專利名稱：頻率可調(diào)的吸波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吸波裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種頻率可調(diào)的吸波裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁波輻射對(duì)環(huán)境的影響日益增大。在機(jī)場(chǎng)，飛機(jī)航班因電磁波干擾無法起飛而誤點(diǎn)；在醫(yī)院，移動(dòng)電話常會(huì)干擾各種電子診療儀器的正常工作。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。目前研究與應(yīng)用比較多的吸波材料有鐵氧體吸波材料、金屬微粉吸波材料、納米吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、導(dǎo)電高聚物吸波材料、等離子體型吸波材料及光學(xué)透明吸波材料等。各種不同的材料其應(yīng)用的范圍有所不同，其覆蓋的頻段范圍也有所差別。但是還沒有一種吸波材料可以較好地滿足吸收頻帶寬和吸收率高等條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種頻率可調(diào)的吸波裝置，其吸波頻帶寬、吸收率較高。為解決上述技術(shù)問題，提供了一種頻率可調(diào)的吸波裝置，包括吸波超材料，所述吸波超材料由至少一個(gè)超材料片層構(gòu)成，所述超材料片層包括基板和附著在所述基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；多個(gè)電抗可調(diào)節(jié)的變抗器件，設(shè)置于所述基板上且與多個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)電連接；控制單元，用于對(duì)各個(gè)變抗器件的電抗進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)一步地，所述變抗器件為變?nèi)荻O管。進(jìn)一步地，所述控制單元包括單片機(jī)和多個(gè)與所述單片機(jī)電連接的DA轉(zhuǎn)換器。進(jìn)一步地，所述吸波超材料由至少一個(gè)阻抗均勻的超材料片層沿垂直于所述片層表面方向堆疊形成且所述每一片層的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U相等。進(jìn)一步地，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進(jìn)一步地，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。進(jìn)一步地,所述基板由高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)具有對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“H”形。上述技術(shù)方案至少具有如下有益效果本發(fā)明的頻率可調(diào)的吸波裝置包括吸波超材料、設(shè)置在每個(gè)超材料單元上的電抗可調(diào)節(jié)的變抗器件以及用于調(diào)節(jié)變抗器件的主控單元。該吸波裝置可通過主控單元對(duì)設(shè)置在每個(gè)超材料單元上的變抗器件進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)每個(gè)超材料單元的電磁參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使超材料對(duì)不同頻率的入射電磁波均滿足阻抗匹配特性和衰減匹配特性，該吸波裝置具有較寬的吸波頻帶和較高的吸波效率。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的頻率可調(diào)的吸波裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所采用的吸波超材料的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是由圖2所示人造微結(jié)構(gòu)衍生的第二實(shí)施例的示意圖。圖4是由圖3所示人造微結(jié)構(gòu)衍生的第三實(shí)施例的示意圖。圖5是本發(fā)明所采用的吸波超材料的第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是“T”形金屬絲和一邊設(shè)置有開口的彎折金屬絲疊加形成的人造微結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式吸波材料是指能吸收入射到其表面的電磁波能量，并通過材料的介質(zhì)損耗使電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量的材料。吸波材料的基本設(shè)計(jì)思想是電磁波入射到吸波材料上時(shí)，它能盡可能不反射而最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部，即要求吸波材料滿足阻抗匹配特性；進(jìn)入材料內(nèi)的電磁波能因介質(zhì)損耗而迅速地衰減掉，即要求吸波材料滿足衰減匹配特性。既滿足阻抗匹配特性又滿足盡可能大的衰減特性是各類吸波材料追求的目標(biāo)。目前研究與應(yīng)用比較多的吸波材料有鐵氧體吸波材料、金屬微粉吸波材料、納米吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、導(dǎo)電高聚物吸波材料、等離子體型吸波材料及光學(xué)透明吸波材料等。各種不同的材料其應(yīng)用的范圍有所不同，其覆蓋的頻段范圍也有所差別。但現(xiàn)有的吸波材料不能滿足重量輕、厚度薄、吸收頻帶寬、阻抗匹配等條件。超材料由至少一個(gè)厚度很薄的超材料片層3構(gòu)成，每個(gè)超材料片層3包括基板I和多個(gè)陣列設(shè)置在基板I上的由具有一定圖形的金屬絲構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)2。超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)2為基本單元并以特定方式進(jìn)行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料。每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2以及其所附著的基板I所占部分即為一個(gè)超材料單元?；錓可為任何與人造微結(jié)構(gòu)2不同的材料，這兩種材料的疊加使每個(gè)超材料單元產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個(gè)物理參數(shù)分別對(duì)應(yīng)了超材料單元的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。