专利名称：一种吸波超材料及吸波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种吸波超材料及吸波装置。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。例如飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点，移动电话干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。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，已成为材 料科学的一大课题。另外，吸波材料在其它方面也有广泛应用，比如隐形机，隐形衣等。其中一种现有技术的吸波超材料，通过改变材料的介电常数和磁导率来提升吸收效率，对特定频率的电磁波相对于普通吸波材料来说，吸收效果已经有了较大的进步，但是这种吸波超材料仅在很窄的频段内具有较好的吸波效果。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种吸波超材料及吸波装置，能够解决现有技术的吸波超材料吸波带宽较短的问题。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种吸波超材料，该吸波超材料包括第一片层，第一片层包括第一基材及在第一基材上周期排布的用于增加电磁波入射率的多个第一微结构，并且多个第一微结构中包括结构相同但在片层平面上不同朝向的第一微结构；第二片层，第二片层包括第二基材及在第二基材上周期排布的用于降低电磁波透射率的第二微结构；其中，第一片层和第二片层层叠设置。其中，吸波超材料包括设置于第二片层在远离第一片层一侧的第三片层，第三片层包括在用于模拟实际环境的第三基材平板。其中，第一微结构是线型子单元结构，每四个线型子单元结构为一组，每组的线型子单元结构分为两行两列，对齐排列，其中每组人工电磁材料单元结构中的对角两个线型子单元结构朝向相同，而每组线型子单元结构中的相邻线型子单元结构间朝向相差九十度；第二片层包括层叠设置的第一子层和第二子层，第一子层的第二微结构和第二子层的第三人造微结构一一对应设置，并且相互为互补的图案。其中，第一片层中的线型子单元结构包括多条长短不同的直线型金属分支，并且多条长短不同的直线型金属分支一起组成在片层平面内的漏斗图案。其中，多条直线型金属分支平行等间距排列。其中，每个漏斗图案内的直线型金属分支为奇数条，漏斗图案两端的直线型金属分支轴对称设置。
其中，相互为互补图案的第二微结构包括内外环设置的带缺口的环型金属分支和完整的环型金属分支。其中，第二片层的完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支数量均为两个。其中，带缺口的环型金属分支上设置有四个缺口，四个缺口等间距地分布在带缺口的环型金属分支上。其中，第一基材、第二基材与第三基材材质相同，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。其中,第一微结构和第二微结构均为人造金属微结构。为解决上述技术问题，本发明提供的另一种技术方案是提供一种吸波装置，该吸波装置包括上述任意一项的吸波超材料。 本发明的有益效果是区别于现有技术的情况，本发明的吸波超材料的第一片层增加电磁波入射率，第二片层降低透射率，由于第一片层的增加电磁波入射率的作用，使得较宽频段的电磁波入射到材料内，通过第一片层和第二片层相配合从而实现了吸波超材料在较宽的频段吸收电磁波。
图I是构成超材料的基本单元的立体结构示意图；图2是本发明实施例的吸波超材料的结构示意图；图3是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第一实施例结构示意图；图4是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第二实施例结构示意图；图5是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第三实施例结构示意图；图6是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第一实施例结构示意图；图7是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第一实施例结构示意图；图8是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第二实施例结构示意图；图9是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第二实施例结构示意图；图10是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第三实施例结构示意图；图11是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第三实施例结构示意图；图12是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第四实施例结构示意图；图13是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第四实施例结构示意图；图14是本发明实施例的吸波超材料的第三片层的结构示意图；图15是本发明实施例的吸波超材料仿真测试结果示意图。
