一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体的制作方法

本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体。

背景技术：

超材料吸波材料能够吸收、衰减入射的电磁波并将其转化呈热能耗掉，超材料吸波体因其所特有的完美吸收特性，在电磁兼容等领域取得了非常广泛的应用。

电子不停车收费系统、射频识别系统等一些电子电气设备既要求对电磁波具有吸收能力，又要对可见光具有相应的透光能力。然而传统的吸波体基于其固有吸收原理，往往透光率高的材料其吸收带比较窄，而吸收带宽较宽的材料其透光率又不高，无法实现宽带吸收和高可见光透过率之间的完美兼容。如专利cn105552566a提供的一种立式透明超材料吸波体，虽然满足相应的吸波特性和透光特性，但无法同时兼顾宽带吸波与高可见光透过率。随着科学技术的发展，在微波领域的电磁吸波材料研究中，设计出满足“薄、轻、宽、强”的性能、同时又要满足在可见光范围具有高透光率也成为吸波材料一个新发展方向。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：常规的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题，本发明提供了解决上述问题的一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体，特别适用于在电子不停车收费系统的可视化视窗上。

本发明通过下述技术方案实现：

一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体，包括若干结构单元，若干结构单元在二维上呈周期性连续分布，每个结构单元由下至上依次包括下层结构、中层结构和上层结构；

所述中层结构包括四个中空柱体单元，四个中空柱体单元呈矩形阵列排布；每个中空柱体单元呈旋转对称性的正n边形中空柱体结构，其中n为偶数，且n≥4；所述中空柱体结构的侧壁作为支撑层、其内侧附着导电薄膜层；

所述上层结构包括频率选择表面，所述频率选择表面覆盖在中层结构上表面；

所述下层结构包括基板层和背板层，背板层附着在基板层的外侧，中空柱体单元固定在基板层内侧；

所述结构单元采用透明材料制成。

进一步地，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元，所有结构单元呈矩形阵列分布。

进一步地，每个结构单元在所在平面内沿其几何中心点旋转90°、180°、270°、360°时均能够完全重合。

进一步地，所述中空柱体单元轴向与基板层板面的夹角为90°，且所述中空柱体结构采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

进一步地，同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隔为w，且满足0.8λ≥w≥0.1λ；所述λ是指吸波频段的最短波长λmin。

进一步地，所述中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸为l，1.2λ≥l≥0.6λ；中空柱体单元的高度为h，1.5λ≥h≥0.6λ；所述λ是指吸波频段的最短波长λmin。

进一步地，所述频率选择表面为条状环形透明导电带，在每个结构单元中，条状环形透明导电带粘附在四个中空柱体单元上表面上，且条状环形透明导电带在沿环向相邻两个中空柱体单元间隔处断开；断开处开口间隙宽度为g，满足g大于零、且小于或等于对应处相邻两个中空柱体单元间隔大小。

进一步地，所述条状环形透明导电带的形状为具有中心对称性的环状结构。

进一步地，所述背板层的厚度为：g1＝0.001λ；所述基板层的厚度为d＝0.01λ，所述λ是指吸波频段的最短波长λmin。

进一步地，所述基板层和支撑层采用透明无机材料；所述背板层和导电薄膜层采用透明导电薄膜，透明导电薄膜形状采用连续导电膜，且其电导率为10²s/m～10⁵s/m。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的吸波体利用频率选择表面拓展低频吸波，利用包含中空柱体单元的中间层实现宽带吸波。该吸波体具有低频吸收特性的同时具备良好的超带宽吸波特性，其吸收带宽范围可以在2.5ghz～50ghz，该频率范围内的吸收率高达90％以上，其相对带宽可达到181％，实现了在雷达频段的全吸波特性；本发明提供的吸波体还兼备良好的透光率，在波长430nm～800nm范围内其透光率达78％以上；

2、本发明提供的吸波体，吸波体的任一个结构单元在xoy平面内可以沿其中心点旋转90°、180°、270°、360°时都能够完全重合，这种设计可以在感兴趣的频段内实现具有良好的极化不敏感的吸波特性。以xoy平面为例，电磁波的电场极化方向e→与x轴夹角(phi)变化时，吸波体对于横电波和横磁波的吸收特性基本不变，即该吸波体具有极化不敏感的吸波特性；

3、本发明提供的吸波体整体为一种具有纵深高度的中空柱体，以yoz平面为例，当波的传播方向k→与z轴的夹角在0～60°范围内入射时,吸波体对电磁波的吸收曲线基本一致，即，该吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能。

综上所述，本发明提供的复合立体式超带宽极化不敏感的超材料透明吸波体，解决了目前的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题，不同于传统吸波材料(电损耗、磁损耗、介电损耗型材料)的吸波特性，本案例不仅具备良好的电磁吸收特性，同时还具备良好的透光特性；本发明提供的吸波体特别适用于在电子不停车收费系统的可视化视窗上。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的复合立体式吸波体的阵列模型；

图2为本发明的复合立体式吸波体的一个结构单元示意图；

图3为本发明的复合吸波体的吸波曲线；

图4为本发明的复合立体式吸波体的吸收率随不同极化角度phi入射变化曲线；

图5为本发明的复合立体式吸波体的吸收率随不同入射角度theta变化曲线；

图6为本发明的复合吸波体的透光率曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：1-结构单元，11-中空柱体单元，111-支撑层，112-导电薄膜层，12-基板层，13-背板层，14-频率选择表面。

