一种吸波单元及吸波超表面的制作方法

1.本发明涉及吸波材料技术领域，特别涉及一种吸波单元及吸波超表面。


背景技术：

2.吸波体能够吸收入射到其表面的电磁波，其机理是抑制反射波的生成，并将入射的电磁波能量转换为内能耗散。
3.现有技术的吸波体虽然具有较好的吸波效果，但是适用的带宽范围较窄，应用范围受限。因此，目前亟待需要一种吸波单元及吸波超表面来解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种吸波单元及吸波超表面，能够在较宽的带宽范围内具有较高的吸波效果。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种吸波单元，包括：沿竖直方向依次叠放的第一层、第二层、第三层和第四层；其中，
6.所述第一层所在的一侧为电磁波入射的一侧，所述第一层的材质为聚氯乙烯，用于吸收部分入射的电磁波；
7.所述第二层靠近所述第一层的一面设置有带有缝隙的图案层，所述图案层用于使入射的电磁波产生谐振；
8.所述第三层的材质为聚氯乙烯，用于吸收部分入射的电磁波；
9.所述第四层远离所述第三层的一面设置有连续的地板层，所述地板层用于将剩余的电磁波反射出所述吸波单元。
10.在一种可能的设计中，所述第一层和所述第三层的厚度为2mm，介电常数为2.4c2/(n
·
m2)。
11.在一种可能的设计中，所述第二层和所述第四层的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
12.在一种可能的设计中，所述第二层和所述第四层的厚度为0.175mm。
13.在一种可能的设计中，所述图案层和所述地板层的材质为氧化铟锡。
14.在一种可能的设计中，所述图案层为梅花形图案。
15.在一种可能的设计中，所述图案层的方块电阻为60ω/sq。
16.在一种可能的设计中，所述地板层的方块电阻为15ω/sq。
17.在一种可能的设计中，所述吸波单元的尺寸为12mm
×
12mm
×
4.35mm。
18.第二方面，本技术实施例提供了一种吸波超表面，由上述任一种吸波单元拼接组成。
19.本技术实施例提供了一种吸波单元及吸波超表面，其中，吸波单元包括沿竖直方向依次叠放的第一层、第二层、第三层和第四层；第二层靠近第一层的一面涂覆有带有缝隙的图案层，由于图案层中的缝隙可以使入射的电磁波产生谐振，因此可以扩宽带宽，使该吸
波单元在较宽的带宽范围内具有较好的吸波效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明一实施例提供的一种吸波单元的侧视剖面图；
22.图2是本发明一实施例提供的梅花形图案示意图；
23.图3是本发明一实施例提供的一种吸波超表面的俯视图；
24.图4是本发明一实施例提供的测试样本的电磁波吸收特性曲线；
25.图5是本发明一实施例提供的测试样本的斜入射角稳定性曲线；
26.图6是本发明一实施例提供的测试样本的透光率曲线。
27.附图标记：
28.1-第一层；
29.2-第二层；
30.3-第三层；
31.4-第四层；
32.5-图案层；
33.6-地板层。
具体实施方式
34.以下结合附图及实施例，对本技术进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
35.在本技术实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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技术中的具体含义。
36.本说明书的描述中，需要理解的是，本技术实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本技术实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
37.如前所述，现有技术的吸波超表面适用的带宽范围较窄，因此，应用范围受限，针对这一问题，发明人提出可以在吸收单元第二层的上表面涂覆带有缝隙的图案层，通过图案层的缝隙使入射的电磁波产生谐振，从而扩宽带宽。
38.如图1所示，其为本技术实施例提供的吸波单元的侧视剖面图。从图中可以看出，
该吸波单元包括沿竖直方向依次叠放的第一层1、第二层2、第三层3和第四层4；其中，
39.第一层1所在的一侧为电磁波入射的一侧，第一层1的材质为聚氯乙烯pvc，用于吸收部分入射的电磁波；
40.第二层2靠近第一层1的一面涂覆有带有缝隙的图案层5，图案层5用于使入射的电磁波产生谐振；
41.第三层3的材质为聚氯乙烯pvc，用于吸收部分入射的电磁波；
42.第四层4远离第三层3的一面涂覆有连续的地板层6，地板层6用于将剩余的电磁波反射出该吸波单元。
43.本技术提供的吸波单元通过在第二层靠近第一层的一面涂覆带有缝隙的图案层，利用图案层中的缝隙使入射的电磁波产生谐振，从而可以扩宽带宽，使该吸波单元在较宽的带宽范围内具有较好的吸波效果。
44.在一些实施方式中，各层介质均使用光透明粘合剂(oca)粘接，从而保证透光率。
