专利名称：宽频带吸波超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种宽频带吸波超材料。
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。在机场，飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院，移动电话常会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——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。目前研究与应用比较多的吸波材料有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、等离子体型吸波材料及光学透明吸波材料等。各种不同的材料其应用的范围有所不同，其覆盖的频段范围也有所差别。但是 还没有一种吸波材料可以较好地满足重量轻、厚度薄、吸收频带宽、吸收率高等条件。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种宽频带吸波超材料，其厚度薄、吸收频带宽、吸收率较高。为解决上述技术问题，提供了一种宽频带吸波超材料，所述超材料由多个阻抗均匀的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成且所述同一片层的等效介电常数e与等效磁导率U相等，每个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，电磁波通过该超材料时不同片层所附着的人造微结构与不同频段的电磁波产生电磁共振。进一步地，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。进一步地，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。进一步地,所述基板由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。进一步地，所述人造微结构具有对电场响应的拓扑结构。进一步地，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“H”形。进一步地，所述人造微结构为“工”字形的衍生结构、“十”字形的衍生结构。进一步地，所述人造微结构具有对磁场响应的拓扑结构。进一步地，所述人造微结构为带有缺口的多边形或带有缺口的环形。上述技术方案至少具有如下有益效果本发明的宽频带吸波超材料由多个阻抗均匀的超材料片层堆叠形成且每一片层的等效介电常数e与等效磁导率U相等，每个片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，电磁波通过该超材料时该不同片层所附着的人造微结构与不同频段的电磁波产生电磁共振。通过对人造微结构的合理设计可使不同的超材料片层吸收不同频段的电磁波且满足阻抗匹配特性。本发明的吸波超材料重量轻、厚度薄、吸收频带宽且吸收率较高。
图I是本发明的宽频带吸波超材料的结构示意图。图2是图I所示的宽频带吸波超材料的主视图。图3是图I所示的宽频带吸波超材料的侧视图。图4是图3所示的宽频带吸波超材料的A-A剖视图。图5是本发明的超材料所采用的“工”字形的人造微结构衍生的第一实施例的示 意图。图6是本图5所示的人造微结构衍生的第二实施例的示意图。图7是本发明的超材料所采用的人造微结构的第三实施例的示意图。
具体实施例方式吸波材料是指能吸收入射到其表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量的材料。吸波材料的基本设计思想是电磁波入射到吸波材料上时，它能尽可能不反射而最大限度地进入材料内部，即要求吸波材料满足阻抗匹配特性；进入材料内的电磁波能因介质损耗而迅速地衰减掉，即要求吸波材料满足衰减匹配特性。其中由于吸波材料存在损耗，所以相对介电常数e = e ’-j e ”，相对磁导率y=U’-jy”，损耗大小可用电损耗因子tan Se= ￡”/￡’和磁损耗因子七&116 1= u VU ’来表征。既满足阻抗匹配特性又满足尽可能大的衰减特性是各类吸波材料追求的目标。目前研究与应用比较多的吸波材料有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、等离子体型吸波材料及光学透明吸波材料等。各种不同的材料其应用的范围有所不同，其覆盖的频段范围也有所差别。但现有的吸波材料不能满足重量轻、厚度薄、吸收频带宽、阻抗匹配等条件。超材料由至少一个厚度很薄的超材料片层3构成，每个超材料片层3包括基板I和多个阵列设置在基板I上的由具有一定图形的金属丝构成的人造微结构2。超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料。每个人造微结构2以及其所附着的基板I所占部分即为一个单元格。基板I可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个单元格产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了单元格的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图形所具有的拓扑特征和其几何尺寸。当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。所以理想的吸波材料要达到完美的阻抗匹配时，需创造特殊的边界条件使入射电磁波在材料介质表面的振幅反射率P最小(理想情况P=O)从而尽可能地从表面进入介质内部。最简单的情况是电磁波从自由空间垂直射到介质表面，此时p = (n-n0)/(n + n0)；式中p表示电磁波在介质表面的振幅反射率；n表示介质的相对本性阻抗；％表示自由空间的相对本性阻抗，欲使p =0,则n = n0°由于n0 = (y 0/ e 0)1/2, n = (u / e)1/2 ；式中^和e ^分别表示自由空间的相对磁导率和相对介电常数，均为I 和e分别表示介质的相对磁导率和相对介电常数。所以可得e = U。可见，要使直射电磁波完全进入介质阻抗完全匹配，介质的相对磁导率和相对介电常数要相等。事实上还没有这种电磁参数的介质，只能通过调整介质的介电常数和磁导率以达到近似匹配。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构2的图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置，进而实现超材料与入射介质间的阻抗匹配。进一步地，为了解决吸波材料吸收频带窄的问题，本发明的吸波材料把多个具有不同吸收频段的超材料片层3堆叠在一起，通过多层超材料片层3吸收不同频段的电磁波从而拓宽了吸波材料的吸收频带。