具体实施例方式光，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表示，例如用介电常数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我们称之为超材料。如图I所示，图I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2以及该人造微结构附着的基材I。本发明中，人造微结构2为人造金属微结构，人造金属微结构具有能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/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。本发明一实施例中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材I构成本发明超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得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兀的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中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。周期排布即指上述我们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。当仅仅在基材上周期排布单一人造金属微结构以达到吸收电磁波的效果时，由于单一人造金属微结构的局限性，其通常仅能在一个频点或者较窄的频段上实现吸收电磁波的性能。然而在实际应用时，通常需要在较宽的频段依然能达到吸收电磁波的效果。请参阅图2，图2是本发明实施例的吸波超材料的结构示意图。如图2所示，吸波超材料包括第一片层101、第二片层102和第三片层103，第二片层包括第一子层1021和第二子层1022，第一片层101、第二片层102和第三片层103层叠设置。第一片层101、第二片层102和第三片层103分别具有不同的功能，三者相互配合，下面结合附图详细说明每个片层的结构、功能和原理。请参阅图3，图3是本发明实施例的吸波超材料中，周期排布于第一片层上的第一人造金属微结构的第一实施例结构示意图。如图3所示，阴影部分为第一人造金属微结构301,空白部分为第一基材302,第一片层包括第一基材302以及周期排布于第一基材302上的多个结构相同、尺寸相同的第一人造金属微结构301。第一人造金属微结构301包含四个相同的线型子单元结构，四个线型子单元结构分别分成两行两列，每行每列均是两个，对齐排列共同构成第一人造金属微结构301。对角的两个线型子单元结构的朝向相同，而相邻的线型子单元结构间朝向相差九十度。第一人造金属微结构301整体呈各向同性，各向同性的第一人造金属微结构301对入射到其表面的各个方向的电磁波均具有相同的电磁响应，能防止电磁干扰、简化设计。各向同性是指绕第一人造金属微结构301的中心点，将第一人造金属微结构301在其所在平面任意方向旋转90°后得到的新的人造金属微结构都与原人造金属微结构重合。子单元结构包括多条长短不同的直线型金属分支，并且多条长短不同的直线型金属分支一起组成在片层平面内的漏斗图案。每个漏斗图案内的直线型金属分支材料为奇数条，具体为十一条，漏斗图案两端的直线型金属分支轴对称设置，且多条直线型金属分支平行等间距排列。第一片层的主要作用是提高磁导率，增强本发明吸波超材料与自由空间的阻抗匹配特性，减少从自由空间入射到吸波超材料表面被反射回去的电磁波，增加电磁波入射率。当电磁波入射到材料上时，第一片层能最大限度地使电磁波进入材料内部。该功能的实现原理是第一片层的每个线型子单元结构中有多条长短不同的直线型金属分支，这些直线型金属分支切割磁场，加强微结构的磁效应，提高磁导率。而每个微结构为了保证各向同性的效果选择了四个线型子单元结构以上述方式排列。 在其他实施例中，每个微结构中的线型子单元结构数量和排列方式均可以改变，以其他方式实现各向同性，或作为单方向使用的材料不做各向同性的排列。每个线型子单元结构的直线型金属分支的数量和长度都可以根据需要提高的磁导率的不同而改变。下面介绍另外二种在直线型金属分支的长度和数量改变的第一片层类型。请参阅图4，图4是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第二实施例结构示意图。如图4所示，阴影部分为第一人造金属微结构401，空白部分为第一基材402，每个线型子单元结构中的直线型金属分支为五条，相比于第一类型的数量减少了，在可以满足需求的情况下降低了材耗。请参阅图5，图5是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第三实施例结构示意图。如图5所示，阴影部分为第一人造金属微结构501，空白部分为第一基材502，每个线型子单元结构中的直线型金属分支的长度相对于第一类型的更长，使用了更多的材料但在提高磁导率的效果上也更好。请参阅图6，图6是本发明实施例的吸波超材料中，周期排布于第二片层的第一子层上的第二人造金属微结构的第一实施例结构示意图。