CN103582401A - 宽频吸波超材料、电子设备以及获得宽频吸波超材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频吸波超材料，所述超材料包括至少两层基本单元层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。本发明还公开了一种电子设备以及一种获得宽频吸波超材料的方法。通过上述方式，本发明能够使吸波超材料在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种宽频吸波超材料、电子设备以及获得宽频吸波超材料的方法。
背景技术
随着科学技术发展的日新月异，以电磁波为媒介的技术、各种产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如，无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞；移动电话可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；即使是普通的计算机，也会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和重现，造成国防、政治、经济、科技等方面情报的泄漏。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。
吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料，其在包括军事以及其它方面也有广泛的应用，比如隐形机、隐形衣等。材料吸收电磁波的基本条件是：（1）电磁波入射到材料上时，它能最大限度地进入材料内部，即要求材料具有匹配特性；（2）进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即衰减特性。实现第一个条件的方法之一是采用特殊的边界条件，如在高电导、高磁导吸波材料的表面涂敷电导、磁导接近空气电导、磁导的介质，使电磁波最大限度地入射；实现第二个条件要求材料具有高的电磁损耗性。
现有的吸波超材料对特定频率的电磁波的吸收效果已经有了较大的进步，但是通常吸收的电磁波的频段非常窄。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种宽频吸波超材料、电子设备以及获得宽频吸波超材料的方法，能够使吸波超材料在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种宽频吸波超材料，包括至少两层基本单元层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。
其中，所述基本单元层的微结构的形状是圆环形。
其中，所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小进行从外层到内层方向层叠排列的。
其中，所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。
其中，所述超材料包括四层基本单元层，第一层基本单元层包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多个第一微结构，所述第一微结构为圆形微结构；第二层基本单元层包括第二基材以及周期排布于第二基材上的多个第二微结构，所述第二微结构包括第一圆形微结构以及半径大于第一圆形微结构半径且与第一圆形微结构同心设置的第二圆形微结构；第三层基本单元层包括第三基材以及周期排布于第三基材上的多个第三微结构，所述第三微结构包括第三圆形微结构、第四圆形微结构、第五圆形微结构，所述第三圆形微结构、第四圆形微结构、第五圆形微结构半径依次增大且同心、等间距设置；第四层基本单元层包括第四基材以及周期排布于第四基材上的多个第四微结构，所述第四微结构包括第六圆形微结构、第七圆形微结构、第八圆形微结构以及第九圆形微结构，所述第六圆形微结构、第七圆形微结构、第八圆形微结构、第九圆形微结构半径依次增大且同心、等间距设置
其中，所述第二层基本单元层上第二圆形微结构与第一圆形微结构的间距为第一间距；所述第三层基本单元层上第三圆形微结构与第四圆形微结构，第四圆形微结构与第五圆形微结构之间的间距均为第一间距；所述第四层基本单元层上第六圆形微结构与第七圆形微结构，第七圆形微结构与第八圆形微结构以及第八圆形微结构与第九圆形微结构之间的间距均为第一间距。
其中，所述第一至第九圆形微结构均为金属微结构。
其中，所述第一基材、第二基材、第三基材与第四基材材质相同，均为FR-4材料、F4B材料、聚苯乙烯PS材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种电子设备，包括外壳，所述外壳上设置有宽频吸波超材料，所述超材料包括至少两层基本单元层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。
为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种获得宽频吸波超材料的方法，包括：提供至少两层基本单元层层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同；将所述至少两层基本单元层进行层叠而组成超材料。。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明至少两层基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。这种多层微结构层组成的吸波超材料，能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。
附图说明
图1是本发明中构成超材料的基本单元的立体结构示意图；
图2是本发明一种宽频吸波超材料的一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的的结构示意图；
图3是本发明一种宽频吸波超材料的另一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的的结构示意图；
图4是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的的结构示意图；
图5是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的的结构示意图；
图6是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中第一层的微结构的结构示意图；