为了达到良好的吸波性能还需要继续调整人造微结构2的尺寸使超材料对入射 电磁波有最大的能量损耗。能量损耗主要是通过电损耗因子tan 6 e和磁损耗因子tan 6 m来表征，不同材料的基板I对应不同的主要损耗因子，例如铁电材料主要为电损耗因子、铁磁材料主要为磁损耗因子而铁氧材料则两者皆有。当入射电磁波的频段等于人造微结构2自身的谐振频段时，人造微结构2将产生强烈的共振现象使得超材料的相对介电常数的虚部e ”增大，从而具有最大的电损耗因子tanSe= e ” / e ’，所以当超材料片层3所附着的人造微结构2的谐振频段与入射电磁波的频段相同时具有最好的吸波效果。因此理想的吸波材料要达到完美的衰减匹配时应使得每一超材料片层3所附着的人造微结构2具有不同的谐振频段，通过设计每一超材料片层3的人造微结构2的形状和尺寸使得其谐振频段与入射电磁波的各个频段相对应。可以理解，调整人造微结构2的尺寸以满足超材料相对介电常数e和相对磁导率U大致相等以及改善基板I衰减特性的过程是交互的，并非调整完一个条件以后再在原有基础上调整第二个条件。满足上述条件的超材料有很多种可实现方式。图I 图4是本发明的宽频带吸波超材料的第一实施例的结构示意图、主视图、侧视图以及A-A剖视图。本实施例中的宽频带吸波超材料由多个阻抗均匀的超材料片层3沿垂直于片层表面方向堆叠形成，可以通过调整每一超材料片层3所附着的人造微结构2的图形和几何尺寸使每一超材料片层3的等效介电常数e与等效磁导率U相等进而满足阻抗匹配特性。进一步的根据入射电磁波的频率段设计各超材料片层3所附着的人造微结构2的谐振频率，使得入射的各个频率段的电磁波与不同超材料片层3的人造微结构2产生电磁共振，此时射入吸波超材料的电磁波被不同的超材料片层3吸收，实现了较完美的吸波效果。如图4所示本实施例中的吸波超材料的各个超材料片层3附着有不同图形和几何尺寸的人造微结构2以实现对不同频率段的电磁波进行吸收。具体实施时，人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法附着在基板I上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板I上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构。基板I由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得，其中高分子材料可以采用聚四氟乙烯、Fr4或F4b等。
人造微结构2可以采用具有对电场响应的拓扑结构，如“工”字形、“十”字形或“H”形以及其衍生结构，图5所示实施例是“工”字形的人造微结构2的衍生，其人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。图6所示实施例则是图5的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图5的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的对电场响应的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。 同样，人造微结构2也可以采用具有对磁场响应的拓扑结构，如带有缺口的多边形或带有缺口的环形等。当然，对磁场响应的人造微结构2还有很多种，本文不再一一列举。图I所示的人造微结构是“T”形金属丝701和一边设置有开口的弯折金属丝702的叠加，其中“T”形金属701丝能够对电场产生响应，而弯折金属丝702能够对磁场产生相应，通过调整“T”形金属丝701和弯折金属丝702的尺寸和相对位置，可调节人造微结构2对入射电场和入射磁场的响应从而调节超材料整体的相对介电常数e和相对磁导率y，通过合理的设计可满足阻抗匹配特性和衰减匹配特性，实现良好的吸波效果。以上所述是本发明的具体实施方式
，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种宽频带吸波超材料，其特征在于，所述超材料由多个阻抗均匀的超材料片层沿垂直于所述片层表面方向堆叠形成且所述同一片层的等效介电常数e与等效磁导率y相等，每个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，电磁波通过该超材料时不同片层所附着的人造微结构与不同频段的电磁波产生电磁共振。
2.如权利要求I所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少 一根金属丝组成的平面结构或立体结构。
3.如权利要求2所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
4.如权利要求2或3所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。
5.如权利要求I所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述基板由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
6.根据权利要求I所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述人造微结构具有对电场响应的拓扑结构。
7.根据权利要求6所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“H”形。
8.根据权利要求7所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形的衍生结构、“十”字形的衍生结构。
9.根据权利要求I所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述人造微结构具有对磁场响应的拓扑结构。
10.根据权利要求9所述的宽频带吸波超材料，其特征在于，所述人造微结构为带有缺口的多边形或带有缺口的环形。
全文摘要
本发明实施例涉及一种宽频带吸波超材料，该超材料由多个阻抗均匀的超材料片层沿垂直于片层表面方向堆叠形成且每一片层的等效介电常数ε与等效磁导率μ相等，每个片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，电磁波通过该超材料时该不同片层所附着的人造微结构与不同频段的电磁波产生电磁共振。通过对人造微结构的合理设计可使不同的超材料片层吸收不同频段的电磁波且满足阻抗匹配特性。本发明的吸波超材料重量轻、厚度薄、吸收频带宽且吸收率较高。
文档编号H05K9/00GK102752995SQ20111009929
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者刘若鹏, 季春霖, 方能辉, 栾琳 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