阅读说明：本技术 一种错位型立体式超材料透明吸波体 (Dislocation type three-dimensional metamaterial transparent wave absorber ) 是由 齐聪慧 杨伟 郭奕 董秀成 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种错位型立体式超材料透明吸波体,若干结构单元在二维上呈周期性连续分布,每个结构单元包括上层结构和下层结构,上层结构包括错位排列成两排的中空柱体单元,第一排包括存在间隙排布的、两个完整的中空柱体单元,第二排包括依次排布的中空柱体单元的右半侧结构、一个完整的中空柱体单元和中空柱体单元的左半侧结构,三者存在一定间隙排布；下层结构包括基板层和背板层；中空柱体结构的侧壁作为支撑层、其内侧用于附着导电薄膜层；结构单元采用透明材料制成。本发明通过能与空间电磁波产生多谐振的二维立体式中空柱体单元排布结构,使吸波体具有宽频带吸波的特性,从而解决目前的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题。(The invention discloses a dislocation type three-dimensional metamaterial transparent wave absorber, wherein a plurality of structural units are periodically and continuously distributed in two dimensions, each structural unit comprises an upper layer structure and a lower layer structure, the upper layer structure comprises hollow cylinder units which are arranged in two rows in a dislocation way, the first row comprises two complete hollow cylinder units which are arranged in a clearance way, the second row comprises a right half structure of the hollow cylinder units, one complete hollow cylinder unit and a left half structure of the hollow cylinder units which are arranged in sequence, and the three structures are arranged in a certain clearance way; the lower layer structure comprises a substrate layer and a back plate layer; the side wall of the hollow column structure is used as a supporting layer, and the inner side of the hollow column structure is used for attaching a conductive film layer; the structural unit is made of transparent materials. According to the invention, through the two-dimensional three-dimensional hollow cylinder unit arrangement structure capable of generating multiple resonances with spatial electromagnetic waves, the wave absorber has the characteristic of broadband wave absorption, so that the problem that the existing wave absorber cannot take broadband wave absorption and high visible light transmittance into consideration is solved.)

一种错位型立体式超材料透明吸波体

技术领域

本发明涉及电磁超材料技术领域，具体涉及一种错位型立体式超材料透明吸波体。

背景技术

吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料，超材料吸波体因其所特有的完美吸收特性，在电磁兼容等领域取得了非常广泛的应用。一些特殊的电子电气设备既要求对电磁波具有吸收能力、又要对可见光具有相应的透光能力，但是传统的吸波体无法兼具吸波和透明两种性能，如专利CN105101764A提供的一种立体单元宽带周期吸波结构，均无法同时兼顾宽带吸波与高可见光透过率。随着科学技术的发展，在微波领域的电磁吸波材料研究中，急需开发满足“薄、轻、宽、强”的性能、同时满足在可见光范围具有高透光率的吸波材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：常规的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题，本发明提供了解决上述问题的一种错位型立体式超材料透明吸波体，尤其适用于对电磁波有特定吸收屏蔽要求的可视化视窗部件中。

本发明通过下述技术方案实现：

一种错位型立体式超材料透明吸波体，包括若干结构单元，若干结构单元在二维上呈周期性连续分布，每个结构单元包括上层结构和下层结构，所述上层结构包括错位排列成两排的中空柱体单元，第一排包括存在间隙排布的、两个完整的中空柱体单元，第二排包括依次排布的中空柱体单元的右半侧结构、一个完整的中空柱体单元和中空柱体单元的左半侧结构，三者存在一定间隙排布；

所述下层结构包括基板层和背板层，背板层附着在基板层的外侧，中空柱体单元固定在基板层内侧；

所述中空柱体单元呈旋转对称性的正N边形中空柱体结构，其中N为偶数，且N≥4；所述中空柱体结构的侧壁作为支撑层、其内侧用于附着导电薄膜层；

所述结构单元采用透明材料制成。

进一步地，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元。

进一步地，若干结构单元呈矩形阵列分布；且其中一个结构单元上的中空柱体单元的右半侧结构与位于同一直线上相邻接的中空柱体单元的左半侧结构拼合成一个完整的中空柱体单元。

进一步地，所述中空柱体单元轴向与基板层板面的夹角为90°，且所述中空柱体结构采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