超材料對(duì)電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)2的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)2的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖形所具有的拓?fù)涮卣骱推鋷缀纬叽纭DI所示為本發(fā)明的頻率可調(diào)的吸波裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該吸波裝置包括吸波超材料10、多個(gè)變抗器件40以及用于對(duì)各個(gè)變抗器件40的電抗進(jìn)行調(diào)節(jié)控制單元。其中，控制單元包括單片機(jī)20和多個(gè)與單片機(jī)20相連接的DA轉(zhuǎn)換器30。變抗器件40設(shè)置于吸波超材料10的每一個(gè)超材料單元內(nèi)且與該超材料單元內(nèi)所附著的人造微結(jié)構(gòu)2電連接。DA轉(zhuǎn)換器30的多路輸出端分別與每個(gè)變抗器件40相連接，單片機(jī)20通過控制DA轉(zhuǎn)換器30的輸出可選擇性的調(diào)節(jié)吸波超材料10各個(gè)超材料單元的等效電抗，從而調(diào)整可吸收的電磁波的頻率段，拓寬了吸波裝置的吸波波段。具體實(shí)施時(shí)變抗器件40優(yōu)選采用變?nèi)荻O管。要使吸波超材料10具有較優(yōu)良的吸波效果，要求吸波超材料10滿足阻抗匹配特性和衰減匹配特性。當(dāng)電磁波經(jīng)過不同介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生部分反射現(xiàn)象。所以理想的吸波材料要達(dá)到完美的阻抗匹配時(shí)，需創(chuàng)造特殊的邊界條件使入射電磁波在吸波材料表面的振幅反射率P最小(理想情況P=O)從而盡可能地從表面進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部。最簡(jiǎn)單的情況是電磁波從自由空間垂直射到介質(zhì)表面，此時(shí)p = (n-n0)/(n + n0)；式中p表示電磁波在介質(zhì)表面的振幅反射率；n表示介質(zhì)的相對(duì)本性阻抗；％表示自由空間的相對(duì)本性阻抗，欲使p =0,則n = n0°由于n0 = (y 0/ e 0)1/2, n = (u / e)1/2 ；式中^和e ^分別表示自由空間的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，均為I 和e分別表示介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)。所以可得e = U。 可見，要使直射電磁波完全進(jìn)入吸波材料，其阻抗完全匹配，吸波材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)要相等。事實(shí)上還沒有這種電磁參數(shù)的介質(zhì)，只能通過調(diào)整吸波材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率以達(dá)到近似匹配。根據(jù)上述原理調(diào)整吸波超材料10的每個(gè)超材料單元所設(shè)置的變抗元件40，就可對(duì)吸波超材料10中每一點(diǎn)的電磁參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使超材料單元的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率近似相等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸波超材料10與入射介質(zhì)間的阻抗匹配。進(jìn)一步地，如果入射電磁波包括多個(gè)不同的頻率段，可設(shè)置多個(gè)超材料片層3，通過單片機(jī)20控制DA轉(zhuǎn)換器30的輸出可選擇性的調(diào)節(jié)吸波超材料10的不同超材料片層3的等效電抗，通過多層超材料片層3吸收不同頻段的電磁波從而拓寬了吸波材料的吸收頻帶。為了達(dá)到良好的吸波性能還需要繼續(xù)對(duì)每個(gè)超材料單元內(nèi)的變抗器件40進(jìn)行調(diào)整，使吸波超材料10對(duì)入射電磁波有最大的能量損耗。由于吸波材料存在損耗，所以相對(duì)介電常數(shù)e = e ’-j e ”，相對(duì)磁導(dǎo)率y = U’-jy”，損耗大小可用電損耗因子tan Se =e ”/e ’和磁損耗因子tan Sm= y ” / y ’來表征，不同材料的基板I對(duì)應(yīng)不同的主要損耗因子，例如鐵電材料主要為電損耗因子、鐵磁材料主要為磁損耗因子而鐵氧材料則兩者皆有。當(dāng)入射電磁波的頻率等于每個(gè)超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)2和變抗器件40形的小電路的諧振頻率時(shí)，吸波超材料10的相對(duì)介電常數(shù)的虛部e ”增大，從而具有最大的電損耗因子tanS6= e ” / e ’，所以當(dāng)超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)2和變抗器件40形的小電路的諧振頻率與入射電磁波的頻率相同時(shí)具有最好的吸波效果?？梢岳斫猓{(diào)整變抗器件40以滿足吸波超材料10的相對(duì)介電常數(shù)e和相對(duì)磁導(dǎo)率U大致相等以及改善基板I衰減特性的過程是交互的，并非調(diào)整完一個(gè)條件以后再在原有基礎(chǔ)上調(diào)整第二個(gè)條件。滿足上述條件的超材料有很多種可實(shí)現(xiàn)方式。圖2所示是本發(fā)明所采用的吸波超材料10的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示吸波超材料10由至少一個(gè)均勻的超材料片層3沿垂直于片層表面方向堆疊形成，每個(gè)超材料片層3包括前后表面平行從而成等厚片狀的基板I，還包括附著在基板I上或嵌在每片基板I內(nèi)部的多個(gè)相同且陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)2。人造微結(jié)構(gòu)2可以采用具有對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如“工”字形、“十”字形或“H”形以及其衍生結(jié)構(gòu)等。本實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)2呈“工”字形，包括豎直的第一金屬絲201和分別連接在第一金屬絲201兩端且垂直于第一金屬絲201的第二金屬絲202。
