CN102903397B - 一种宽频吸波的人工电磁材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽频吸波的人工电磁材料，包括至少一个材料片层，所述材料片层包括基板和附着在基板表面上的多个人造微结构，所述人造微结构包括至少三个依次包围嵌套的开口环结构，每个开口环结构由一根两端靠近而形成开口的导电材料制成的丝线构成，所述人造微结构位于所述基板的正面，所述基板的背面附着有金属箔。由于基板正面设置多个开口环结构构成的人造微结构，且背面附着有金属箔，电磁波经人造微结构后被金属箔反射再次进入基板，使得能量被多次吸收，因此能够实现宽频吸波，吸波效率高。
Description
技术领域
本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及一种宽频吸波的人工电磁材料。
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。
吸波材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸波的目的。吸波材料有结构型和涂覆型，前者主要是尖劈形、泡沫形、平板形等，后者由粘结剂、吸收剂复合而成，吸波的能力主要与吸收剂种类有关。但是每种吸波材料具有固定的吸波频段，无法自由改变吸波频段。
新型的合成材料——人工电磁材料(metamaterial)由于具有可根据不同工作频段自由设计的特点，而成为吸波材料的研究新方向。
人工电磁材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，如图1所示，由基板和附着在基板上的周期性排布的多个人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形如“工”字形的结构，因此能够对电磁波产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基板的电磁特性。通过设计特殊的人造微结构，就可以得到能够宽频吸波的材料，且改变人造微结构的尺寸和形状，就能改变其吸波频段。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的吸波材料吸波频段固定的缺陷，提供一种吸波频段可设计的宽频吸波的人工电磁材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽频吸波的人工电磁材料，包括至少一个材料片层，所述材料片层包括基板和附着在基板表面上的多个人造微结构，所述人造微结构包括至少三个依次包围嵌套的开口环结构，每个开口环结构由一根两端靠近而形成开口的导电材料制成的丝线构成，所述人造微结构位于所述基板的正面，所述基板的背面附着有金属箔。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，所述基板包括多个相同的且沿所述基板表面阵列排布的方体形基板单元，每个基板单元的正面附着有一个所述人造微结构，每个基板单元的背面附着有一片金属箔单元。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，所述金属箔单元铺满所述基板单元背面的除四角以外的所有面积。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，每个基板单元上的人造微结构和金属箔单元完全相同。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，所述开口环结构为圆形开口环，所述至少三个开口环结构共圆心。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，相邻两圆形开口环结构的开口相对圆心成180度设置。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，所述开口环结构为矩形开口环。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，所述开口环结构为三角形开口环。
在本发明所述的宽频吸波的人工电磁材料中，所述材料片层有多个，且沿垂直于基板表面的方向排列，材料片层之间相互平行且等间距设置。
实施本发明的宽频吸波的人工电磁材料，具有以下有益效果：由于基板正面设置多个开口环结构构成的人造微结构，且背面附着有金属箔，电磁波经人造微结构后被金属箔反射再次进入基板，使得能量被多次吸收，因此能够实现宽频吸波，吸波效率高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术的人工电磁材料的结构示意图；
图2是本发明第一实施例的宽频吸波的人工电磁材料的一个材料单元的前视图；
图3是图2所示材料单元的后视图；
图4是由图2、图3所示材料单元阵列构成的人工电磁材料的前视图；
图5是图4所示人工电磁材料的后视图；
图6是本发明第二实施例的人造微结构的示意图；
图7是本发明第三实施例的人造微结构的示意图；
图8是本发明第四实施例的人造微结构的示意图；
图9是本发明第五实施例的人造微结构的示意图；
图10是本发明第六实施例的人造微结构的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种宽频吸波的人工电磁材料，如图4、图5所示，包括至少一个材料片层1，每个材料片层1包括基板2和附着在基板2表面上的多个人造微结构3，人造微结构3在基板2表面上呈周期性排布，例如矩形阵列排布，即以x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可，且优选行间距、列间距不大于所要吸收的入射电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一。当材料片层1有多个时，各材料片层1沿垂直于基板2表面的z方向依次排列，片层之间相互平行设置，优选地平行且间距相等。
由于人造微结构3阵列排布，因此可以将基板2虚拟地划分为同样阵列排布的多个基板单元20，基板单元20的长度等于上述行间距、宽度等于列间距、厚度等于基板2厚度。每个基板单元20的表面上正好对应有一个人造微结构3。