如图6所示，阴影部分为第二片层的第一子层上的第二人造金属微结构601,空白部分为第二基材602,第一子层包括第二基材602以及周期排布于第二基材602上多个结构相同、尺寸相同的第二人造金属微结构601。第一子层的第二人造金属微结构601包括完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支，数量均为两个，带缺口的环型金属分支上设置有四个缺口，四个缺口等间距地分布在带缺口的环型金属分支上，两个完整的环型金属分支均在带缺口的环型金属分支内。第二片层的第一子层的主要作用是提高介电常数，该功能的实现原理是通过带缺口的环型金属分支上的缺口产生电容，完整的环型金属分支产生电感，两者共同作用加大了微结构的电效应，提高介电常数。请参阅图7，图7是本发明实施例的吸波超材料中，周期排布于第二片层的第二子层上的第三人造微结构的第一实施例结构示意图。如图7所示，阴影部分为第二基材702，空白部分为镂空部即第三人造微结构701，第二基材702为金属基材，在金属基材上镂空形成有周期排布的多个结构相同、尺寸相同的第三人造微结构701。第三人造微结构701的形状和尺寸与第二人造金属微结构601的形状和尺寸相同。第一人造金属微结构与第二人造金属微结构均周期排布于基材上，基材材质为不同于第一人造金属微结构和第二人造金属微结构的材质。第一基材和第二基材优选为FR-4材料、F4B材料、PS材料、铁电材料、铁氧材料、陶瓷材料等。更优选地，第一基材和第二基材选取各类对电磁波具有良好吸收效果的材质以进一步加强本发明吸波超材料的吸收电磁波效果。第二子层不同于第一子层以及第一片层的地方在于，第二子层的基材为金属材质，在金属材质的第二子层基材上镂空部分形成第三人造微结构。如图7所示，第二子层的第三人造微结构701和第一子层的第二人造金属微结构601 —一对应设置，并且为互补的图案。第二片层的第二子层与第二片层的第一子层为互补结构的作用是降低透射率。这样通过第一子层和第二子层的配合作用，实现了将通过第一片层最大限度进入材料的电磁波最大可能的衰减掉。 完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支的排列顺序对功能的实现没有影响，在其他实施例中，顺序可以任意排列，第二人造金属微结构的金属分支的形状不一定必须是环型的，选择环型的目的是为了保证第二片层的各向同性，第二人造金属微结构的金属分支的形状可以选择其他的能保证各向同性的形状也可以仅为单向使用而选择其他任意形状。缺口的数量和位置也可以根据形状的不同而做出相应的调整。请一并参阅图8和图9，图8是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第二实施例结构示意图，图9是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第二实施例结构示意图。如图8所示，阴影部分为第二片层的第一子层上的第二人造金属微结构801，空白部分为第二基材802，如图9所示阴影部分为第二基材902，空白部分为镂空部即第三人造微结构901，第二片层的第一子层和第二片层的第二子层中的完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支均间隔设置，对第二片层的功能实现没有影响，在其他实施例中，也可以将带缺口的环型金属分支都排列在完整的环型金属分支内。请一并参阅图10和图11，图10是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第三实施例结构示意图，图11是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第三实施例结构示意图。如图10所示，阴影部分为第二片层的第一子层上的第二人造金属微结构1001，空白部分为第二基材1002，如图11所示，阴影部分为第二基材1102，空白部分为镂空部即第三人造微结构1101，相比于第二片层的第一子层和第二片层的第二子层的第一类型结构，第三类型的第二人造金属微结构中的金属分支均为矩形，带缺口的金属分支的缺口设在矩形的四条边上。请参阅图12和图13，图12是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第四实施例结构示意图，图13是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第四实施例结构示意图。如图12所示，阴影部分为第二片层的第一子层上的第二人造金属微结构1201，空白部分为第二基材1202，如图13所示，阴影部分为第二基材1302，空白部分为镂空部即第三人造微结构1301，相比于第二片层的第一子层和第二片层的第二子层的第一类型结构，第四类型的第二人造金属微结构1201中的金属分支为三角形，带缺口的金属分支的缺口设在三角形的三条边上。上述的这些微结构中，带缺口的金属分支和完整的金属分支的排列顺序是可以同时改变和组合的，总之无论何种形状和排列顺序的组合都是本领域的技术人员根据本领域的公知常识和本发明能够轻易实现的，所以都应包括在本发明的保护范围之内。请参阅图14，图14是本发明实施例的吸波超材料的第三片层的结构示意图。如图14所示，第三片层为第三基材构成的一个平板，根据需要的不同，平板可以改成其他任意形状。第三片层的作用是模拟实际环境，一般情况下，吸波材料会敷在该类材料的器件中，用以降低电磁波对器件的影响，如果吸波材料不是敷在该类材料的器件中，亦可通过镀上一层该类材料薄层构成一整体，再敷在其他材料构成的器件中。而加入第三片层，可以用以代替上述操作模拟该材料在实际环境中的真实效能。