进一步地，同一平面内的相邻中空柱体单元之间隙为S，且满足0.3λ≥S≥0.1λ，所述λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，所述结构单元的尺寸p≥2λ，所述λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，所述中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸L为：1.2λ≥L≥0.6λ；中空柱体单元高度h为1.5λ≥h≥0.6λ，所述λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，所述支撑层的厚度为：0.06λ≥w≥0.02λ，导电薄膜层的厚度为g₀＝0.001λ，所述λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，所述背板层的厚度为：g₁＝0.005λ；所述基板层的厚度为d＝0.01λ，所述λ是指吸波频段的最短波长λ_min。

进一步地，所述基板层和支撑层采用透明无机材料；所述背板层和导电薄膜层采用透明导电薄膜，透明导电薄膜形状采用连续导电膜，且其电导率为10²S/m～10⁵S/m。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过能与空间电磁波产生多谐振的二维立体式中空柱体单元排布结构，使得吸波体具有宽频带吸波的特性，从而解决目前的吸波体无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率的问题。不同于传统吸波材料(电损耗、磁损耗、介电损耗型材料)的吸波特性，本发明不仅具备良好的电磁吸收特性，同时还具备良好的透光率特性；吸波体在2.9GHz～28.8GHz频段内吸收率在90％以上，吸波体的透光率测试可以看出在波长430nm～800nm范围内其透光率达80％以上；

2、本发明提供的吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能、以及具有极化不敏感的吸波特性。如在xoy平面为例，电磁波以不同的极化角度入射，即电磁波的电场极化方向与x轴或y轴夹角在不同角度的情况下入射时，吸波体的吸收特性基本不变。即，该吸波体具有极化不敏感的吸波特性；本发明提供的吸波体整体为一种具有纵深高度的中空柱体，以yoz平面为例，波的传播方向与z轴的夹角在0～55°的情况下入射时，吸波体对电磁波的吸收曲线基本一致，即，该吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能；

3、本发明提供的吸波体，整体呈现处的交错阵列相比于平行阵列排布的吸波体而言能够减小各结构单元之间的耦合电感电容，又能够增大中空柱体单元的有效尺寸，从而降低低频谐振频点，拓展了低频吸收特性，最低在2.9GHz处有超过90％的吸收率；且本发明提供的立体式吸波整体设计保证了吸波体既能兼顾物理结构稳定性、外观美观性、和质量轻，又能通过立体单元结构侧面电阻膜对入射电磁波的吸收，可以有效消除对应单层吸波结构易产生全反射的缺陷，改善中频的吸波特性，有多个谐振峰，使得吸波体在中高频带具有良好的强吸波特性。

综上所述，本发明提供的错位型立体式吸波体解决了“无法兼顾宽带吸波与高可见光透过率”的问题，特别适用于对电磁波有特定吸收屏蔽要求的可视化视窗部件中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的错位型立体式吸波体周期阵列模型；

图2为本发明的吸波体的一个结构单元示意图；

图3为本发明的错位型立体式吸波体的吸波曲线；

图4为本发明的错位型立体式吸波体的透光率曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：1-结构单元，11-中空柱体单元，111-支撑层，112-导电薄膜层，12-基板层，13-背板层。

附图中参数定义：

其中p定义为结构单元的尺寸；

其中L定义为中空柱体单元在电场极化方向的最大尺寸；

其中h定义为中空柱体单元的高度；

其中s定义同一平面内的相邻中空柱体单元之间的间隙；

其中w定义为支撑层的厚度；

其中d定义为基板层的厚度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种错位型立体式超材料透明吸波体，包括多个结构单元1，多个结构单元1在二维上呈周期性连续分布。每个结构单元1包括上层结构和下层结构，所述上层结构包括错位排列成两排的中空柱体单元11，第一排包括存在间隙排布的、两个完整的中空柱体单元11，第二排包括依次排布的中空柱体单元11的右半侧结构、一个完整的中空柱体单元11和中空柱体单元11的左半侧结构，三者存在一定间隙排布；下层结构包括基板层12和背板层13，背板层13附着在基板层12的外侧，中空柱体单元11固定在基板层12内侧。

中空柱体单元11呈旋转对称性的正N边形中空柱体结构，其中N为偶数，且N≥4；所述中空柱体结构的侧壁作为支撑层111、其内侧用于附着导电薄膜层112；结构单元1采用透明材料制成。

