寬頻吸波超材料、電子設備以及獲得寬頻吸波超材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種寬頻吸波超材料，所述超材料包括至少兩層基本單元層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。本發明還公開了一種電子設備以及一種獲得寬頻吸波超材料的方法。通過上述方式，本發明能夠使吸波超材料在對電磁波有較好的吸收效果的基礎上，顯著提高吸波的帶寬。
【專利說明】寬頻吸波超材料、電子設備以及獲得寬頻吸波超材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超材料【技術領域】，特別是涉及一種寬頻吸波超材料、電子設備以及獲得寬頻吸波超材料的方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術發展的日新月異，以電磁波為媒介的技術、各種產品越來越多，電磁波輻射對環境的影響也日益增大。比如，無線電波可能對機場環境造成干擾，導致飛機航班無法正常起飛；移動電話可能會干擾各種精密電子醫療器械的工作；即使是普通的計算機，也會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，造成國防、政治、經濟、科技等方面情報的泄漏。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，已成為材料科學的一大課題。
[0003]吸波材料是能吸收投射到它表面的電磁波能量的一類材料，其在包括軍事以及其它方面也有廣泛的應用，比如隱形機、隱形衣等。材料吸收電磁波的基本條件是:(I)電磁波入射到材料上時，它能最大限度地進入材料內部，即要求材料具有匹配特性；(2)進入材料內部的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉，即衰減特性。實現第一個條件的方法之一是采用特殊的邊界條件，如在高電導、高磁導吸波材料的表面涂敷電導、磁導接近空氣電導、磁導的介質，使電磁波最大限度地入射；實現第二個條件要求材料具有高的電磁損耗性。
[0004]現有的吸波超材料對特定頻率的電磁波的吸收效果已經有了較大的進步，但是通常吸收的電磁波的頻段非常窄。
【發明內容】
[0005]本發明主要解決的技術問題是提供一種寬頻吸波超材料、電子設備以及獲得寬頻吸波超材料的方法，能夠使吸波超材料在對電磁波有較好的吸收效果的基礎上，顯著提高吸波的帶寬。
[0006]為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是:提供一種寬頻吸波超材料，包括至少兩層基本單元層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。
[0007]其中，所述基本單元層的微結構的形狀是圓環形。
[0008]其中，所述至少兩層超材料基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構的尺寸的大小進行從外層到內層方向層疊排列的。
[0009]其中，所述至少兩層超材料基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構的尺寸的大小由小到大進行從外層到內層方向層疊排列的。
[0010]其中，所述超材料包括四層基本單元層，第一層基本單元層包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多個第一微結構，所述第一微結構為圓形微結構；第二層基本單元層包括第二基材以及周期排布于第二基材上的多個第二微結構，所述第二微結構包括第一圓形微結構以及半徑大于第一圓形微結構半徑且與第一圓形微結構同心設置的第二圓形微結構；第三層基本單元層包括第三基材以及周期排布于第三基材上的多個第三微結構，所述第三微結構包括第三圓形微結構、第四圓形微結構、第五圓形微結構，所述第三圓形微結構、第四圓形微結構、第五圓形微結構半徑依次增大且同心、等間距設置；第四層基本單元層包括第四基材以及周期排布于第四基材上的多個第四微結構，所述第四微結構包括第六圓形微結構、第七圓形微結構、第八圓形微結構以及第九圓形微結構，所述第六圓形微結構、第七圓形微結構、第八圓形微結構、第九圓形微結構半徑依次增大且同心、等間距設置
[0011]其中，所述第二層基本單元層上第二圓形微結構與第一圓形微結構的間距為第一間距；所述第三層基本單元層上第三圓形微結構與第四圓形微結構，第四圓形微結構與第五圓形微結構之間的間距均為第一間距；所述第四層基本單元層上第六圓形微結構與第七圓形微結構，第七圓形微結構與第八圓形微結構以及第八圓形微結構與第九圓形微結構之間的間距均為第一間距。
[0012]其中，所述第一至第九圓形微結構均為金屬微結構。
[0013]其中，所述第一基材、第二基材、第三基材與第四基材材質相同，均為FR-4材料、F4B材料、聚苯乙烯PS材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
[0014]為解決上述技術問題，本發明采用的另一個技術方案是:提供一種電子設備，包括外殼，所述外殼上設置有寬頻吸波超材料，所述超材料包括至少兩層基本單元層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。
