一种基于互补结构的透明吸透波一体化电磁材料单元的制作方法

1.本发明属于电磁材料领域，具体涉及一种基于互补结构的透明吸透波一体化电磁材料单元。


背景技术：

2.随着当代电磁环境的复杂性日益加剧，对空间电磁波进行高效调控的技术需求不断提升，在军事、民用领域都体现出了巨大的应用潜力。当前，用于空间电磁波调控的主要技术是人工电磁结构（与通信系统所依赖的天线不同）。然而，随着功能要求的日益提升，人工电磁结构技术的发展已经进入了新的阶段，传统的光学不透明、功能固定且结构复杂设计已经远远不适用当代电磁环境的需求，智能化、高效率的理论与设计研究成了该领域未来发展的必然趋势。电子对抗方式已经成为现代战争的重要作战手段。为了在电子战中保护我方设备，当前的研究大多集中在隐身领域，研究的目标大都关注提升其隐身性能和可调特性。然而单纯的隐身或可调特性器件、材料在真实的电场环境中往往不具备光学透明特性，从而使得先进的功能设计无法充分发挥。
3.频率选择表面 (frequency selective surface，fss) 作为一种空间滤波器，能够在特定频段传输或者反射电磁波，且其空间滤波特性由结构形状和尺寸、介质厚度和介电常数以及入射电磁波角度和极化状态等多种参数共同决定。由于对电磁波良好的调控能力和较大的设计自由度，fss在雷达天线罩、电磁吸波器、电磁极化器和电磁兼容等众多领域得到了广泛的应用。针对fss的研究正朝着多领域交叉的方向发展，涉及物理、工程和材料等多学科。
4.从上世纪60年代起，研究人员就开始对fss及其周期结构的电性能开始了深入研究。fss的周期结构是指对于完全相同的基本单元结构，按照一定的方式沿一维或二维方向周期性排列，构成的无限大阵列。fss中的金属结构通常加载在单层的介质基底材料上，在某些结构中可以有多层金属结构、多层介质材料层构成三维立体结构。区别于一般结构型电磁元件的功能，fss可以针对入射电磁波的频率、极化和入射角度等特征进行调控和选择。基于fss具有的频率滤波特性，近年来，fss技术已广泛应用于军事和民用电磁设备中。在军事领域，fss可用于飞行器和通信雷达天线罩和防护屏蔽的隐身防护，可重构天线的功能调控等。在民用方面，fss可以作为吸波材料和屏蔽材料，用于电磁设备的信息安全保护、电磁屏蔽、抗干扰和微波暗室，卫星通信的电磁屏蔽等方面。
5.电磁吸波器 (electromagnetic absorber，ema) 是一种重要的电磁防护器件，它在电磁兼容、电磁隐身、信息安全等领域扮演着非常重要的角色。随着科学技术的迅速发展，各类电子元件产生了大量不同频率的电磁辐射，对吸波器的性能、尺寸、角度稳定性等指标提出了更高的要求。ema由于其吸收率高、设计灵活等优点得到了日益广泛的应用。
6.ema的原型最早由美国研究人员 winfield salisbury 在1952年提出的 salisbury screen 而来，由顶层金属薄膜、具有工作波长四分之一厚度的介质板和底层金属反射板三部分组成，最早被用来降低各种战争设备的雷达散射截面，减少被探测的风险。
后来发展出了很多种吸波材料以达到扩展带宽、电磁隐身以及更好地适应复杂电磁环境的目的，可大致分类为以下几种材料：等离子体电磁吸收材料、纳米吸波材料、手性电磁吸波材料、铁氧体吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚合物吸波材料和金属微粉复合吸波材料。但由于它们很难达到现代化隐身材料应用的性能“薄、轻、宽、高”中的大部分，并且制作难度大以及成本高，很难得到广泛应用。
7.透明的电磁吸波器 (transparent electromagnetic absorber) 是近年来提出的一种新型吸波器，与传统的电磁吸波器相比，它的结构均由透明材料构成，具有显著的透光性，打破了传统吸波器件不透光的局限性。透明电磁吸波器的出现扩大了电磁吸波材料的应用场景，例如，对透光性有要求的飞行器驾驶舱使用透明吸波器可以在不影响透光性的情况下很好地实现电磁隐身。随着透明吸波器的出现，各种各样新型结构的透明电磁吸波器相继被提出，而其功能和性能也相继提升，由最初对单频点的入射电磁波进行吸收，到逐渐设计出可以实现双频点、多频点、宽频段的电磁吸波器，并且吸波器最初存在着入射电磁波的极化敏感和入射角敏感的缺点，但随着之后的结构优化设计，使其慢慢克服了这些缺陷。透明电磁吸波器符合现代隐身材料的发展优点“薄、轻、高、宽、透”，从而被现代研究者进行广泛研究。
8.近年来，许多透明电磁吸收体被理论设计和实验制造。对于透明吸收体，拓扑结构和基板均由透明材料制成。在透明吸收设计中，氧化铟锡（ito）因其优异的材料性能成为应用最广泛的透明材料。基于ito薄膜的可透光超宽带电磁吸波器，使用ito薄膜来替代传统的电阻膜，使用透明介质基底pet代替传统的介质板，从而实现整体结构的可视性。透明电磁吸波器符合现代隐身材料的发展优点“薄、轻、高、宽、透”，从而被现代研究者进行广泛研究，具有重要的军事和民用价值。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提出一种基于互补结构的透明吸透波一体化电磁材料单元，在光电、显示等设备的光学窗口实现电磁防护。