实施例2

本实施例提供了一种错位型立体式超材料透明吸波体，在实施例1的基础上进一步改进，所述吸波体在两个维度方向上均连续分布设置20个以上的结构单元1。多个结构单元呈矩形阵列分布，且其中一个结构单元1上的中空柱体单元11的右半侧结构与位于同一直线上相邻接的中空柱体单元11的左半侧结构拼合成一个完整的中空柱体单元11。其中，中空柱体单元11轴向与基板层12板面的夹角为90°，且中空柱体结构优先采用立方体、蜂窝棱柱或圆柱结构。

对于结构单元：同一平面内的相邻中空柱体单元11之间隙为S，且满足0.3λ≥S≥0.1λ；结构单元1的尺寸p≥2λ；背板层13的厚度为：g₁＝0.005λ；基板层12的厚度为d＝0.01λ。

对于中空柱体单元：中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸L为：1.2λ≥L≥0.6λ；中空柱体单元11高度h为1.5λ≥h≥0.6λ；支撑层111的厚度为：0.06λ≥w≥0.02λ，导电薄膜层112的厚度为g₀＝0.001λ。

研究的典型的L\S\C\X\Ku波段设定吸波频段：f_min～f_max，对应电磁波长：λ_min～λ_max，为更好的研究吸波体物理尺寸与各种谐振波长的内在联系，一般地，按照在雷达频段内最短的电磁波长来定义设计吸波体。因此，本发明中所提到的λ一般都指最短波长λ_min。

基板层12和支撑层111选择为同种基体材料，均采用透明无机材料，如普通玻璃、石英玻璃、无机玻璃、塑料等典型无机材料。背板层13和导电薄膜层112采用透明导电薄膜，一般刻蚀为片状、环状等其他花纹的薄膜形状，其中连续导电膜为最佳，其电导率为10²S/m～10⁵S/m。

实施例3

本实施例提供了一种错位型立体式超材料透明吸波体，在实施例2的基础上进一步改进，

本案例最短波长λ为10mm，其中：

结构单元1的尺寸p＝2.4λ，

同一平面内的相邻中空柱体单元11之间隙为S＝0.278λ，

背板层13的厚度g₁＝0.005λ，

基板层12的厚度d＝0.01λ，

中空柱体单元11在电场极化方向的最大尺寸L＝1.01λ，

中空柱体单元11高度h＝1.1λ，

支撑层111的厚度为w＝0.04λ，

导电薄膜层112的厚度为g₀＝0.001λ。

其中背板层13和导电薄膜层112均采用ITO阻抗薄膜，其电导率为10³S/m，其中支撑层111和基板层12均采用为无机玻璃，其相对介电常数ε＝3*(1-j0.03)。

将实施例3提供的吸波体进行性能测试，测试结果如下：

1、宽带吸波和高透光率性能

(1)宽吸波频段：

从吸波体曲线图3可以看出，实施例3提供的吸波体在2.9GHz～28.8GHz频段内吸收率A在90％以上；且实施例3提供的吸波体在中高频有多个谐振峰，使得吸波体在中高频带具有良好的强吸波特性。

A＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²

其中S₁₁为反射系数，S₂₁为端口1到端口2的透射系数。

(2)可见光透光率：

从吸波体的透光率曲线图4，可以看出在波长430nm～800nm范围内，实施例3提供的吸波体的透光率达80％以上，具有良好的可见光透过率。

2、极化不敏感性与来波宽角度入射的吸波性能

本发明提供的中空柱体单元设计可以保障吸波体在感兴趣的频段内实现具有良好的极化不敏感性与来波宽角度入射的吸波性能。

(1)在xoy平面为例，电磁波以不同的极化角度入射，即电磁波的电场极化方向与x轴或y轴夹角在不同角度的情况下入射时，吸波体的吸收特性基本不变。即，该吸波体具有极化不敏感的吸波特性。如实施例3提供的吸波体，在2.9GHz～28.8GHz的频率范围内，吸波体对横电波和横磁波的吸收率均可达到90％以上。

(2)本发明提供的吸波体整体为一种具有纵深高度的中空柱体，以yoz平面为例，波的传播方向与z轴的夹角在0～55°的情况下入射时，吸波体对电磁波的吸收曲线基本一致，即，该吸波体具有来波宽角度入射的吸波性能。如实施例3提供的吸波体，在0°是的吸波带宽为25.9GHz；在55°时，吸波带宽还可达到25.9GHz，且在吸波带宽内，仍然保持90％以上的吸收率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。