[0015]為解決上述技術問題，本發明采用的又一個技術方案是:提供一種獲得寬頻吸波超材料的方法，包括:提供至少兩層基本單元層層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同；將所述至少兩層基本單元層進行層疊而組成超材料。。
[0016]本發明的有益效果是:區別于現有技術的情況，本發明至少兩層基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。這種多層微結構層組成的吸波超材料，能夠在對電磁波有較好的吸收效果的基礎上，顯著提高吸波的帶寬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明中構成超材料的基本單元的立體結構示意圖；
[0018]圖2是本發明一種寬頻吸波超材料的一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的的結構示意圖；[0019]圖3是本發明一種寬頻吸波超材料的另一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的的結構示意圖；
[0020]圖4是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的的結構示意圖；
[0021]圖5是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的的結構示意圖；
[0022]圖6是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中第一層的微結構的結構示意圖；
[0023]圖7是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中第二層的微結構的結構示意圖；
[0024]圖8是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中第三層的微結構的結構示意圖；
[0025]圖9是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中第四層的微結構的結構示意圖；
[0026]圖10是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中超材料的仿真測試示意圖；
[0027]圖11是本發明一種電子設備的一實施例的結構示意圖；
[0028]圖12是本發明一種獲得寬頻吸波超材料的方法的一實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0030]光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數,例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同，從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波、吸收電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料稱之為超材料。
[0031]如圖1所示，圖1為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括人造微結構I以及該人造微結構附著的基材2。在本發明中，人造微結構為人造金屬微結構，其具有對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸，可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。多個超材料基本單兀按一定規律排列，可使超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應，因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波五分之一波長，優選為入射電磁波十分之一波長。本段描述中，將超材料整體劃分為多個超材料基本單元是一種人為的劃分方法，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布于基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述人為劃分的各個超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續的電磁響應。
[0032]圖2是本發明一種寬頻吸波超材料的一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的結構示意圖，圖3是本發明一種寬頻吸波超材料的另一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的結構示意圖，根據實際情況，所述超材料基本單元層有兩層、三層、…或N層，至少包括兩層，如圖2所示，所述超材料基本單元層有兩層201以及202，如圖3所示，所述超材料基本單元層有4層301、302、303以及304。每層超材料均包括基材以及周期排布于基材上的多個微結構。每層超材料上的微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不同。各層超材料的基材材質可選取FR-4材料、F4B材料、PS材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。優選地，各層超材料的基材材質選取對電磁波損耗較大的材料以加強本發明吸波超材料的吸波效果。不同基本單元層的超材料的微結構各不相同，每層超材料基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段。