10.实现本发明的技术解决方案为：一种基于互补结构的透明吸透波一体化电磁材料单元，包括自上而下平行间隔分布的顶层介质层、中间介质层和底层介质层，在顶层介质层的上表面和底层介质层的上表面分别设有相同的以圆环状周期排布的透明ito薄膜，在中间介质层的上表面设有圆环互补结构周期排布的透明ito薄膜，相邻两层介质层之间为空气层。
11.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明由顶层介质层、圆环状ito薄膜、中间介质层、圆环互补状ito薄膜和底层介质层以及圆环状ito薄膜自上而下排列，形成叠层结构，顶层介质层、中间介质层和底层介质层均采用高透光率的pet，薄膜采用透光良好氧化铟锡材料。与现有技术相比，在保证吸波带宽和吸收率的同时，实现了电磁波的传输以及良好透光性能，扩大了应用范围。
12.（2）本发明由于采用的结构是由若干个周期排布的透明电阻膜组成的圆环及其互补结构构成的阵列，该结构顶层以及中间层的ito薄膜方阻为160ω/sq，底层采用方阻为5ω/sq的透明薄膜，它具有较高的电阻率与较低的电阻率，因此可以将它视为金属导体，用于频率选择。当电磁波入射到本发明提出的结构上时，底层圆环结构会表现出低通滤波器
的效果，形成一个低频传输通带，可以用于通信信号的有效传输；中间层以及顶层结构采用方阻较大的阻性薄膜，用于损耗电磁波，空气层用于与自由空间阻抗的匹配，最终产生了宽带吸波的效果。本发明专利所提出的结构在不同频带内实现了信号传输以及电磁波吸收，又由于采用的ito薄膜具有质量轻和厚度薄的特点，在保证设备通信、宽带吸波效果和高吸波率的同时，减小了电磁材料的厚度和重量，更具有实用性，便于与微波系统集成。
13.（3）本发明由阻性ito薄膜和pet介质层构成，与现有技术相比，具有机械硬度高、化学稳定性好等优点，能够在长时间内保证性能的稳定，使用寿命更长，且价格便宜，加工制作方便，性价比极高。
附图说明
14.图1是本发明三维结构示意图。
15.图2是本发明的侧视图。
16.图3是本发明的俯视图。
17.图4是本发明的散射系数曲线图。
18.图5是本发明的透波率曲线图。
19.图6是本发明在不同入射角度下的吸波率示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
22.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
25.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
26.结合图1和图2，本发明公开了一种基于互补结构的透明吸透波一体化电磁材料单
元，包括平行分布的顶层介质层、中间介质层和底层介质层，在顶层介质层的上表面和底层介质层的上表面分别设有相同的以圆环状周期排布的透明ito薄膜，在中间介质层的上表面设有圆环互补结构周期排布的透明ito薄膜，相邻两层介质层之间设有空气层。
27.所述介质层材料采用pet，相对介电常数为3，损耗角正切为0.06。
28.所述圆环状周期排布的透明ito薄膜，是采用磁溅射技术印制在顶层介质层和底层介质层上的圆环形透明阻性薄膜，这些薄膜在平面上沿两个垂直方向周期排布。
29.所述圆环互补结构周期排布的透明ito薄膜，是在全覆盖有透明ito薄膜的中间介质层上蚀刻出的圆环缝隙，这些缝隙的尺寸和排布与顶层介质层、底层介质层上的圆环ito薄膜单元一致，因而称之为圆环互补结构。
30.结合图1，所述基于互补结构的透明吸透波一体化电磁材料单元，顶层介质层、圆环状ito薄膜、中间介质层、圆环互补状ito薄膜和底层介质层以及圆环状ito薄膜自上而下排列，形成叠层结构。ito薄膜采用磁溅射技术印制在底层介质层和顶层介质层的上表面，若干个圆环单元呈周期排布，圆环互补结构同样采用磁溅射技术印制在中间介质层的上表面。结合图2和图3，本实施例中：介质层厚度t=0.175mm，第一空气层厚度为h1=5mm，第二空气层厚度为h2=4mm，介质层边长为p=14.5mm，圆环内径为r1=4.2mm，圆环外径为r2=7mm，中间介质层及顶层介质层上的ito薄膜方阻为r
s2
= r
s1
=160ω/sq，第三基质层上的ito薄膜方阻为r
s3
=5ω/sq。介质层均采用相对介电常数为3，厚度为0.175mm的pet。
31.参照图4是利用图1的周期结构通过商业电磁仿真软件cst studio suite仿真得到的在0.5-18ghz频段内不同入射角度下的散射系数，横坐标表示频率，纵坐标表示散射电磁能量的大小；参照图5可以看出在不同入射角下的透射系数，当电磁波正常入射时，在0.5-2.5ghz频段内的插入损耗小于3db；参照图6是本发明所提出的结构设计在不同角度下的吸波率，横坐标是频率，纵坐标是对电磁能量的吸收率，可以看出本发明对6-18ghz内的电磁波的吸收率大于90%，可以很好地屏蔽地方侦查雷达的信号，实现隐身。
32.仿真结果表明，本发明的绝对工作带宽达到12ghz，相对带宽达到100%，吸波带宽内吸收率大于90%，吸波器厚度仅为0.25λ0（其中λ0为吸波中心频点对应的波长），与现有技术相比，在保证吸波率和吸波带宽同时，还具有一个电磁波传输窗口，并且体现出更高的透光性和更小的重量。
33.以上所述仅是本发明专利的优选实施方案，并不用以限制本发明专利。应当指出：凡在本发明专利精神和原则之内所做出任何改进和润饰，均应视为本发明专利的保护范围之内。