一种柔性宽带超材料吸波器及其设计方法

技术领域

本发明涉及超材料吸波技术领域，更具体的说是涉及一种柔性宽带超材料吸波器及其设计方法。

背景技术

超材料是一种单元尺寸为亚波长结构的周期性排布而成的人工复合材料。其特点在于通过合理的设计超材料单元的形状结构，合理的优化单元的尺寸参数，合理的安排单元的排列方式，可以获得自然界现有材料中所不具备的物理性质。这些物理性质尤其集中体现在电磁特性方面，例如负磁导率，负介电常数，负折射率等。超材料吸波器具有吸波率高、厚度薄、重量轻的特点，广泛应用于电磁屏蔽领域、隐身领域、微波射频能量收集领域和太阳能电池等领域。

超材料吸波体作为近些年来的研究热点之一，在众多技术领域具有广阔的应用前景和重大的发展潜力。有关超材料吸波体的研究与制备对于提高军事实力以及提升人们的生活水平都有着不可或缺的重要意义。

现阶段大多数超材料吸波体通常使用FR-4等硬质基板作为基底，存在着不够轻薄、不够灵活、无法折叠、无法与防护目标共形且质量较大等缺点，影响吸波效果。

为此，如何提出一种柔性宽带超材料吸波器及其设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种柔性宽带超材料吸波器及其设计方法，用以解决上述现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种柔性宽带超材料吸波器，包括：由上至下垂直设置的电阻膜、PI膜、柔性介质以及铜膜；

所述电阻膜由十字型交叉电阻膜以及圆形电阻膜组成；

其中，所述十字型交叉电阻膜的四个象限处对称设置四个圆形电阻膜。

优选的，所述十字型交叉电阻膜的水平长度和垂直长度均为12mm，宽度均为2mm。

优选的，所述圆形电阻膜直径为5.7mm。

优选的，所述圆形电阻膜的周长边缘点与所述十字型交叉电阻膜的边缘点的距离≥0.4mm。

优选的，还包括直角电阻膜，对称分布在单元的四个角落，所述直角电阻膜水平长度和垂直长度均为5mm，宽度均为2mm。

优选的，整体厚度为2.11mm。

优选的，周期长度为20mm。

优选的，所述电阻膜的方阻值为80欧姆。

另一方面，本发明提供了一种柔性宽带超材料吸波器的设计方法，所述设计方法包括：

确定构成透柔性宽带超材料吸波器的整体结构，包括：由上至下垂直设置的电阻膜、PI膜、柔性介质以及铜膜；

设置整体厚度为2.11mm，周期长度为20mm；

设置电阻膜、PI膜、柔性介质基板以及铜膜的厚度，其中，所述电阻膜的厚度为10微米，所述PI膜的厚度为0.075mm，所述柔性介质的厚度为2mm，所述铜膜的厚度为0.035mm；

设置所述电阻膜的结构；

设置所述电阻膜的方阻值为80欧姆。

优选的，所述设置所述电阻膜的结构包括：

S1：将所述电阻膜设置为十字型交叉电阻膜以及圆形电阻膜的结构，其中，所述十字型交叉电阻膜的四个象限处对称设置四个圆形电阻膜；

S2：设置所述十字型交叉电阻膜的水平长度和垂直长度均为12mm，宽度均为2mm；

S3：设置所述圆形电阻膜直径为5.7mm；

S4：所述圆形电阻膜的周长边缘点与所述十字型交叉电阻膜的边缘点的距离≥0.4mm；

优选的，所述电阻膜还包括：设置所述直角电阻膜，将其对称分布在电阻膜的四个角落，所述直角电阻膜水平长度和垂直长度均为5mm，宽度均为2mm。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种柔性宽带超材料吸波器及其设计方法，得到能够在柔性基板上表现出一定的宽带吸波特性的超材料吸波体，针对解决现有超材料吸波器吸波率低、吸波频带窄、无法与曲面共形等问题，实现柔性宽带吸波。该方法从超材料吸波器的吸收机理出发，设计了一种由十字型及四个圆形电阻膜结合的谐振结构层、聚合物夹层、组成的多层集成结构超材料吸波器。所设计的多层集成超材料吸波器在10-19GHz的宽频范围内吸波率超过90％，在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的吸收性能，达到了最佳吸波效果。同时，本发明采用柔性介质作为基底，可以使其共形附着在复杂、不规则的物体表面上。相对于传统的基于刚性基板的电磁超材料吸波体，柔性超材料吸波体具有很高的灵活性，且制作工艺简单，实用性强，适合于未来超材料吸波体宽频化和柔性化的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的柔性宽带超材料吸波器不同层的示意图。

