专利名称：一种吸波超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种吸波超材料。
背景技术：
目前，随着现代科学的发展，电磁辐射对环境的影响日益增大，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，成为当今材料科学的一大课题。人类对吸波材料的研究始于二战期间，西方国家为实现军事领先，投入巨资研究吸波材料。而今，随着电子产品的迅速发展，吸波材料的应用被深入到通信、抗干扰、环保及人体防护等诸多领域。电磁波吸波材料作为材料科学的分支，其应用的广泛，很可能使之在世纪之交变为新产业，成为电子等各行业的基础产业，也必将为重塑人类洁净空间作出巨大贡献。超材料(metamaterial)作为一种材料设计理念以及研究前沿,越来越引起人们的关注，所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或 复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等，超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质,而决定于其中的人工结构。超材料影响电磁波主要关注以下几个方面的指标I)高性能。对电磁波的影响应具有较高的性能，接近所需要的影响状态。2)低损耗。具有较高的能量影响效率，以实现节能降耗的目标。3)尺寸小。不占用过多空间。此外，对电磁波的影响应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。超材料由介质基材和设置上基材上的多个人为结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人为结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人为的结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人为结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的影响提供了可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种体积小、简单、易于实现以及成本低的对电磁波进行影响的一种吸波超材料。本发明解决其技术问题所采用的第一技术方案是一种吸波超材料，包括基材以及多个小孔，所述基材分成若干晶格，所述小孔置于所述晶格中形成一个单元，所述小孔中填充有损耗电磁波的材质。在本发明所述的吸波超材料中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板均由基材以及多个小孔组成，所有的小孔在基材上形成周期阵列。
在本发明所述的吸波超材料中，所述小孔在所述的基材上呈周期性均匀分布。在本发明所述的吸波超材料中，电磁波由第一介质通过所述的超材料进入第二介质时，在基材选定的情况下，改变小孔的图案、设计尺寸和/或小孔在空间中的排列通过仿真而获得所述单元的等效介电常数e与等效磁导率U数值，以满足阻抗匹配要求。在本发明所述的吸波超材料中，所述第一介质及第二介质均为空气。在本发明所述的吸波超材料中，所述小孔中损耗电磁波的材质为电介质材料、磁介质材料、电阻材料。在本发明所述的吸波超材料中，所述电介质材料为钛酸钡瓷、铁电陶瓷。在本发明所述的吸波超材料中，所述磁介质材料为铁氧体材料、羰基铁。在本发明所述的吸波超材料中，所述电阻材料为炭黑、碳化硅。 在本发明所述的吸波超材料中，所述的小孔形状为圆柱型、圆锥型、椭圆型。在本发明所述的吸波超材料中，所述小孔通过打孔、蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法在基材上形成。在本发明所述的吸波超材料中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。实施本发明的吸收电磁波的超材料，具有以下有益效果I.体积小，不占用过多的空间；2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对电磁波加以影响，不依赖设备的种类及形状。
图I是本发明实施例一种吸波超材料结构方框图；图2为图I的另一个视角。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。“超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。 “超材料"重要的三个重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工结构的复合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；(3) “超材料"性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。请参阅图I及图2，在本发明实例中，一种吸波超材料30，包括基材10以及多个小孔20，小孔20中填充有损耗电磁波的材质，基材10及多个小孔20组成一个超材料片状基板，图I为本发明实施例吸波超材料的结构示意图，其实际上是多个超材料片状基板沿与水平面垂直的方向层叠而成，图2为一个超材料片状基板的正视图。基材10分成多个晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料30中每个小孔20所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于小孔20需要响应的电磁波频率，通常小孔20的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。在本实施例中，所有的小孔20在基材10上形成周期阵列，优选地，小孔20在基材10上呈周期性均匀分布。在本实施例中，电磁波由第一介质通过超材料30进入第二介质时，在基材10选定的情况下，改变小孔20的形状、设计尺寸和/或小孔20在空间中的排列通过仿真而获得所述单元的等效介电常数e与等效磁导率U数值，以满足阻抗匹配要求，第一介质与第二介质均可为空气，实际应用中，也可为其它的介 质，如液态的物质水、油等，也可为固态的物质，如玻璃以及塑料等。由公知常识，我们可知波比全称为电压驻波比,又名VSWR和SWR，为英文VoltageStanding Wave Ratio的简写,在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。为了表征和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，有以下的公式SWR=R/r = (1+K)/(I-K);反射系数K= (R-r)/(R+r) (K为负值时表明相位相反)，式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数K等于0，驻波比为I。这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于I的。由于驻波比是行波系数的倒数，其值在I到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于I. 5，但实际应用中VSWR应小于I. 