一种用于X频段隐身的超薄透光超材料吸波体

一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体
技术领域
1.本发明涉及吸波材料技术领域，尤其涉及一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体。


背景技术：

2.吸波材料是指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰的一类材料。传统吸波材料由于结构复杂，同时无法兼顾“薄、轻、宽、强”的性能，限制了其应用发展。超材料的出现打破了僵局，为吸波材料的发展带来了新的生机。超材料的出现代表了一种崭新的材料设计理念的产生，标志着人类可以按照自己的意志设计新型结构材料，其可呈现出天然材料所不具备的超常物理性能，即负磁导率、负介电常数等奇特性能。在短短几十年间，电磁超材料迎来了快速发展，其中超材料吸波体因其相较于传统吸波材料，具有结构简单、超薄、超轻、吸收率高的特点而得到了广泛关注。
3.根据损耗机理,超材料吸波材料可分为欧姆损耗型、磁损耗型和介电损耗型,金属是设计的超材料吸波体时的常规选择材料，而金属在可见光波段是不透明的，这就限制了超材料吸波体在一些对光透性有较高要求的设备上的应用。同时现有的一些超材料吸波体往往存在带宽窄、厚度大、质量重等缺点，而且还存在着大角度吸波效果急剧下降的问题，即对于斜入射的吸波效果急剧变差,这极大地限制了超材料吸波材料应用。因此，研究出超薄、超宽带、角度稳定性好，同时兼顾可见光光学透明的超材料吸波体刻不容缓。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体，尤其适用于对电磁波有特定吸收屏蔽要求的高透光率的可视化设备中。在保证高透光率的前提下，还实现了超薄、超宽带、高吸收率，特别是大角度入射下也有较高的吸收率。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体，包含若干个在二维空间呈周期性阵列分布的超材料吸波体结构单元；所述超材料吸波体结构单元包含由上至下的透明图案层、透明介质层、透明反射层；所述透明介质介质层采用正方形玻璃基板；所述透明图案层为刻蚀在所述透明介质层上表面的第一透明导电薄膜，透明反射层为设置在所述透明介质层下表面的第二透明导电薄膜；所述第一透明导电薄膜包含第一至第三方环薄膜，所述第一方环设置在第二方环内 ，第二方环设置在第三方环内，第一方环和第二方环之间的间距等于第二方环和第三方环之间的间距，且第一至第三方环在其四边的中点处沿垂直于其边长的方向均设有开口；所述第二透明导电薄膜为大小和所述透明反射层相同的正方形透明导电薄膜。
6.作为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体进一步的优化方案，所述超材料吸波体结构单元之间的距离是0.55mm。
7.作为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体进一步的优化方案，所述透明介质层中的玻璃介质基板的介电常数为7.7，损耗角正切为0.008，厚度1.8mm。
8.作为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体进一步的优化方案，所述第一透明导电薄膜、第二透明导电薄膜采用氧化铟锡、掺杂氟的二氧化锡、铝掺杂的氧化锌、聚合物基透明导体中的任意一种透明导电薄膜。
9.作为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体进一步的优化方案，所述透明介质层的边长为11.55mm，所述第三方环四条边上的开口宽度3.3mm，第二方环四条边上的开口宽度2.2mm，第一方环四条边上的开口宽度1mm,第三方环的外边长为11mm，第二方环的外边长为8mm，第一方环的外边长3mm, 第一至第三方环的环宽分别为1mm、2mm和0.5mm，第一方环和第二方环之间的间隔0.5mm。
10.作为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体进一步的优化方案，所述第一透明导电薄膜的膜厚为135nm，第二透明导电薄膜的膜厚为185nm，第一、第二透明导电薄膜方阻的取值范围为6-300ω/sq。
11.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 结构简单：采用了导电薄膜-介质-导电薄膜的结构，其中上层导电薄膜由三个开口方环组，结构简单，易于实现；2. 吸收率高：在吸收频段内能够达到90%以上的吸收率，而且对于大角度的入射波依旧能够保持高吸收率；3. 工作频带宽：本发明的相对吸波带宽能达到44.7％；4. 易于调节：通过调整导电薄膜的图案形状、尺寸以及方阻等参数,实现对结构吸波性能的灵活调节。
附图说明