[0033] 不同基本單元層的微結構各不相同，從而每一層的微結構所起的作用也不同，而層與層之間的微結構又會產生相互影響，綜合各層的效應從而達到寬頻吸波的效果。
[0034]圖4是本發明一種寬頻吸波超材料的又一實施例中構成寬頻吸波超材料基本單元的的結構示意圖，如圖4所示,超材料基本單元層包括401、402、403以及404,對應的微結構分別是41、42、43以及44，所述微結構的形狀可以是十字形、工字形、平面雪花形、圓形，環形、圓環形或者其它立體拓撲結構的形狀，在圖4中以十字形為例進行說明，超材料微結構41的尺寸小于超材料微結構42的尺寸，超材料微結構42的尺寸小于超材料微結構43的尺寸，超材料微結構43的尺寸小于超材料微結構44的尺寸。在進行超材料基本單元層的排列時按照由外向內依次層疊包括微結構41、微結構42、微結構43以及微結構44的基本單元層；或者如圖5所示，在進行超材料基本單元層的排列時也可以按照有外向內依次層疊包括微結構54、微結構53、微結構52以及微結構51的基本單元層。
[0035]如前所述，在本發明一優選實施例中，在進行超材料基本單元層的排列時是按照每層所述基本單元層的微結構的尺寸的大小由小到大進行從外層到內層方向層疊排列的，如圖4所示。
[0036]在本實施例中，僅列舉了四層基本單元層，在實際情況中，并不限于四層；另外按照基本單元層的微結構的尺寸由外向內依次層疊可以由大到小、由小到大，或者先由大到小再由小到大，只要能滿足需要的吸波要求，可以按照微結構的尺寸進行組合，在此不進行
--贅述。
[0037]在本發明一優選實施例中，所述基本單元層的微結構的形狀是圓形，本發明中一種寬頻吸波超材料采用了 4層包括各不相同的微結構的基本單元層，每一層的微結構分別如圖6、圖7、圖8、圖9所不,先參閱圖6,第一基本單兀層由第一基材801和周期排布于第一基材801上的多個第一微結構802構成,所述微結構802為圓形微結構，半徑為第一半徑A，且圓形的微結構802具有第一線寬。參閱圖7，第二基本單元層由第二基材901和第二微結構902構成，其中，所述第二微結構902包括半徑為r1的第一圓形微結構以及與第一圓形微結構同心的半徑為r2的第二圓形微結構,第二圓形微結構的線寬等于第一圓形微結構線寬，第二圓形微結構與第一圓形微結構具有第一間距。參閱圖8，第三基本單元層由第三基材1001和第三微結構1002構成，其中，所述第三微結構1002包括半徑為r3的第三圓形微結構、半徑為r4的第四圓形微結構以及半徑為r5的第五圓形微結構，第三圓形微結構、第四圓形微結構和第五圓形微結構同心且等間距設置，間距均為第一間距，且r5>r4>r3>r2>r1>r0o參閱圖9,第四基本單元層由第四基材1101和第四微結構1102構成，其中，所述第四微結構1102包括半徑為r6的第六圓形微結構、半徑為r7的第七圓形微結構、半徑為r8的第八圓形微結構以及半徑為r9的第九圓形微結構，第六圓形微結構、第七圓形微結構、第八圓形微結構以及第九圓形微結構同心且等間距設置，間距均為第一間距，且r9>r8>r7>r6>r5>r4>r3>r2>r1>r0。將這4層基本單元層由外向內層疊組成超材料，對此超材料進行仿真測試。如圖10所示,橫坐標表示電磁波的頻率,縱坐標表示S11參數dB值,在高頻5-15GHz范圍內具有吸波性能，在6.71-13.2IGHz范圍內，S11參數dB值為_5dB，測試結果表明，和單層基本單元層相比，本多層基本單元層的超材料可以顯著提高吸波帶寬。 [0038]區別于現有技術的情況，本發明至少兩層基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。這種多層微結構層組成的吸波超材料，能夠在對電磁波有較好的吸收效果的基礎上，顯著提高吸波的帶寬。
[0039]圖11是本發明一種電子設備的一實施例的結構示意圖，如圖11所示，包括外殼，電子設備1301的外殼上設置有寬頻吸波超材料1302，所述超材料1302包括至少兩層基本單元層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。
[0040]根據實際情況，所述電子設備的超材料基本單元層有兩層、三層、…或N層，至少包括兩層，每層的超材料基本單元層的微結構各不相同，每層超材料基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段。
[0041]不同基本單元層的微結構各不相同，從而每一層的微結構所起的作用也不同，而層與層之間的微結構又會產生相互影響，綜合各層的效應從而達到寬頻吸波的效果。
[0042]其中，所述基本單元層的微結構的形狀是圓環形。
[0043]其中，所述至少兩層超材料基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構的尺寸的大小進行從外層到內層方向層疊排列的。
[0044]其中，所述至少兩層超材料基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構的尺寸的大小由小到大進行從外層到內層方向層疊排列的。