本发明的优点在于，设计了一种具有新的几何图形的人造微结构3，如图2、图4所示，其包括至少三个依次包围嵌套的开口环结构4，即第二个开口环结构位于第一个开口环结构内部，第三个开口环结构位于第二个开口环结构内部，依次类推。每个开口环结构4由一根两端靠近而形成开口的导电材料制成的丝线构成，这样的丝线通常为金属材料例如银、铜、铜合金等，也可以是其他非金属的导电材料例如导电塑料等。
图2示出的是本发明第一实施例的人造微结构3的示意图，其包括三个开口环结构4，每个开口环结构4为圆形开口环，即将导电材料制成的丝线两端连接形成的环为圆形。优选地，各个圆形开口环共圆心设置，且相邻两圆形开口环结构4的开口相对圆心成180度设置。
图6示出的第二实施例中，相对于第一实施例，除人造微结构3以外的其他条件均不改变，只是开口环结构4由三个增加到五个。
同样的，图7、图8示出的第三、第四实施例中，其他条件不改变，只是人造微结构3的开口环结构4均改为矩形开口环，图7所述的实施例中开口环结构4为三个，图8中增至四个。优选地，相邻两开口环结构4的开口相背设置，即一开口环结构4的开口设置在矩形边的一条边上，相邻的另一开口环结构4的开口设置在与之平行的另一条边上。
图9、图10示出的第五、第六实施例中，其他条件不改变，只是人造微结构3的开口环结构4均改为三角形开口环，图9中三角形开口环为三个，图10中为四个。同样，相邻两开口相向设置，即一三角形开口环的开口位于一顶角上，与之相邻的三角形开口环的开口则设置在该顶角所对的底面上。
当然，人造微结构3的至少三个开口环结构4并不必然只为上面所描述的三种形状的开口环，也可以是其它任意形状；同时，人造微结构3的至少三个开口环结构4并不必然为相同或者几何相似的开口环，可以是上述几种开口环的混合，也可以与其它不规则形状的开口环的混合。
本发明的人工电磁材料在基板2的正面附着人造微结构3的同时，还在基板2的背面附着有金属箔。金属箔的厚度通常在0.018-0.035mm之间，金属箔通常采用铜箔，采用金属箔，能够使透射到基板2内部的电磁波经过金属箔反射再次进入基板2内部进行吸波，增加电磁波在基板2内部的次数，达到反复吸收，进而提高吸波性能。
金属箔可以为一整片箔片贴附在基板2背面，优选地，金属箔为“渔网”(fish net)形，即在一整片箔片上均匀地开有网孔，网孔的位置位于相邻四个基板单元的交界处。也就是说，将金属箔按照与金属单元相同的划分规则虚拟地划分为以x方向为行、y方向为列的多个阵列排布的金属箔单元5，每个金属箔单元5如图3所示，其铺满所对应的基板单元20背面的除四角以外的所有面积区域，每个角与相邻三个金属箔单元5的角共同构成一个网孔，如图5所示。优选地，每个人造微结构3、金属箔单元5完全相同，从而获得各处均匀的吸波效果。
采用这种具有网孔的金属箔，由于电磁波穿过网格时产生电磁效应，导致电量的集聚，进而引起与前面结构的电容效应增强，而且后面的金属箔能够对电磁波有很好的反射效果，使得电磁波在基板中的传输距离增加，使得吸波效果增强。例如，在本发明的第一实施例中，基板2选择FR-4环氧树脂材料，基板单元的尺寸为6mm×6mm×0.4mm，其中0.4mm为基板的厚度；三个开口环结构4的外径分别为5.9mm、5.6mm、5.3mm，构成开口环结构4的丝线为铜线，且线宽为0.2mm，厚度为0.018mm；金属箔单元5为铜箔，厚度为0.018mm，四角的未铺填区域均为0.1mm×0.1mm。
通过仿真得知，上述基板单元构成的人工电磁材料，对频率为15.05GHz至15.42GHz的电磁波的吸收率为80％以上，由此可见，本发明的人工电磁材料的上述实施例能够对15.05～15.42GHz的电磁波都具有良好的吸波效果，实现宽频吸波。
上面结合附图对本发明的实施例描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种宽频吸波的人工电磁材料，包括至少一个材料片层，所述材料片层包括基板和附着在基板表面上的多个人造微结构，其特征在于，所述人造微结构包括至少三个依次包围嵌套的开口环结构，每个开口环结构由一根两端靠近而形成开口的导电材料制成的丝线构成，所述人造微结构位于所述基板的正面，所述基板的背面附着有金属箔；所述基板包括多个相同的且沿所述基板表面阵列排布的方体形基板单元，所述金属箔均匀地开有网孔，网孔的位置位于相邻四个基板单元的交界处。
2.根据权利要求1所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，每个基板单元的正面附着有一个所述人造微结构，每个基板单元的背面附着有一片金属箔单元。
3.根据权利要求2所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，所述金属箔单元铺满所述基板单元背面的除四角以外的所有面积。
4.根据权利要求3所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，每个基板单元上的人造微结构相同；以及，每个基板单元上的金属箔单元相同。
5.根据权利要求1所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，所述开口环结构为圆形开口环，所述至少三个依次包围嵌套的开口环结构共圆心。
6.根据权利要求5所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，相邻两圆形开口环结构的开口相对圆心成180度设置。
7.根据权利要求1所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，所述开口环结构为矩形开口环。
8.根据权利要求1所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，所述开口环结构为三角形开口环。
9.根据权利要求1所述的宽频吸波的人工电磁材料，其特征在于，所述材料片层有多个，且沿垂直于基板表面的方向排列，材料片层之间相互平行且等间距设置。
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