本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體來說，涉及一種吸波超材料。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，以電磁波為媒介的各種技術(shù)和產(chǎn)品越來越多，電磁波輻射對(duì)環(huán)境的影響也日益增大。比如，無線電波可能對(duì)機(jī)場環(huán)境造成干擾，導(dǎo)致飛機(jī)航班無法正常起飛；移動(dòng)電話可能會(huì)干擾各種精密電子醫(yī)療器械的工作；即使是普通的計(jì)算機(jī)，也會(huì)輻射攜帶信息的電磁波，它可能在幾公里以外被接收和重現(xiàn)，造成國防、政治、經(jīng)濟(jì)、科技等方面情報(bào)的泄漏。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學(xué)的一大課題。

吸波材料是指能吸收、衰減入射電磁波、并將電磁能轉(zhuǎn)換成熱能或使電磁波干涉消失的一類功能材料。吸波技術(shù)包括涂層吸波和結(jié)構(gòu)吸波兩類，涂層吸波是指在結(jié)構(gòu)表面涂敷具有吸波功能的涂料以達(dá)到損耗電磁波的目的，結(jié)構(gòu)吸波則是賦予材料吸波和承載雙重性能。

但是，現(xiàn)有的吸波材料大多是利用各個(gè)材料自身對(duì)電磁波的吸收性能，通過設(shè)計(jì)不同材料的組分使得混合后的材料具備吸波特性，此類材料設(shè)計(jì)復(fù)雜且不具有大規(guī)模推廣性，對(duì)衰減的電磁波無法實(shí)現(xiàn)頻率的選擇，而且吸收電磁波的頻帶較窄，同時(shí)此類材料的機(jī)械性能受限于材料本身的機(jī)械性能，不能滿足特殊場合的需求。

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中的上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出一種吸波超材料，能夠?qū)λp的電磁波實(shí)現(xiàn)頻率的選擇，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的寬頻吸收。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種吸波超材料。

該吸波超材料包括：

多個(gè)堆疊設(shè)置的頻率選擇表面(FSS)層，以及位于沿電磁波入射方向的底層FSS層的底部的反射板；其中，每個(gè)FSS層包括介質(zhì)基板和介質(zhì)損耗層。

可選的，介質(zhì)損耗層附著在介質(zhì)基板的表面或者內(nèi)部。

優(yōu)選的，介質(zhì)損耗層的組成材料選自碳粉、樹脂中的一種或者兩種。

優(yōu)選的，介質(zhì)損耗層包括周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，頂層FSS層中的介質(zhì)損耗層包括多個(gè)具有第一圖形的第一導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，底層FSS層中的介質(zhì)損耗層包括多個(gè)具有第二圖形的第二導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，中間若干FSS層中的介質(zhì)損耗層所包括的若干個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的圖形均為該第一圖形和該第二圖形的組合，且該中間若干FSS層中的介質(zhì)損耗層所包括的若干個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的圖形變化規(guī)律為沿電磁波入射方向該第一圖形連續(xù)減小、該第二圖形連續(xù)增大。

可選的，周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)與電磁波的入射方向垂直。

可選的，周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)與電磁波的入射方向平行。

可選的，多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀包括“工”字型或“工”字型的衍生型。

可選的，多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀包括“十”字型或“十”字型的衍生型。

可選的，多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀包括“H”字型或“H”字型的衍生型。

可選的，同一FSS層中的介質(zhì)損耗層所包含的周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀相同或不同。

可選的，不同F(xiàn)SS層中的介質(zhì)損耗層所包含的周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀相同或不同。

優(yōu)選的，反射板為金屬反射板。

可選的，反射板的厚度范圍為0.01mm～0.02mm。

優(yōu)選的，介質(zhì)基板的組成材料選自泡沫基材、蜂窩基材、陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中的一種或多種。

其中，吸波超材料在S波段的反射率低于-12dB。

此外，吸波超材料在X波段的反射率低于-8dB。

此外，吸波超材料的吸波頻段包括3GHz～18GHz。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)包含F(xiàn)SS的吸波超材料，能夠在實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收和損耗的同時(shí)，還能夠借助FSS來實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減的電磁波的頻率選擇，并且，通過在底層FSS層設(shè)置反射板，能夠使傳播至吸波超材料底部的電磁波再返回繼續(xù)被各個(gè)FSS層吸收，從而達(dá)到很好的寬頻吸收效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的吸波超材料的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的吸波超材料的單晶胞CST仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種吸波超材料。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的吸波超材料包括：