2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。在本发明中，利用超材料30自身的电磁参数的可变性，调节介电常数和磁导率，从而调节超材料30之特性阻抗，实现电磁波从第一介质进入超材料30后阻抗达到的阻抗匹配，将反射降到最低，驻波比为1，实现基本无反射。因为超材料30的电磁参数可以人为控制，所以可以适用于实现阻抗匹配，达到宽频带的要求。在本实施例中，小孔20中损耗电磁波30的材质为电介质材料、磁介质材料或电阻材料。在本实施例中，电介质材料为钛酸钡瓷或铁电陶瓷。在本实施例中，磁介质材料为铁氧体材料或羰基铁。在本实施例中，电阻材料为炭黑或碳化硅。小孔20中的材质用某些技术文献曾提到的有序介孔碳和二氧化硅复合陶瓷材料亦可。在本实施例中，小孔20形状为立方形、圆柱型、圆锥型或椭圆型。在本实施例中，小孔20通过小孔通过打孔、高温烧结、冲压或注塑的方法在基材10上形成。在本实施例中，所述基材10由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。优选地，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长，作为小孔20附着的基材10是很好的选择。
其中，若干小孔20附在介质基板10上，根据要接收的电磁波的波长\，可将基材20分成若干晶格，其长度和宽度不能超过波长\的1/10，将若干小孔20置于晶格中。若干人工小孔20通过可由人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的小孔进行设计。电磁波的折射率跟物质的介电常数e和磁导率U的乘积反应有关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过改变折射率在材料中的分布，可以改变电磁波的传播路径。超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数e，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率U。通过对超材料空间中每一点的介电常数e与磁导率U的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空·间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个新型超材料在空间中每一点的电磁特性。这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。小孔与基板的等效介电常数e与等效磁导率U的选择方法为第一步，通过计算机仿真和实验测试，对若干不同几何参数的单元结构(包括小孔以及介质基板)在一定范围内的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同的单元结构之介电常数以及磁导率并存在于一个数据库中；第二步，根据需要的影响电磁波的效果确定相应的介电常数以及磁导率，存在一个数据库中。第三步，根据上述的介电常数以及磁导率从数据库中选择超材料相应点的单元结构。本领域的技术人员应该想到，上述的方法是用软件程序的方法实现的，该软件程序可以存在于硬盘、软盘、U盘以及光盘中。本发明中，对小孔20的具体形状没有要求，因为只要其符合我们最终的阻抗匹配效果，即可行。一般情况下，小孔在空间中呈周期阵列，优选地，所有的小孔在空间中呈均匀性的周期阵列。鉴于此，小孔20在超材料上的组合是无限的。可以是小孔的图形状相同，但是其设计尺寸不同；也可以是形状和设计尺寸均不相同。这个根据具体需要会有所不同，都是计算机仿真后的结果，也就是说整个超材料中小孔的形状、设计尺寸及空间排布都是通过计算机逆向得到的，因为整个超材料中小孔的数量庞大，因此如果正向设计，是根本无法实现的。本发明利用小孔的有序排列，通过对基材10以及小孔20的等效介电常数e以及等效磁导率U的乘积非均匀分布(一般要求折射率先从小变大，后又从大变小)，从而达到阻抗匹配的目的，使电磁波一边传播一边吸收。实施本发明的吸收电磁波的超材料，具有以下有益效果I.体积小，不占用过多的空间；2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对电磁波加以吸收，不依赖电磁波设备的种类及形状；
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种吸波超材料，其特征在于，包括基材以及多个小孔，所述基材分成多个晶格，所述小孔置于所述晶格中形成一个单元，所述小孔中填充有损耗电磁波的材质。
2.如权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板均由基材以及多个小孔组成，所有的小孔在基材上形成周期阵列。
3.如权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于，所述小孔在所述的基材上呈周期性均匀分布。
4.如权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，电磁波由第一介质通过所述的超材料进入第二介质时，在基材选定的情况下，改变小孔的形状、设计尺寸和/或小孔在空间中的排列通过仿真而获得所述单元的等效介电常数e与等效磁导率U数值，以满足阻抗匹配要求。
5.如权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述第一介质及第二介质均为空气。
6.如权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述小孔中损耗电磁波的材质为电介质材料、磁介质材料、电阻材料。
7.如权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述电介质材料为钛酸钡瓷或铁电陶瓷。
8.如权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述磁介质材料为铁氧体材料或羰基铁。
9.如权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述电阻材料为炭黑或碳化硅。
10.如权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述的小孔形状为立方形、圆柱型、圆锥型或椭圆型。
11.如权利要求10所述的吸波超材料，其特征在于，所述小孔打孔、高温烧结、冲压或注塑的方法在基材上形成。
12.如权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
全文摘要
本发明公开了一种吸波超材料，包括基材以及多个小孔，所述基材分成多个晶格，所述小孔置于所述晶格中形成一个单元，所述小孔中填充有损耗电磁波的材质。本发明提供的一种吸波超材料体积小、简单、易于实现、成本低、具有广泛的应用前景。
文档编号H05K9/00GK102770009SQ20111011392
公开日2012年11月7日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 徐冠雄 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院