图7是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中第二层的微结构的结构示意图；
图8是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中第三层的微结构的结构示意图；
图9是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中第四层的微结构的结构示意图；
图10是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中超材料的仿真测试示意图；
图11是本发明一种电子设备的一实施例的结构示意图；
图12是本发明一种获得宽频吸波超材料的方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同，从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。
如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。在本发明中，人造微结构为人造金属微结构，其具有对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸，可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列，可使超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应，因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波五分之一波长，优选为入射电磁波十分之一波长。本段描述中，将超材料整体划分为多个超材料基本单元是一种人为的划分方法，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。
图2是本发明一种宽频吸波超材料的一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的结构示意图，图3是本发明一种宽频吸波超材料的另一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的结构示意图，根据实际情况，所述超材料基本单元层有两层、三层、…或N层，至少包括两层，如图2所示，所述超材料基本单元层有两层201以及202，如图3所示，所述超材料基本单元层有4层301、302、303以及304。每层超材料均包括基材以及周期排布于基材上的多个微结构。每层超材料上的微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不同。各层超材料的基材材质可选取FR-4材料、F4B材料、PS材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。优选地，各层超材料的基材材质选取对电磁波损耗较大的材料以加强本发明吸波超材料的吸波效果。不同基本单元层的超材料的微结构各不相同，每层超材料基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段。
不同基本单元层的微结构各不相同，从而每一层的微结构所起的作用也不同，而层与层之间的微结构又会产生相互影响，综合各层的效应从而达到宽频吸波的效果。
图4是本发明一种宽频吸波超材料的又一实施例中构成宽频吸波超材料基本单元的的结构示意图，如图4所示，超材料基本单元层包括401、402、403以及404，对应的微结构分别是41、42、43以及44，所述微结构的形状可以是十字形、工字形、平面雪花形、圆形，环形、圆环形或者其它立体拓扑结构的形状，在图4中以十字形为例进行说明，超材料微结构41的尺寸小于超材料微结构42的尺寸，超材料微结构42的尺寸小于超材料微结构43的尺寸，超材料微结构43的尺寸小于超材料微结构44的尺寸。在进行超材料基本单元层的排列时按照由外向内依次层叠包括微结构41、微结构42、微结构43以及微结构44的基本单元层；或者如图5所示，在进行超材料基本单元层的排列时也可以按照有外向内依次层叠包括微结构54、微结构53、微结构52以及微结构51的基本单元层。
如前所述，在本发明一优选实施例中，在进行超材料基本单元层的排列时是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的，如图4所示。
在本实施例中，仅列举了四层基本单元层，在实际情况中，并不限于四层；另外按照基本单元层的微结构的尺寸由外向内依次层叠可以由大到小、由小到大，或者先由大到小再由小到大，只要能满足需要的吸波要求，可以按照微结构的尺寸进行组合，在此不进行一一赘述。
在本发明一优选实施例中，所述基本单元层的微结构的形状是圆形，本发明中一种宽频吸波超材料采用了4层包括各不相同的微结构的基本单元层，每一层的微结构分别如图6、图7、图8、图9所示，先参阅图6，第一基本单元层由第一基材801和周期排布于第一基材801上的多个第一微结构802构成，所述微结构802为圆形微结构，半径为第一半径r0，且圆形的微结构802具有第一线宽。参阅图7，第二基本单元层由第二基材901和第二微结构902构成，其中，所述第二微结构902包括半径为r1的第一圆形微结构以及与第一圆形微结构同心的半径为r2的第二圆形微结构，r2>r1>r0，第二圆形微结构的线宽等于第一圆形微结构线宽，第二圆形微结构与第一圆形微结构具有第一间距。参阅图8，第三基本单元层由第三基材1001和第三微结构1002构成，其中，所述第三微结构1002包括半径为r3的第三圆形微结构、半径为r4的第四圆形微结构以及半径为r5的第五圆形微结构，第三圆形微结构、第四圆形微结构和第五圆形微结构同心且等间距设置，间距均为第一间距，且r5>r4>r3>r2>r1>r0。参阅图9，第四基本单元层由第四基材1101和第四微结构1102构成，其中，所述第四微结构1102包括半径为r6的第六圆形微结构、半径为r7的第七圆形微结构、半径为r8的第八圆形微结构以及半径为r9的第九圆形微结构，第六圆形微结构、第七圆形微结构、第八圆形微结构以及第九圆形微结构同心且等间距设置，间距均为第一间距，且r9>r8>r7>r6>r5>r4>r3>r2>r1>r0。将这4层基本单元层由外向内层叠组成超材料，对此超材料进行仿真测试。如图10所示，横坐标表示电磁波的频率，纵坐标表示s11参数dB值，在高频5-15GHz范围内具有吸波性能，在6.71-13.21GHz范围内，s11参数dB值为-5dB，测试结果表明，和单层基本单元层相比，本多层基本单元层的超材料可以显著提高吸波带宽。
