[發(fā)明專利]一種基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的寬頻吸波材料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410024029.3
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103715513A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董小春;王銳;余金清;杜春雷;鄧啟凌;高洪濤;袁桂山;史立方
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: H01Q17/00
• 分類號: H01Q17/00;H05K9/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波吸波材料設(shè)計領(lǐng)域，具體講是一種基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的新型吸波材料設(shè)計。

背景技術(shù)

如今人們對電磁波的開發(fā)利用越來越廣泛，衛(wèi)星通信、雷達探測、移動無線等都以電磁波為媒介進行信號和能量的傳輸。然而電磁輻射也有其負面的影響，例如由于電磁波的干擾會影響通信質(zhì)量，惡化儀器、電路的工作性能；電磁輻射會傷害人體的健康，影響環(huán)境等，這都需要對其進行屏蔽、吸收等適當(dāng)處理。另外在國防軍事領(lǐng)域，作為提高武器系統(tǒng)生存能力和突防能力，避免被敵方發(fā)現(xiàn)、識別和攻擊的雷達隱身技術(shù)，變得日益重要，受到各國的高度重視，不具備隱身能力的武器裝備和指揮系統(tǒng)將會慢慢失去戰(zhàn)斗能力，而實現(xiàn)雷達隱身的重要方式之一就是物體表面覆蓋吸波材料。

針對以上電磁抗干擾、電磁屏蔽、電磁兼容和雷達隱身等方面，人們設(shè)計了各式各樣的吸波材料，吸波材料已成為是現(xiàn)代材料學(xué)研究的重要分支。傳統(tǒng)吸波材料有碳纖維、羥基鐵、鈦酸鋇陶瓷等，每種材料有其獨特的吸波性能，但存在吸波頻段窄、質(zhì)量大、密度高、較厚等缺點，而電磁兼容和雷達隱身尤其是后者為了發(fā)揮高效的作用則要求吸波材料具有“寬波段、強吸收、薄厚度、輕重量”的綜合特征。

人工電磁結(jié)構(gòu)材料，是一種具有天然媒質(zhì)所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或媒質(zhì)，通常由遠小于波長的周期性單元金屬結(jié)構(gòu)組成，可以通過對周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計來調(diào)節(jié)等效電磁參數(shù)（磁導(dǎo)率、介電常數(shù)），進而調(diào)節(jié)與入射電磁波的相互作用。基于人工電磁結(jié)構(gòu)材料的思想和理論，在可見光波段甚至微波波段引入亞波長金屬結(jié)構(gòu)的“完美吸收”吸波材料的相關(guān)研究結(jié)果已陸續(xù)報道，表明了基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的新型吸波材料的應(yīng)用潛力。然而，“完美吸收”是一種強諧振單頻吸收，雖然達到強吸收效果，但吸波頻段極窄，在實際應(yīng)用上十分受限。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服傳統(tǒng)吸波材料質(zhì)量大、吸收弱和“完美吸收”吸波頻段窄等缺陷，本發(fā)明提出了一種基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的新型吸波材料。利用亞波長金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的高效局域特性和電磁能量調(diào)制特性，將入射電磁波能量限制和局域于吸波材料內(nèi)部，有效延長電磁波與吸波材料的作用時間和作用距離，在較薄的吸波材料層中即可獲得較強的吸波效果；并通過二層不同形狀的金屬結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)薄片吸波材料組合達到了多諧振、寬頻段的強吸波效果，并具有較薄、較輕的優(yōu)點。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的寬頻吸波材料，其自上而下分別由第一基材、第二基材和第三基材組成，所述第一基材上表面覆有周期性排列的矩形金屬結(jié)構(gòu)，所述第二基材屬于傳統(tǒng)吸波材料，所述第三基材上表面覆有周期性排列的“回”字形金屬結(jié)構(gòu)；所述第一基材上的每四個矩形金屬結(jié)構(gòu)與所述第三基材上的一個“回”字形金屬結(jié)構(gòu)組成一個周期單元，之間隔有所述的第二基材。

進一步的，所述第一基材與所述第三基材都是FR-4材料，介電常數(shù)為4.0至4.5。

進一步的，所述第一基材厚度為0.127mm，所述第三基材厚度為0.4mm至0.8mm。

進一步的，所述第二基材是一種非鐵磁性傳統(tǒng)吸波材料，磁導(dǎo)率為1，介電常數(shù)為2.6至3.2，損耗正切為0.3至0.5，厚度為2.4mm至2.7mm。

進一步的，所述第一基材上表面覆有的金屬結(jié)構(gòu)中每四塊矩形與所述第三基材上表面覆有的金屬結(jié)構(gòu)中的一個“回”字形組成一個周期單元，單元周期長度為6mm至8mm。

進一步的，一個周期單元中，四個矩形完全一樣，且長寬相等，分別排列在周期單元的四角，邊長為2.1mm至2.3mm。

進一步的，一個周期單元中，“回”字形由兩個同心矩形框構(gòu)成，兩個矩形框的線寬相等，為0.5mm至0.75mm，外框邊長等于單元周期長度，內(nèi)框邊長為4.5mm至4.9mm。

進一步的，所述周期性單元中矩形結(jié)構(gòu)的和“回”字形結(jié)構(gòu)的參數(shù)可根據(jù)所需的吸波頻段進行小范圍調(diào)節(jié)。

進一步的，所述金屬結(jié)構(gòu)的厚度為0.017mm至0.035mm，材料為銅、銀或鋁。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

（1）、本發(fā)明在傳統(tǒng)吸波材料的基礎(chǔ)上利用亞波長金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的調(diào)控機制設(shè)計新型吸波材料，可有效局域入射電磁波，增強吸波材料對電磁波的損耗作用，達到較強吸收的效果。

（2）、本發(fā)明通過引入兩層不同形狀的周期性亞波長金屬結(jié)構(gòu)顯著地增加了吸波帶寬，可在雷達波段滿足較寬頻帶的吸波需求。

（3）、本發(fā)明采用基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的新設(shè)計，較一般傳統(tǒng)吸波材料更輕、更薄，制作簡單，成本低廉。

附圖說明