[0045]其中，所述至少兩層基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構周期排布于所述基材上的周期性的大小進行從外層到內層方向層疊排列的。
[0046]其中，所述至少兩層基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構周期排布于所述基材上的周期性的大小由小到大進行從外層到內層方向層疊排列的。
[0047]區別于現有技術的情況，本發明至少兩層基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。這種多層微結構層組成的吸波超材料，能夠在對電磁波有較好的吸收效果的基礎上，顯著提高吸波的帶寬。
[0048]圖12是本發明一種獲得寬頻吸波超材料的方法的一實施例的流程圖，如圖12所示，包括:[0049]步驟SlOl:提供至少兩層基本單元層層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同；
[0050]步驟S102:將所述至少兩層基本單元層進行層疊而組成超材料。
[0051]不同層的微結構各不相同，從而每一層的微結構所起的作用也不同，而層與層之間的微結構又會產生相互影響，綜合各層的效應從而達到寬頻吸波的效果。
[0052]區別于現有技術的情況，本發明至少兩層基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。這種多層微結構層組成的吸波超材料，能夠在對電磁波有較好的吸收效果的基礎上，顯著提高吸波的帶寬。
[0053]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種寬頻吸波超材料，其特征在于:所述超材料包括至少兩層基本單元層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。
2.根據權利要求1所述的吸波超材料，其特征在于:所述基本單元層的微結構的形狀是圓環形。
3.根據權利要求1所述的吸波超材料，其特征在于:所述至少兩層超材料基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結構的尺寸的大小進行從外層到內層方向層疊排列的。
4.根據權利要求3所述的吸波超材料，其特征在于:所述至少兩層超材料基本單元層是按照每層所述基本單元層的微結 構的尺寸的大小由小到大進行從外層到內層方向層疊排列的。
5.根據權利要求1所述的吸波超材料，其特征在于:所述超材料包括四層基本單元層，第一層基本單元層包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多個第一微結構，所述第一微結構為圓形微結構；第二層基本單元層包括第二基材以及周期排布于第二基材上的多個第二微結構，所述第二微結構包括第一圓形微結構以及半徑大于第一圓形微結構半徑且與第一圓形微結構同心設置的第二圓形微結構；第三層基本單元層包括第三基材以及周期排布于第三基材上的多個第三微結構，所述第三微結構包括第三圓形微結構、第四圓形微結構、第五圓形微結構，所述第三圓形微結構、第四圓形微結構、第五圓形微結構半徑依次增大且同心、等間距設置；第四層基本單元層包括第四基材以及周期排布于第四基材上的多個第四微結構，所述第四微結構包括第六圓形微結構、第七圓形微結構、第八圓形微結構以及第九圓形微結構，所述第六圓形微結構、第七圓形微結構、第八圓形微結構、第九圓形微結構半徑依次增大且同心、等間距設置。
6.根據權利要求5所述的吸波超材料，其特征在于:所述第二層基本單元層上第二圓形微結構與第一圓形微結構的間距為第一間距；所述第三層基本單元層上第三圓形微結構與第四圓形微結構，第四圓形微結構與第五圓形微結構之間的間距均為第一間距；所述第四層基本單元層上第六圓形微結構與第七圓形微結構，第七圓形微結構與第八圓形微結構以及第八圓形微結構與第九圓形微結構之間的間距均為第一間距。
7.根據權利要求6所述的吸波超材料，其特征在于:所述第一至第九圓形微結構均為金屬微結構。
8.根據權利要求6所述的吸波超材料，其特征在于:所述第一基材、第二基材、第三基材與第四基材材質相同，均為FR-4材料、F4B材料、聚苯乙烯PS材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
9.一種電子設備，包括外殼，其特征在于:所述外殼上設置有寬頻吸波超材料，所述超材料包括至少兩層基本單元層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同。
10.一種獲得寬頻吸波超材料的方法，其特征在于:所述方法包括:提供至少兩層基本單元層層，每層所述基本單元層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個微結構，每層所述基本單元層分別對應吸收電磁波的一個預定頻點或者預定頻段，其中，所述每層基本單元層上的所述多個微結構的拓撲形狀和尺寸相同，不同基本單元層上的微結構的拓撲形狀和/或尺寸不相同； 將所述至少兩層基 本單元層進行層疊而組成超材料。
【文檔編號】H05K9/00GK103582401SQ201210275382
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月3日 優先權日:2012年8月3日
【發明者】劉若鵬, 季春霖, 寇超鋒, 何嘉威 申請人:深圳光啟創新技術有限公司