附图中参数定义：

其中p定义为结构单元的尺寸；

其中l定义为中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸；

其中h定义为中空柱体单元的高度；

其中w定义为同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隙；

其中d定义为基板层的厚度；

其中g定位为条状频率选择表面断口处的间隙宽度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明提供一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体，包括多个结构单元1，多个结构单元1在二维上呈周期性连续分布。每个结构单元1由下至上依次包括下层结构、中层结构和上层结构；中层结构包括四个中空柱体单元11，四个中空柱体单元11呈矩形阵列排布；每个中空柱体单元11呈旋转对称性的正n边形中空柱体结构，为具有一定纵深高度的柱体结构，其中n为偶数，且n≥4；所述中空柱体结构的侧壁作为支撑层111、其内侧附着导电薄膜层112；上层结构包括频率选择表面14，所述频率选择表面14覆盖在中层结构上表面；下层结构包括基板层12和背板层13，背板层13附着在基板层12的外侧，中空柱体单元11固定在基板层12内侧。每个结构单元1采用透明材料制成。

综上所述，整个吸波体结构为：背板层13贴合在基板层12的外侧，空柱体单元11支撑在在基板层12的内侧(波的反射侧)，频率选择表面层14一般粘附在中层结构之上，位于最上层。

实施例2

本发明提供一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体，在实施例1的基础上进一步改进，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元1，所有结构单元呈矩形阵列分布。每个结构单元在所在平面内沿其几何中心点旋转90°、180°、270°、360°时均能够完全重合。各部分结构具体如下：

(1)中空柱体单元：中空柱体单元11轴向与基板层12板面的夹角为90°，且中空柱体结构采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

同一平面内的相邻中空柱体单元11之间的间隔为w，且满足0.8λ≥w≥0.1λ；所述中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸为l，1.2λ≥l≥0.6λ；中空柱体单元11的高度为h，1.5λ≥h≥0.6λ；所述λ是指吸波频段的最短波长λmin。

(2)频率选择表面：频率选择表面14为条状环形透明导电带，在每个结构单元中，条状环形透明导电带粘附在四个中空柱体单元11上表面上，且条状环形透明导电带在沿环向相邻两个中空柱体单元11间隔处断开；条状环形透明导电带的形状为具有中心对称性的环状结构，如圆环形、正四边环形。上述断开处开口间隙宽度为g，满足g大于零、且小于或等于对应处相邻两个中空柱体单元11间隔大小。

(3)背板层13的厚度为：g1＝0.001λ；所述基板层12的厚度为d＝0.01λ。

最后，基板层12和支撑层111采用透明无机材料；所述背板层13和导电薄膜层112采用透明导电薄膜，透明导电薄膜形状采用连续导电膜，如刻蚀为片状、环状等其他花纹的薄膜形状；且其电导率为10²s/m～10⁵s/m。

研究的典型的l\s\c\x\ku波段设定吸波频段：fmin～fmax，对应电磁波长：λmin～λmax，为更好的研究吸波体物理尺寸与各种谐振波长的内在联系，一般地，按照在雷达频段内最短的电磁波长来定义设计吸波体。因此，本发明中所提到的λ一般都指最短波长λmin。

实施例3

本发明提供一种复合立体式超带宽的超材料透明吸波体，在实施例1的基础上进一步改进，本案例最短波长λ为6mm，其中各部件结构设计如下：

结构单元的尺寸p＝4λ；

中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸l＝1.4λ；

中空柱体单元的高度h＝2λ；

同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隙w＝0.67λ；

支撑层的厚度为g3＝0.001λ；

导电薄膜层的厚度为g0＝0.0016λ；

条状频率选择表面断口处的间隙宽度g＝0.017λ；

频率选择表面的厚度g2＝0.0016λ；

背板层厚度g1＝0.001λ；

基板层的厚度d＝0.01λ。

其中，频率选择表面层、背板层和导电薄膜层均选取为ito阻抗薄膜，其电导率为10³s/m；其中支撑层和基板层材料为无机玻璃，其相对介电常数ε＝3*(1-j0.03))。

将实施例3提供的吸波体进行性能测试，测试结果如下：

1、宽带吸波和高透光率性能

(1)宽吸波频段：

从吸波体曲线图3可以看出，实施例3提供的吸波体在2.5ghz～50ghz频段内吸收率a在90％以上；且实施例3提供的吸波体在中高频有多个谐振峰，使得吸波体在中高频带具有良好的强吸波特性，如在17.9ghz、28.8ghz、38.9ghz三处的吸收率均达到99％以上。

a＝1-|s11|²-|s21|²

其中s11为反射系数，s21为端口1到端口2的透射系数。

(2)可见光透光率：

从吸波体的透光率曲线图6，可以看出在波长430nm～800nm范围内，实施例3提供的吸波体的透光率达80％以上，具有良好的可见光透过率。

2、极化不敏感性与来波宽角度入射的吸波性能

本发明提供的中空柱体单元设计可以保障吸波体在感兴趣的频段内实现具有良好的极化不敏感性与来波宽角度入射的吸波性能。

(1)在xoy平面为例，电磁波以不同的极化角度入射，即电磁波的电场极化方向与x轴或y轴夹角在不同角度的情况下入射时，吸波体的吸收特性基本不变。该吸波体具有极化不敏感的吸波特性。如图4所示，实施例3提供的吸波体，在2.5ghz～50ghz的频率范围内，电磁波以0°、30°、60°、90°不同的极化角度入射，吸波体的吸收率均可达到90％以上，吸波体对于横电波和横磁波的吸收特性基本不变。

(2)本发明提供的吸波体整体为一种具有纵深高度的中空柱体，以yoz平面为例，波的传播方向与z轴的夹角在0～60°的情况下入射时，吸波体对电磁波的吸收曲线基本一致，即，该吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能。如图5可看出，实施例3提供的吸波体，在2.5ghz～50ghz的频率范围内，具有0～60°的来波宽入射角的吸波特性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。