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本发明的吸波超材料的第一片层、第二片层和第三片层依次叠放，电磁波从第一片层入射，在其他实施例中，各个片层的数量可以不同，根据不同的需要增加不同的片层的数量，例如要求能尽可能多的使电磁波进入吸波超材料内部，则可以增加第一片层的数量，要求尽可能的降低透射通过吸波超材料的情况下，则增加第二片层的数量。第一片层、第二片层和第三片层组合之后，相互配合，相互影响，相比与单层的吸波材料，本发明的吸波超材料由于有第一片层提高磁导率，通过综合各层的效应从而达到了在较宽频段吸波的效果。请参阅图15，图15是本发明实施例的吸波超材料仿真测试结果示意图。如图15所示,横坐标为入射电磁波的频率,纵坐标为S11参数dB值,实验结果表明此超材料在
2.17GHZ-7. 89GHZ的S11参数dB值低于_4dB，该结果表明，本发明实施例和单片层吸波超材料相比，本发明实施例的多层基本单元层的超材料可以显著提高吸波带宽。为解决上述问题，本发明进一步提供了一种吸波装置，该吸波装置包括上述的吸波超材料。综上所述，本发明的吸波超材料的第一片层通过提高磁导率增加电磁波进入材料内部的比率，第二片层通过第一子层和第二子层之间的互补结构提高介电常数降低透射率，第一片层和第二片层相配合从而实现了吸波超材料在较宽的频段吸收电磁波。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料包括 第一片层，所述第一片层包括第一基材及在第一基材上周期排布的用于增加电磁波入射率的多个第一微结构，并且所述多个第一微结构中包括结构相同但在片层平面上不同朝向的第一微结构； 第二片层，所述第二片层包括第二基材及在第二基材上周期排布的用于降低电磁波透射率的第二微结构； 其中，所述第一片层和第二片层层叠设置。
2.根据权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于所述吸波超材料包括设置于第二片层在远离第一片层一侧的第三片层，所述第三片层包括在用于模拟实际环境的第三基材平板。
3.根据权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于 所述第一微结构是线型子单元结构，每四个所述线型子单元结构为一组，每组的线型子单元结构分为两行两列，对齐排列，其中每组线型子单元结构中的对角两个线型子单元结构朝向相同，而每组线型子单元结构中的相邻线型子单元结构间朝向相差九十度； 所述第二片层包括层叠设置的第一子层和第二子层，所述第一子层的第二微结构和第二子层的第三人造微结构一一对应设置，并且相互为互补的图案。
4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于所述第一片层中的线型子单元结构包括多条长短不同的直线型金属分支，并且所述多条长短不同的直线型金属分支一起组成在片层平面内的漏斗图案。
5.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于所述多条直线型金属分支平行等间距排列。
6.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于每个漏斗图案内的所述直线型金属分支为奇数条，所述漏斗图案两端的直线型金属分支轴对称设置。
7.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于所述相互为互补图案的第二微结构包括内外环设置的带缺口的环型金属分支和完整的环型金属分支。
8.根据权利要求7所述的吸波超材料，其特征在于所述第二片层的完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支数量均为两个。
9.根据权利要求7所述的吸波超材料，其特征在于所述带缺口的环型金属分支上设置有四个缺口，四个所述缺口等间距地分布在带缺口的环型金属分支上。
10.根据权利要求I所述的吸波超材料，其特征在于所述第一基材、第二基材与第三基材材质相同，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。
11.根据权利要求ι- ο中所述任一项的吸波超材料，其特征在于所述第一微结构和第二微结构均为人造金属微结构。
12.一种吸波装置，其特征在于，所述吸波装置包括权利要求1-10中所述任一项的吸波超材料。
全文摘要
本发明公开了一种吸波超材料及吸波装置，该吸波超材料包括第一片层，第一片层包括第一基材及在第一基材上周期排布的用于吸收电磁波的多个第一微结构，并且多个第一微结构中包括结构相同但在片层平面上不同朝向的第一微结构；第二片层，第二片层包括第二基材及在第二基材上周期排布的用于降低电磁波透射率的第二微结构；其中，第一片层和第二片层层叠设置。通过上述方式，本发明能够利用多个片层的组合来提高吸波超材料的磁导率和介电常数，并降低透射率，从而实现了吸波超材料在较宽的频段吸收电磁波。
文档编号H05K9/00GK102843899SQ20121027538
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者刘若鹏, 赵治亚, 寇超锋, 何嘉威 申请人:深圳光启创新技术有限公司