多個(gè)堆疊設(shè)置的FSS層，以及位于沿電磁波入射方向的底層FSS層的底部的反射板13，并且，堆疊設(shè)置的多個(gè)FSS層中相鄰的FSS層相互接觸，其中，在本實(shí)施例中，該吸波超材料包括3個(gè)堆疊設(shè)置的FSS層，其中，每個(gè)FSS層包括介質(zhì)基板11和介質(zhì)損耗層12(即介電損耗層12)；其中，從圖1可以看出，在本實(shí)施例中的每個(gè)FSS層中，介質(zhì)損耗層12均附著在介質(zhì)基板11的上表面，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的選擇性頻率吸收，并且，底層的FSS層中的介質(zhì)損耗層12與中層的介質(zhì)基板11直接接觸，而中層FSS層中的介質(zhì)損耗層12則與頂層的介質(zhì)基板11直接接觸，這樣相互疊加并接觸的多個(gè)FSS層 所構(gòu)成的吸波超材料就可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的不同頻率選擇。

其中，為了使入射至本發(fā)明的吸波超材料的電磁波得到充分吸收，根據(jù)本本發(fā)明實(shí)施例的吸波超材料包括位于沿電磁波入射方向的底層FSS層的底部的反射板13，這樣，在電磁波入射至本發(fā)明的吸波超材料后，當(dāng)電磁波傳播至吸波超材料中底層FSS中的介質(zhì)基板11或介質(zhì)損耗層12時(shí)，為了避免電磁波從底層FSS中傳播出去，在吸波超材料的底部會(huì)附有一層厚度范圍為0.01mm～0.02mm的金屬反射板13使傳播至吸波超材料底部的電磁波再返回繼續(xù)被各個(gè)FSS層吸收，從而實(shí)現(xiàn)較好的電磁波吸收效果，其中，在本實(shí)施例中，該金屬反射板13的優(yōu)選厚度值為0.018mm。

而在不同的實(shí)施例中，由于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的吸波超材料為多個(gè)堆疊設(shè)置的FSS層，因此，F(xiàn)SS層中的介質(zhì)損耗層12也可以附著在介質(zhì)基板11的下表面來實(shí)現(xiàn)電磁波的選擇性頻率吸收。

而在另一個(gè)實(shí)施例中，該介質(zhì)損耗層12同樣可以嵌設(shè)在介質(zhì)基板11的內(nèi)部。

那么具體到介質(zhì)損耗層12對(duì)電磁波的頻率選擇與吸收，則是借助于介質(zhì)損耗層內(nèi)周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，其中，在本實(shí)施例中，介質(zhì)損耗層12的組成材料為碳粉，因此，這里的介質(zhì)損耗層12又叫做介電損耗碳層；并且該介電損耗碳層是由碳粉構(gòu)成的周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)而構(gòu)成。

而在不同的實(shí)施例中，介質(zhì)損耗層12的組成材料還可以是樹脂或者是碳粉和樹脂的組合，當(dāng)然還可以是其他的電阻損耗型材料，也就是說，介質(zhì)損耗層12的具體材料組成可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境以及電磁波的頻率選擇要求作出靈活調(diào)整。

其中，由于介質(zhì)損耗層12(又叫做電路層)可包含有周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，這樣，在對(duì)電磁波的頻率進(jìn)行選擇性吸收時(shí)，就可結(jié)合阻抗匹配原理及LC電路原理和傳輸線理論來根據(jù)阻抗匹配特性控制該吸波超材料的輸入阻抗，并根據(jù)輸入阻抗的要求來調(diào)整各個(gè)介質(zhì)基板層的參數(shù)(介電常數(shù)、材料組成、厚度、尺寸等)和電路層的參數(shù)(例如導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸、導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的排布方式，以及電路層的厚度等)以及調(diào)整各個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的排列，來使得該吸波超材料能夠根據(jù)是設(shè)計(jì)情況來調(diào)整FSS層的工作頻率，從而使 電磁波在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很小的反射，達(dá)到在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較理想的吸收性能的效果。

其中，具體到FSS層中的介質(zhì)損耗層所包含的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)來說，在一個(gè)實(shí)施例中，頂層FSS層中的介質(zhì)損耗層可包括多個(gè)具有第一圖形的第一導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)(例如“工”字型)，底層FSS層中的介質(zhì)損耗層包括多個(gè)具有第二圖形的第二導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)(例如“十”字型)，中間若干FSS層中的介質(zhì)損耗層所包括的若干個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的圖形均為該第一圖形和該第二圖形的組合(即“工”字型和“十”字型的組合)，且該中間若干FSS層中的介質(zhì)損耗層所包括的若干個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的圖形變化規(guī)律為沿電磁波入射方向該第一圖形連續(xù)減小、該第二圖形連續(xù)增大。

并且，在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于介質(zhì)損耗層中周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)來說，無論介質(zhì)損耗層是嵌設(shè)在介質(zhì)基板的內(nèi)部還是附著在介質(zhì)基板的表面，該多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的排布設(shè)計(jì)方式可以是與入射電磁波的方向垂直，即水平排列設(shè)計(jì)。

而在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)介質(zhì)損耗層是嵌設(shè)在介質(zhì)基板內(nèi)部的情況下，該多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的排布方式還可以是與入射電磁波的方向平行，即垂直排列設(shè)計(jì)。