12.图1是本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体的结构示意图；图2是图为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体的立体示意图；图3是图为本发明一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体的侧视图；图4是图为本发明在垂直入射时的吸收率曲线图；图5是本发明在te极化下不同入射角时的吸波率曲线图；图6是本发明在tm极化下不同入射角时的吸波率曲线图；图中， 1-用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体，11-第一透明导电薄膜，12-玻璃基板，13-第二透明导电薄膜。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
14.应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
15.如图1所示，本发明公开了一种用于x频段隐身的超薄透光超材料吸波体，包含若干个在二维空间呈周期性阵列分布的超材料吸波体结构单元；所述超材料吸波体结构单元包含由上至下的透明图案层、透明介质层、透明反射层；所述透明介质介质层采用正方形玻璃基板；所述透明图案层为刻蚀在所述透明介质层上表面的第一透明导电薄膜，透明反射层为设置在所述透明介质层下表面的第二透明导电薄膜；所述第一透明导电薄膜包含第一至第三方环薄膜，所述第一方环设置在第二方环内 ，第二方环设置在第三方环内，第一方环和第二方环之间的间距等于第二方环和第三方环之间的间距，且第一至第三方环在其四边的中点处沿垂直于其边长的方向均设有开口；所述第二透明导电薄膜为大小和所述透明反射层相同的正方形透明导电薄膜。
16.所述超材料吸波体结构单元之间的距离是0.55mm。
17.所述第一透明导电薄膜、第二透明导电薄膜采用氧化铟锡、掺杂氟的二氧化锡、铝掺杂的氧化锌、聚合物基透明导体中的任意一种透明导电薄膜，这里优先采用氧化铟锡透明导电薄膜（ito）。
18.如图2所示，本发明透明介质层的形状为正方形，且大小相同(l=11.55mm)。第一透明导电薄膜由三个大小不同不开口方环组成，由外到内的开口大小为b1=3.3mm、b2=2.2mm、b3=1mm,外边长分别为为11mm、8mm、3mm，每个方环的尺寸大小由外到内为a1=3.85mm、a2=2.9mm、a3=1mm, 每个开口方环的宽度由外到内为g1=1mm,g2=2mm,g3=0.5mm，方环之间的间隔w=0.5mm。t为透明介质层的高度。
19.透明介质层采用正方形玻璃，介电常数7.7，损耗角正切0.008,厚度1.8mm；第一透明导电薄膜的膜厚为135nm，第二透明导电薄膜的膜厚为185nm。
20.图3为本发明的侧视图，超材料吸波体结构单元与电磁波入射方向相垂直，第一导电薄膜的阻抗值r1=15ω/sq，第二导电薄膜的阻抗值r2=6ω/sq。
21.图4为本发明在垂直入射时的吸收率曲线图,在电磁波波以te/tm方式垂直入射的情况下,在7.84ghz~12.35ghz频段内，均能实现90%以上的吸收率。吸收带宽为44.7%。其中吸收率a(ω)=1-r(ω)-t(ω)=1-|s
11
|
2-|s
21
|2，s参数是由电磁仿真软件cst的频域求解器得到。
22.当电磁波入射到吸波体时，本发明上层的开口方环形成电谐振，上层与下层表面之间形成反向电流的磁谐振，且超材料单元的欧姆损耗与介电损耗特性，从而实现在7.84ghz~12.35ghz的宽带范围对入射电磁波大于90%的吸收。
23.研究发现铟锡氧化物（ito）在制备光学透明超材料吸波体方面存在很大的实用价值，可以更有效地制备出具有高吸收率、光学透明、易于调节超材料吸波体。通过在介质体上下两面各添加一层ito得到超材料吸波体，使得入射的电磁波尽可能地进入到吸波体内部而不被反射，且在上层高阻值ito的欧姆损耗以及介质基板的介电损耗下将入射的电磁
波转化为热量耗散，同时下层的低阻值ito又很好地阻止了入射电磁波的透射。
24.图5是在不同入射角下对te极化波的吸收率仿真结果图，a为入射角10
°
，b为入射角30
°
，c为入射角45
°
，d为入射角50
°
，e为入射角55
°
，f为入射角60
°
；图6是在不同入射角下对tm极化波的吸收率仿真结果图，a为入射角10
°
，b为入射角30
°
，c为入射角50
°
，d为入射角60
°
，e为入射角70
°
，f为入射角75
°
。由图5、6可知，制备的超材料吸波体在入射角60
°
内的te入射波下都能保证有60％以上的吸收率，在入射角70
°
内的te入射波下都能保证有75％以上的吸收率，说明所述超材料吸波体具有较好的角度稳定性，可保证大角度下的高吸收率。
25.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
26.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，并不用于限制本发明，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。