[发明专利]一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料

说明书

本发明公开了一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，包括金属板衬底，多个中间介质层和亚波长结构层。其中，亚波长结构由具有几何图案的结构化电阻膜周期性排列组成，并且亚波长结构层为具有预定的电阻值和尺寸参数，中间介质层均为具有预定厚度的低介电常数介质，优选聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或蜂窝介质。本发明结构可设计性强，能依据实际需求设计满足相应的宽带范围；能够保证宽带高吸收性能，同时具有轻质的特性。适用于宽波段电磁吸收的微波暗室、电磁屏蔽和电磁兼容等领域。

技术领域

本发明涉及电磁吸收材料的技术领域，具体涉及一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料。

背景技术

1860年，基尔霍夫提出了理想黑体的概念：“一种无限薄的材料，电磁波入射之后，既没有反射，也没有透射，所有能量被完全吸收”。普朗克随即指出：“理想的黑体在物理上不能存在，所有电磁吸收材料必须具备一定的厚度”。2000年，俄罗斯科学院科学家Rozanov进一步从Kramer-Kronig关系出发，严格推导得到在一定吸收率条件下，带宽与厚度的对应关系[IEEE Trans.Antennas Propagat.48,1230，(2000)]。“电磁吸收材料必须具备一定的厚度”成为该领域内的普遍共识。因此，现代物理对黑体的定义也舍弃了无限薄这一限定。电磁吸收体的厚度限制严重制约了其实际应用，特别是在射频、微波频段，所需要的厚度达到数十毫米。

近年来，受到亚波长结构新奇特性的启发，国际上开始研究基于亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的近完美电磁吸收现象，在微波、太赫兹、红外以及光波等不同波段验证了各式结构的吸收特性。由于亚波长结构的谐振特性，其吸收频率与其结构密切相关，表现为大多数结构均为窄带吸收，相对带宽不超过3％。2009年以来，一种广为使用的带宽拓展方法即混合尺寸亚波长结构，其通过平面内大小周期的嵌套，使得不同结构对应于不同的谐振频率，从而能将带宽拓展3倍以上。尽管如此，拓展之后的整体相对带宽仍不足，尤其是低频0.3-1.0GHz频段内的电磁吸收效果较差。因此，是否能够进一步降低吸收材料厚度，厚度薄、重量轻、频带宽、吸收强的吸收材料研究，成为本领域面临的关键科学技术问题。

传统电磁吸收材料包括电磁吸收涂层和电磁吸收结构两类，电磁吸收涂层是指在物体表面涂覆具有电磁吸收功能的涂料以达到损耗电磁波的目的，电磁吸收结构则是赋予材料吸波和承载双重性能。

电磁吸收涂层的有效频带为1-20GHz，很难达到P波段。涂层厚度与波长成正比(约为波长的1/10-1/4)，在0.3GHz频率情况，通常涂层厚度在100mm左右，严重限制了其应用范围。

目前基于超材料或频率选择表面结构的宽带电磁吸收材料主要针对1-18GHz，但是P波段(0.3-1GHz)的吸收效果不理想。发明专利(CN201510894877)提出基于磁性吸收材料和四层电阻膜结构在4-18GHz范围具有较好电磁吸收效果，虽然磁性吸收材料可增加低频吸收，但在P和L波段效果依然并不理想。另一发明专利(CN106329150A)提出一种包括金属板、吸波涂层、七层蜂窝结构层、七层电阻结构层的电磁吸收超材料，在1-18GHz范围有比较好的吸收效果，但是结构层数多，加工工艺复杂，成本高，而且在P波段效果同样不理想。另外上述专利主要采用阻值较高(大于100欧姆)的薄膜电阻，要求将膜层厚度控制在纳米量级，在实际大面积加工时存在较大难度，实际阻值与设计值偏差较大，导致材料电磁吸收效果变差。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，通过选择合适的介质材料和优化设计多层亚波长结构，使该电磁吸收材料阻抗与空气阻抗匹配，进而实现低频超宽带电磁吸收的效果。