此外，值得注意的是，雖然在上述實(shí)施例中，對(duì)于介質(zhì)損耗層中的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀限定為“工”字型和“十”字型，而在不同的實(shí)施例中，該導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀還可以是“H”字型或“H”字型的衍生型，或者“工”字型的衍生型、“十”字型的衍生型，以及還可以是正方形或者圓形、三角形等規(guī)則或不規(guī)則的圖形，也就是說，本發(fā)明對(duì)于介質(zhì)損耗層中的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)并不作具體限定，它們的形狀可以根據(jù)實(shí)際的電磁波頻率選擇和吸收效果做出不同的靈活選擇。

另一方面，對(duì)于一個(gè)FSS層來說，其中的介質(zhì)損耗層所包含的周期排布的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)可以為同一種形狀，也可以是多種形狀的組合；

此外，雖然在圖1所示的實(shí)施例中，吸波超材料的三個(gè)FSS層所分別對(duì)應(yīng)的三層介質(zhì)損耗層12所包含的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀為相同的，但是在另一個(gè)實(shí)施例中，不同層FSS中的介質(zhì)損耗層所包含的周期排布的多個(gè)導(dǎo)電 幾何結(jié)構(gòu)的形狀也可以是不同的，這樣就可使不同F(xiàn)SS層可以對(duì)電磁波進(jìn)行不同頻率的選擇吸收。

此外，在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的介質(zhì)基板可以為介電常數(shù)在3.8～4.8之間的基板，介質(zhì)基板的組成材料可以選自泡沫基材、蜂窩基材、陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中的一種或多種，其中高，分子材料優(yōu)選環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、PMI、F4B或FR4。

而在本實(shí)施例中，該介質(zhì)基板的組成材料為常規(guī)泡沫基材的泡沫基板，因此，能夠在保證吸波超材料的吸波性能的同時(shí)，還能使該吸波超材料的重量非常輕，并可以作為航空吸波材料的良好選擇；并且，本發(fā)明的上述技術(shù)方案能夠?qū)⑽ǔ牧系目偤穸瓤刂圃谝粋€(gè)比較薄的范圍內(nèi)，從而使該吸波超材料具有較大的設(shè)計(jì)空間，為高性能吸波超材料開辟了一條嶄新的途徑。

當(dāng)然，本發(fā)明對(duì)于介質(zhì)基板的組成材料并不做限定，它也可以是由未列舉的其他類型的低介電常數(shù)的基材構(gòu)成。

值得注意的是，雖然在圖1所示的實(shí)施例中，本發(fā)明的吸波超材料包括三層FSS層，但是根據(jù)對(duì)電磁波吸收的要求不同，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)FSS層的數(shù)量進(jìn)行靈活調(diào)整。并且不同F(xiàn)SS層中的介質(zhì)基板的組成材料、尺寸也可以相同或不同，它們的尺寸和材料組成同樣可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

其中，圖2示出了本發(fā)明的吸波超材料的單晶胞CST仿真結(jié)果圖，從圖2可以看出，本發(fā)明的吸波超材料的吸波效果比較理想，在3GHz～18GHz頻段都有比較好的吸波效果，并且，圖1所示的3層FSS層的吸波超材料的厚度僅為10mm；

進(jìn)一步的，從圖2還可以看出，本發(fā)明的吸波超材料在低頻及高頻上均有非常明顯的吸波效果，特別的，在S波段的反射率均低于-12dB，最強(qiáng)峰可達(dá)到-24dB，而在相同厚度的超材料的情況下，其他的常規(guī)超材料很難達(dá)到這種效果；

此外，在高頻Ku頻段，本發(fā)明的吸波超材料的吸波效果同樣很好，從圖2可以看出，該吸波超材料在X波段的反射率低于-8dB。

超材料是一種以導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)為基本單元，并以特定方式進(jìn)行空間排布的 具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，其對(duì)電磁響應(yīng)的特征往往不取決于其構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而是由其導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的特征所決定，并且超材料可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通材料所無法具備的折射率、磁導(dǎo)率以及吸波極化性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。

而本發(fā)明利用上述全新設(shè)計(jì)的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生具有寬頻的吸波效果，其中，本發(fā)明的吸波超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。通過對(duì)FSS中導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的有序排列，從而改變空間中各點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。這樣就可使吸波超材料在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通材料所無法具備的折射率、磁導(dǎo)率以及吸波性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。

綜上所述，借助于本發(fā)明的上述技術(shù)方案，通過設(shè)計(jì)包含F(xiàn)SS的吸波超材料，能夠在實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收和損耗的同時(shí)，還能夠借助FSS來實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減的電磁波的頻率選擇，并且，通過在底層FSS層設(shè)置反射板，能夠使傳播至吸波超材料底部的電磁波再返回繼續(xù)被各個(gè)FSS層吸收，從而達(dá)到很好的寬頻吸收效果。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。