图2为本发明的柔性宽带超材料吸波器整体结构示意图。

图3为本发明在不同频率下的吸波效果示意图。

图4为本发明在不同极化角度下的吸波效果示意图。

图5为本发明在不同入射角度下的吸波效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1所示，本发明实施例公开了一种柔性宽带超材料吸波器，包括：由上至下垂直设置的电阻膜、PI膜、柔性介质以及铜膜；

电阻膜由十字型交叉电阻膜、圆形电阻膜以及直角电阻膜组成，其中，直角电阻膜水平长度和垂直长度均为5mm，宽度均为2mm；

其中，十字型交叉电阻膜的四个象限处对称设置四个圆形电阻膜，四个直角电阻膜对称分布在单元的四个角落，且直角电阻膜与单元结构边缘处最近距离为0.5mm。

具体的，本发明的一种柔性宽带超材料吸波器总共由4层，一层高阻碳浆电阻膜，一层PI膜，一层柔性介质基板以及一层背面反射金属板(铜)，由上至下垂直设置。

更具体的，十字型交叉电阻膜相对于PI膜、柔性介质基板以及铜膜居中设置，四个圆形电阻膜对称分布在十字型交叉电阻膜的四个象限，四个直角电阻膜对称分布在单元的四个角落。

在一个具体实施例中，十字型交叉电阻膜的水平长度和垂直长度均为l＝12mm，宽度均为d＝2mm。

在一个具体实施例中，四个圆形电阻膜直径为r＝5.7mm。

在一个具体实施例中，圆形电阻膜的周长边缘点与十字型交叉电阻膜的边缘点的距离≥0.4mm，也就是四个圆形电阻膜对称分布在十字型交叉电阻膜的四个象限且圆形边上的点与十字型交叉电阻膜最近距离为0.4mm。

参见附图2所示，在一个具体实施例中，柔性宽带超材料吸波器的整体厚度为h＝2.11mm，周期长度为p＝20mm。

在一个具体实施例中，电阻膜的方阻值为80欧姆。

具体的，本发明通过用柔性的介质作为超材料吸波体的基底，可以使其共形附着在复杂、不规则的物体表面上，相对于传统的基于刚性基板的电磁超材料吸波体，柔性超材料吸波体具有很高的灵活性。柔性超材料吸波体的设计往往具有雷达散射截面(RCS)较小，入射角较大的优势。

更具体的，本发明提供的一种柔性宽带超材料吸波器的吸波效果如图3-5所示，该吸波器可以在10-19GHz的宽频范围内吸波率超过90％，在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的吸收性能。

另一方面，本发明公开了一种柔性宽带超材料吸波器的设计方法，该设计方法，包括：

确定构成透柔性宽带超材料吸波器的整体结构，包括：由上至下垂直设置的电阻膜、PI膜、柔性介质以及铜膜；

设置整体厚度为2.11mm，周期长度为20mm；

设置电阻膜、PI膜、柔性介质基板以及铜膜的厚度，其中，电阻膜的厚度为10微米，PI膜的厚度为0.075mm，柔性介质的厚度为2mm，铜膜的厚度为0.035mm；

设置电阻膜的结构；

设置电阻膜的方阻值为80欧姆。

在一个具体实施例中，设置电阻膜的结构包括：

S1：将电阻膜设置为十字型交叉电阻膜以及圆形电阻膜的结构，其中，十字型交叉电阻膜的四个象限处对称设置四个圆形电阻膜；

S2：设置十字型交叉电阻膜的水平长度和垂直长度均为12mm，宽度均为2mm；

S3：设置圆形电阻膜直径为5.7mm；

S4：圆形电阻膜的周长边缘点与十字型交叉电阻膜的边缘点的距离≥0.4mm。

具体的，在一个具体实施例中，设计方法确定了用于阻抗匹配的十字型及四个圆形电阻膜、PI膜、柔性介质基板以及最底层的铜膜由上至下垂直构成的单元结构，确定了与吸波效果相关的各个物理参数，包括单元结构周期长度、单元结构每一层的厚度、电阻膜的方阻值、以及电阻膜图案的大小尺寸等。根据设计的超表面单元结构，可以在10-19GHz的宽频范围内吸波率超过90％，在不同极化角度和入射角度的条件下均具有较高的吸收性能。该方法实现的柔性吸波器可直接通过丝网印刷工艺实现加工，将高阻碳浆印刷在柔性基板表面，这种工艺加工方法简单，且价格低廉，实用价值广泛。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。