料电磁吸收装置10，采用折线结构111、阻滞元件112以及隔离中心片113组成的超材料谐振环110，实现超材料谐振环110尺寸的减小，通过加载阻滞元件112提升超材料谐振环110对电磁波的阻滞效果，提升超材料电磁吸收装置10的吸收效率，使得在不干扰电磁分布的前提下很好地抑制电磁泄漏。
31.请参阅图3，其中一个实施例中，通过调节距离即环形折线结构与隔离中心片113的边缘的距离h1，可以调节超材料谐振环110的谐振点，实现在不同频段、不同带宽条件下对超高频rfid电磁环境的调控。
32.请参阅图3，其中一个实施例中，通过调节各折线结构111的相对位置以调节超材料谐振环110的谐振点。参阅图3，各折线结构111的弯折部分靠得越近，会产生越强的耦合，强耦合会延长电流路径，电流路径的长短决定超材料谐振环110的谐振点的位置，比如通过调节折线结构111的相对位置即距离h2可以调节谐振点的位置，又比如通过调节连接到阻滞元件112的线段的长短，又比如可以调节远离可以隔离中心片113的凸起的高度，可以更好地实现在不同频段、不同带宽条件下对超高频rfid电磁环境的调控，即实现调节超材料谐振环110吸收带宽的目的。并且采用折线结构111使得超材料谐振环110尺寸的减小。
33.请参阅图4，其中一个实施例中，图形化功能材料层100包括多个超材料谐振环110，多个超材料谐振环110组成行列数相等的阵列结构。形成阵列吸收体的目的是为了提升超材料电磁吸收装置10的响应面积，使得超材料电磁吸收装置10能够对从一定角度照射进来的泄漏电磁波进行有效地吸收和抑制。
34.请参阅图4，其中一个实施例中，图形化功能材料层100包括25个超材料谐振环110，25个超材料谐振环110组成5*5的阵列结构。
35.请参阅图4，其中一个实施例中，图形化功能材料层100包括25个超材料谐振环110，25个超材料谐振环110组成5*5的阵列结构。
36.请参阅图5，图5示出的为5*5的阵列结构的超材料谐振环110构成的超材料电磁吸收装置10的仰视图，电磁波射入超材料电磁吸收装置10，超材料电磁吸收装置10的响应面积足够，因此能够对从一定角度照射进来的泄漏电磁波起到很好的吸收和抑制作用。
37.为更好的说明上述实施例中的超材料电磁吸收装置10和超材料谐振环110的结构如何调节超材料谐振环110的吸收带宽，请参阅图6，图6示出的是采用本实施例的超材料电磁吸收装置10的吸收率、反射率及频率之间的响应关系，通过调节距离即环形折线结构与隔离中心片113的边缘的距离h1，或者通过调节各折线结构111的相对位置，可调节电流路径长度形成不同谐振点，进而实现调节吸收带宽的效果，与传统的超材料谐振方环相比，本
申请实施例提供管的超材料电磁吸收装置10吸收带宽更大并且能灵活调整。
38.请参阅图1、2或3，其中一个实施例中，折线结构111和阻滞元件112均为四个，超材料谐振环110为井字形镂空结构，各折线结构111之间通过阻滞元件112中心对称地相互连接形成一个环形折线结构且围设在隔离中心片113的外侧，并且该环形折线结构与隔离中心片113的边缘具有距离。
39.请参阅图1、2或3，其中一个实施例中，隔离中心片113为直角四边形，用于隔离折线结构111之间的耦合作用。可以理解地是，隔离中心片113与折线结构111同为金属，隔离中心片113为一片直角四边形的金属片，用于隔离折线结构111之间的耦合作用，提高超材料谐振环110的稳定性。在一实施例中，折线结构111和隔离中心片113的材质为金属，例如是金、银、铜或铝。在一实施例中，折线结构111和隔离中心片113的材质为铜。
40.在其他实施例中，隔离中心片113还可以是5以上的多边形，那么折线结构111和阻滞元件112的数量与隔离中心片113的边的数量对应，排布方式也是中心对称。
41.请参阅图1、2或3，其中一个实施例中，阻滞元件112包括电阻，各折线结构111通过电阻相互连接起来，电阻能进一步提高超材料谐振环110对电磁波的阻滞效果。
42.请参阅图1、2，其中一个实施例中，介质层200为介电常数大于或等于2的电介质。