区别于现有技术的情况，本发明至少两层基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。这种多层微结构层组成的吸波超材料，能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。
图11是本发明一种电子设备的一实施例的结构示意图，如图11所示，包括外壳，电子设备1301的外壳上设置有宽频吸波超材料1302，所述超材料1302包括至少两层基本单元层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。
根据实际情况，所述电子设备的超材料基本单元层有两层、三层、…或N层，至少包括两层，每层的超材料基本单元层的微结构各不相同，每层超材料基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段。
不同基本单元层的微结构各不相同，从而每一层的微结构所起的作用也不同，而层与层之间的微结构又会产生相互影响，综合各层的效应从而达到宽频吸波的效果。
其中，所述基本单元层的微结构的形状是圆环形。
其中，所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小进行从外层到内层方向层叠排列的。
其中，所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。
其中，所述至少两层基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构周期排布于所述基材上的周期性的大小进行从外层到内层方向层叠排列的。
其中，所述至少两层基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构周期排布于所述基材上的周期性的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。
区别于现有技术的情况，本发明至少两层基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。这种多层微结构层组成的吸波超材料，能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。
图12是本发明一种获得宽频吸波超材料的方法的一实施例的流程图，如图12所示，包括：
步骤S101：提供至少两层基本单元层层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同；
步骤S102：将所述至少两层基本单元层进行层叠而组成超材料。
不同层的微结构各不相同，从而每一层的微结构所起的作用也不同，而层与层之间的微结构又会产生相互影响，综合各层的效应从而达到宽频吸波的效果。
区别于现有技术的情况，本发明至少两层基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。这种多层微结构层组成的吸波超材料，能够在对电磁波有较好的吸收效果的基础上，显著提高吸波的带宽。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种宽频吸波超材料，其特征在于：所述超材料包括至少两层基本单元层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。
2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：所述基本单元层的微结构的形状是圆环形。
3.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小进行从外层到内层方向层叠排列的。
4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于：所述至少两层超材料基本单元层是按照每层所述基本单元层的微结构的尺寸的大小由小到大进行从外层到内层方向层叠排列的。
5.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：所述超材料包括四层基本单元层，第一层基本单元层包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多个第一微结构，所述第一微结构为圆形微结构；第二层基本单元层包括第二基材以及周期排布于第二基材上的多个第二微结构，所述第二微结构包括第一圆形微结构以及半径大于第一圆形微结构半径且与第一圆形微结构同心设置的第二圆形微结构；第三层基本单元层包括第三基材以及周期排布于第三基材上的多个第三微结构，所述第三微结构包括第三圆形微结构、第四圆形微结构、第五圆形微结构，所述第三圆形微结构、第四圆形微结构、第五圆形微结构半径依次增大且同心、等间距设置；第四层基本单元层包括第四基材以及周期排布于第四基材上的多个第四微结构，所述第四微结构包括第六圆形微结构、第七圆形微结构、第八圆形微结构以及第九圆形微结构，所述第六圆形微结构、第七圆形微结构、第八圆形微结构、第九圆形微结构半径依次增大且同心、等间距设置。
6.根据权利要求5所述的吸波超材料，其特征在于：所述第二层基本单元层上第二圆形微结构与第一圆形微结构的间距为第一间距；所述第三层基本单元层上第三圆形微结构与第四圆形微结构，第四圆形微结构与第五圆形微结构之间的间距均为第一间距；所述第四层基本单元层上第六圆形微结构与第七圆形微结构，第七圆形微结构与第八圆形微结构以及第八圆形微结构与第九圆形微结构之间的间距均为第一间距。
7.根据权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于：所述第一至第九圆形微结构均为金属微结构。
8.根据权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于：所述第一基材、第二基材、第三基材与第四基材材质相同，均为FR-4材料、F4B材料、聚苯乙烯PS材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
9.一种电子设备，包括外壳，其特征在于：所述外壳上设置有宽频吸波超材料，所述超材料包括至少两层基本单元层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同。
10.一种获得宽频吸波超材料的方法，其特征在于：所述方法包括：
提供至少两层基本单元层层，每层所述基本单元层包括基材以及周期排布于所述基材上的多个微结构，每层所述基本单元层分别对应吸收电磁波的一个预定频点或者预定频段，其中，所述每层基本单元层上的所述多个微结构的拓扑形状和尺寸相同，不同基本单元层上的微结构的拓扑形状和/或尺寸不相同；
将所述至少两层基本单元层进行层叠而组成超材料。
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