45.在一些实施方式中，第一层1和第三层3的厚度为2mm，介电常数为2.4c2/(n
·
m2)。
46.在该实施例中，通过优化第一层1和第三层3的介电常数，不仅可以提高该吸波单元的吸波率，也能起到扩宽带宽和改善电磁波入射角的作用，使电磁波入射角在0～45
°
的范围内均有较好的吸波效果。另外，第一层1和第三层3的厚度为2mm，在保证吸波效果的同时，还能保证该吸波单元的柔性以及透光率。
47.在一些实施方式中，第二层2和所述第四层4的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
48.在该实施例中，聚对苯二甲酸乙二醇酯pet和聚萘二甲酸乙二醇酯pen均为透光率高且折射率低的材料，使用这两种材料，不会影响人的视觉判断。由于聚对苯二甲酸乙二醇酯pet造价较低，因此，可以作为优选的材料，当然，用户也可以选择其它高透光率、低折射率的材料，本技术不对材料做具体限定。
49.此外，在一些实施方式中，第二层2和第四层4的厚度为0.175mm。这是因为若这两层厚度太大，则透光率变差，若厚度太薄，则不利于涂覆图案层5和地板层6。另外，由于第二层2的厚度较小，不能满足传输相位条件，因此，本技术将第二层2和第四层4中的两种材料堆叠，共同组成介质层。
50.在一些实施方式中，图案层5和地板层6的材质为氧化铟锡，这是由于氧化铟锡具有较好的透光性和导电性。在一些实施方式中，可以使用磁控溅射的方式将氧化铟锡涂覆在第二层2和第四层4上。
51.此外，通过宽带电磁损耗分析可知，图案层5的方块电阻越大，电磁吸收效果越好，但由于氧化铟锡的方块电阻与透光率呈拮抗关系，因此透光率会变差，而透光率主要与溅射厚度有关，因此，可以通过仿真的方法，多次进行参数扫描优化，以使图案层5的电磁损耗能力与透光能力达到平衡。
52.在一些实施方式中，图案层5的方块电阻为60ω/sq，在该电阻下，吸波单元的电磁损耗效果最好，电磁波吸收率高于90％，且氧化铟锡的溅射厚度较低，在可见光波段的透光率较高。另外，由于图案层5具有较高的吸波率，因此可以降低第一层1和第三层2的厚度，如此可以降低整个吸波单元的剖面高度，并进一步提高透光率和柔性，增加吸波单元的适用范围，例如异形玻璃、太阳能电池板和透明rf识别系统等。
53.在一些实施方式中，地板层6的方块电阻为15ω/sq。这是由于本吸波单元为发射型，在该电阻下，地板层6能够将未被吸收的电磁波反射至吸波单元之外的自由空间。
54.如图2所示，在一些实施方式中，将氧化铟锡涂覆于第二层2之后，可以使用激光刻蚀的方法将图案层5刻蚀为梅花形图案。梅花形图案中的缝隙结构可以增加吸波单元的等效电容值，实现吸波单元与自由空间的阻抗匹配，使入射电磁波产生多谐振，最大限度的扩宽带宽。
55.在一些实施方式中，吸波单元的尺寸为12mm
×
12mm
×
4.35mm。优选地，如图2所示，梅花形图案的几何参数为：单元周期p＝12mm，外侧臂长度l1＝11mm，外侧突起部分长度l2＝3mm，梅花形图案的宽度w1＝6.6mm，外侧突起部分宽度w2＝1.2mm，外侧臂宽度为d＝0.6mm。使用该梅花形图案后，本技术可以在7.88-33.53ghz的工作频段内实现90％以上的吸波率，斜入射角度在45
°
时仍能保证80％以上的吸波率。
56.如图3所示，其为本技术实施例提供的吸波超表面示意图，该吸波超表面由上述任一实施例提供的吸波单元拼接组成，具有该吸波单元的全部特性，本实施例不再一一赘述。
57.为了验证该吸波单元具有较高的电磁波吸收率和斜入射角稳定性，发明人以尺寸为300mm
×
300mm
×
4.35mm的吸波超表面为测试样本，通过“拱形架+宽带双喇叭天线”测试系统对测试样本的电磁波吸收特性和斜入射角稳定性进行了验证。
58.如图4所示，其为测试样本的电磁波吸收特性曲线，从图中可以看出，测试样本在7.88～33.53ghz的工作频段内具有90％以上的吸波率。
59.如图5所示，其为测试样本的斜入射角稳定性曲线，从图中可以看出，本技术提出的吸波单元在斜入射角度为0～45
°
的范围内，电磁波吸收率均保持在90％以上，即测试样本有较好的入射角稳定性。
60.此外，发明人通过型号为perkin&elmer lambda-950 uv/vis的分光计对测试样本进行了透光率测试，测试结果如图6所示，从图中可以看出，在可见光波段(380nm～780nm)的范围内，测试样本的平均透光率约为69.7％，即测试样本有较好的透光率。
61.综上，由于测试样本是由吸波单元拼接组成，因此根据测试样本的测试结果可以确定：本技术提供的吸波单元和吸波超表面在7.88～33.53ghz的工作频段内具有90％以上的吸波率、在0～45
°
的范围内具有较好的入射角稳定性(即吸波率大于90％)以及平均透光率约为69.7％。
62.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
63.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。