43.请参阅图1、2，其中一个实施例中，介质层200的材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯。在一实施例中，介质层200的材料为聚酰亚胺，介质层200和图形化功能材料层100是通过在柔性电路板(flexible printed circuit，fpc)上刻蚀金属结构，该金属结构包括超材料谐振环110的折线结构111和隔离中心片113，然后通过表面贴装工艺(surface mounted technology，smt)加贴阻滞元件112形成的。fpc具有柔性可弯折的特点，与传统的印刷电路板(printed circuit board，pcb)相比，成本更低实现工艺难度也更低，能够更好的适应不同的应用场景，扩大了超材料电磁吸收装置10的应用范围。
44.在一实施例中，介质层200的材料为聚四氟乙烯，介质层200和图形化功能材料层100是通过在聚四氟乙烯材料上印刷栅格金属线，栅格金属线包括超材料谐振环110的折线结构111和隔离中心片113，然后通过smt工艺加贴阻滞元件112形成的。聚四氟乙烯具有耐高温的特点，使用聚四氟乙烯作为介质层200的材料，提高了超材料电磁吸收装置10的耐高温特性，能够更好的适应温度较高的应用环境，例如应用在高温固化胶体场景下的隧道机设备的电磁泄漏抑制场景。
45.请参阅图1、2，其中一个实施例中，金属底板层300的厚度为0.05um至1um。
46.可以理解的是，上述实施例中，超材料电磁吸收装置10的图形化功能材料层100的厚度、介质层200的厚度和金属底板层300的厚度均与超材料电磁吸收装置10的工作频率、需达到的吸收率、以及各层结构具体实现的材质有关，可以根据实际需要进行设置，本技术实施例不做限定。
47.本技术实施例的第一方面提供一种超材料电磁吸收装置10，采用折线结构111、阻滞元件112以及隔离中心片113组成的超材料谐振环110，实现超材料谐振环110尺寸的减小，通过加载阻滞元件112提升超材料谐振环110对电磁波的阻滞效果，提升超材料电磁吸收装置10的吸收效率，使得在不干扰电磁分布的前提下很好地抑制电磁泄漏。
48.本技术实施例的第二方面提供一种隧道机设备，请参阅图7，图7示出的为一种隧道机设备的垂直于隧道方向的平面图，隧道机设备包括壳体20、轨道30、多个超高频圆极化
天线40和电子标签50，隧道机的壳体20和轨道30组成隧道机设备的通道，多个超高频圆极化天线40间隔布置在隧道机的壳体20的内壁，参阅图7，超高频圆极化天线40还可以布置在轨道30的下侧，隧道机设备还包括若干个本技术实施例第一方面提供的超材料电磁吸收装置10，若干个超材料电磁吸收装置10布置在隧道机的壳体20的内部，用于吸收隧道机的壳体20内部反射的电磁波，抑制电磁泄漏。
49.请参阅图6，在隧道机设备运行时，采用轮询的方式来切换各超高频圆极化天线40的辐射方向，使得在隧道机设备内部各个空间方向与极化方向均有电磁分布，可以全方位识读处于各种随机位置的电子标签50。
50.请参阅图6，由于隧道机的壳体20为金属材质，会导致电磁波在内部的反射，破坏原本天线辐射的电磁分布，导致到达电子标签50的电磁能量减弱，从而降低了识读率。如果提高发射功率，虽然可以补偿电子标签50的电磁能量损失，但是隧道机场景下存在的一些结构体缝隙，会泄漏电磁能量，导致对壳体20外部电子标签50的误读。与采用金属铜箔来弥补这些缝隙相比，采用本技术实施例提供的超材料电磁吸收装置10来弥补这些缝隙，不会造成电磁波反射破坏电磁分布。
51.并且，本技术实施例提供的超材料电磁吸收装置10与采用海绵吸波结构作为隧道机的壳体20内部反射电磁波的吸收体相比，本技术实施例提供的超材料电磁吸收装置10具有良好的吸波能力，且不需要像海绵吸波结构一样需要大面积覆盖以获得良好的吸波能力，能够节省隧道机设备的内部空间，有利于货物的通行。
52.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
53.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。