圖3所示是圖2所示實(shí)施例的人造微結(jié)構(gòu)2的衍生，其人造微結(jié)構(gòu)2不僅包括構(gòu)成“工”字形的第一金屬絲201和第二金屬絲202，還包括分別連接在第二金屬絲202兩端且垂直于第二金屬絲202的第三金屬絲203。圖4所示是圖3的人造微結(jié)構(gòu)2的進(jìn)一步衍生，其人造微結(jié)構(gòu)2在圖3的基礎(chǔ)上還包括分別連接在第三金屬絲203兩端且垂直于第三金屬絲203的第四金屬絲204。依此類推，本發(fā)明的對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)2還有無窮多個(gè)。第二金屬絲202的長(zhǎng)度小于第一金屬絲201，第三金屬絲203的長(zhǎng)度小于第二金屬絲202，第四金屬絲204的長(zhǎng)度小于第三金屬絲203，依此類推。同樣，人造微結(jié)構(gòu)2也可以采用具有對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如帶有缺口的多邊形或帶有缺口的環(huán)形等。當(dāng)然，對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)2還有很多種，本文不再一一列舉。
圖5是本發(fā)明所采用的吸波超材料的第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中吸波超材料10的各超材料片層3附著的人造微結(jié)構(gòu)2具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的“工”字形和“雪花”型的人造微結(jié)構(gòu)2，也包括對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的帶有缺口的三角形的人造為結(jié)構(gòu)2。圖6所示的人造微結(jié)構(gòu)2是“T”形金屬絲601和一邊設(shè)置有開口的彎折金屬絲602的疊加，其中“T”形金屬601絲能夠?qū)﹄妶?chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，而彎折金屬絲602能夠?qū)Υ艌?chǎng)產(chǎn)生相應(yīng)。同理，可通過調(diào)節(jié)每個(gè)變抗器件40從而改變每個(gè)超材料單元等效介電常數(shù)e和等效磁導(dǎo)率U，通過合理的設(shè)計(jì)可滿足阻抗匹配特性和衰減匹配特性，實(shí)現(xiàn)良好的吸波效果。具體實(shí)施時(shí)，人造微結(jié)構(gòu)2由至少一根銅絲或者銀絲等金屬絲構(gòu)成，具有特定圖形。金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在基板I上。其中蝕刻是較優(yōu)的制造工藝，其步驟是在設(shè)計(jì)好合適的人造微結(jié)構(gòu)的平面圖案后，先將一張金屬箔片整體地附著在基板I上，然后通過蝕刻設(shè)備，利用溶劑與金屬的化學(xué)反應(yīng)去除掉人造微結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)圖案以外的箔片部分，余下的即可得到陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)。基板I高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得，其中高分子材料可采用聚四氟乙烯、FR-4或F4b等。以上所述是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，包括 吸波超材料，所述吸波超材料由至少一個(gè)超材料片層構(gòu)成，所述超材料片層包括基板和附著在所述基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)； 多個(gè)電抗可調(diào)節(jié)的變抗器件，設(shè)置于所述基板上且與多個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)電連接； 控制單元，用于對(duì)各個(gè)變抗器件的電抗進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求I所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述變抗器件為變?nèi)荻O管。
3.如權(quán)利要求I所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述控制單元包括單片機(jī)和多個(gè)與所述單片機(jī)電連接的DA轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求I所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述吸波超材料由至少一個(gè)阻抗均勻的超材料片層沿垂直于所述片層表面方向堆疊形成且所述每一片層的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U相等。
5.如權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
7.如權(quán)利要求6所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
8.如權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述基板由高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)具有對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的頻率可調(diào)的吸波裝置，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工” 字形、“十”字形或“H”形。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例涉及一種頻率可調(diào)的吸波裝置，包括具有吸波超材料、設(shè)置在每個(gè)超材料單元上的電抗可調(diào)節(jié)的變抗器件以及用于調(diào)節(jié)變抗器件的主控單元。本發(fā)明的吸波裝置可通過主控單元對(duì)設(shè)置在每個(gè)超材料單元上的變抗器件進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)每個(gè)超材料單元的等效電磁參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使吸波超材料對(duì)不同頻率的入射電磁波均滿足阻抗匹配特性和衰減匹配特性，該吸波裝置具有較寬的吸波頻帶和較高的吸波效率。
文檔編號(hào)H05K9/00GK102752996SQ201110099378
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 方能輝, 欒琳 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院