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1、(10)申请公布号 CN 102843899 A (43)申请公布日 2012.12.26 C N 1 0 2 8 4 3 8 9 9 A *CN102843899A* (21)申请号 201210275381.5 (22)申请日 2012.08.03 H05K 9/00(2006.01) (71)申请人深圳光启创新技术有限公司 地址 518034 广东省深圳市福田区香梅路 1061号中投国际商务中心A栋18B (72)发明人刘若鹏 赵治亚 寇超锋 何嘉威 (54) 发明名称 一种吸波超材料及吸波装置 (57) 摘要 本发明公开了一种吸波超材料及吸波装置， 该吸波超材料包括：第一片层，第一片层。
2、包括第 一基材及在第一基材上周期排布的用于吸收电磁 波的多个第一微结构，并且多个第一微结构中包 括结构相同但在片层平面上不同朝向的第一微结 构；第二片层，第二片层包括第二基材及在第二 基材上周期排布的用于降低电磁波透射率的第二 微结构；其中，第一片层和第二片层层叠设置。通 过上述方式，本发明能够利用多个片层的组合来 提高吸波超材料的磁导率和介电常数，并降低透 射率，从而实现了吸波超材料在较宽的频段吸收 电磁波。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图13页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 13 页 1/1页。
3、 2 1.一种吸波超材料，其特征在于，所述吸波超材料包括： 第一片层，所述第一片层包括第一基材及在第一基材上周期排布的用于增加电磁波入 射率的多个第一微结构，并且所述多个第一微结构中包括结构相同但在片层平面上不同朝 向的第一微结构； 第二片层，所述第二片层包括第二基材及在第二基材上周期排布的用于降低电磁波透 射率的第二微结构； 其中，所述第一片层和第二片层层叠设置。 2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：所述吸波超材料包括设置于第二 片层在远离第一片层一侧的第三片层，所述第三片层包括在用于模拟实际环境的第三基材 平板。 3.根据权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于： 所述第一微结构。
4、是线型子单元结构，每四个所述线型子单元结构为一组，每组的线型 子单元结构分为两行两列，对齐排列，其中每组线型子单元结构中的对角两个线型子单元 结构朝向相同，而每组线型子单元结构中的相邻线型子单元结构间朝向相差九十度； 所述第二片层包括层叠设置的第一子层和第二子层，所述第一子层的第二微结构和第 二子层的第三人造微结构一一对应设置，并且相互为互补的图案。 4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于：所述第一片层中的线型子单元结 构包括多条长短不同的直线型金属分支，并且所述多条长短不同的直线型金属分支一起组 成在片层平面内的漏斗图案。 5.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于：所述多条直线。
5、型金属分支平行等 间距排列。 6.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于：每个漏斗图案内的所述直线型金 属分支为奇数条，所述漏斗图案两端的直线型金属分支轴对称设置。 7.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于：所述相互为互补图案的第二微结 构包括内外环设置的带缺口的环型金属分支和完整的环型金属分支。 8.根据权利要求7所述的吸波超材料，其特征在于：所述第二片层的完整的环型金属 分支和带缺口的环型金属分支数量均为两个。 9.根据权利要求7所述的吸波超材料，其特征在于：所述带缺口的环型金属分支上设 置有四个缺口，四个所述缺口等间距地分布在带缺口的环型金属分支上。 10.根据权利要求1所述的。
6、吸波超材料，其特征在于：所述第一基材、第二基材与第三 基材材质相同，均为FR-4材料、F4B材料、聚苯乙烯PS材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁 材料。 11.根据权利要求1-10中所述任一项的吸波超材料，其特征在于：所述第一微结构和 第二微结构均为人造金属微结构。 12.一种吸波装置，其特征在于，所述吸波装置包括权利要求1-10中所述任一项的吸 波超材料。 权 利 要 求 书CN 102843899 A 1/6页 3 一种吸波超材料及吸波装置 技术领域 0001 本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种吸波超材料及吸波装置。 背景技术 0002 随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增。
7、大。例如：飞机航班因 电磁波干扰无法起飞而误点，移动电话干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁 污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料，已成为材料科学的一大课题。另外，吸波 材料在其它方面也有广泛应用，比如隐形机，隐形衣等。 0003 其中一种现有技术的吸波超材料，通过改变材料的介电常数和磁导率来提升吸收 效率，对特定频率的电磁波相对于普通吸波材料来说，吸收效果已经有了较大的进步，但是 这种吸波超材料仅在很窄的频段内具有较好的吸波效果。 发明内容 0004 本发明主要解决的技术问题是提供一种吸波超材料及吸波装置，能够解决现有技 术的吸波超材料吸波带宽较短的问题。 0005 为解决上。
8、述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种吸波超材料，该吸 波超材料包括： 0006 第一片层，第一片层包括第一基材及在第一基材上周期排布的用于增加电磁波入 射率的多个第一微结构，并且多个第一微结构中包括结构相同但在片层平面上不同朝向的 第一微结构； 0007 第二片层，第二片层包括第二基材及在第二基材上周期排布的用于降低电磁波透 射率的第二微结构； 0008 其中，第一片层和第二片层层叠设置。 0009 其中，吸波超材料包括设置于第二片层在远离第一片层一侧的第三片层，第三片 层包括在用于模拟实际环境的第三基材平板。 0010 其中，第一微结构是线型子单元结构，每四个线型子单元结构为一组。
9、，每组的线 型子单元结构分为两行两列，对齐排列，其中每组人工电磁材料单元结构中的对角两个线 型子单元结构朝向相同，而每组线型子单元结构中的相邻线型子单元结构间朝向相差九十 度； 0011 第二片层包括层叠设置的第一子层和第二子层，第一子层的第二微结构和第二子 层的第三人造微结构一一对应设置，并且相互为互补的图案。 0012 其中，第一片层中的线型子单元结构包括多条长短不同的直线型金属分支，并且 多条长短不同的直线型金属分支一起组成在片层平面内的漏斗图案。 0013 其中，多条直线型金属分支平行等间距排列。 0014 其中，每个漏斗图案内的直线型金属分支为奇数条，漏斗图案两端的直线型金属 分支轴。
10、对称设置。 说 明 书CN 102843899 A 2/6页 4 0015 其中，相互为互补图案的第二微结构包括内外环设置的带缺口的环型金属分支和 完整的环型金属分支。 0016 其中，第二片层的完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支数量均为两个。 0017 其中，带缺口的环型金属分支上设置有四个缺口，四个缺口等间距地分布在带缺 口的环型金属分支上。 0018 其中，第一基材、第二基材与第三基材材质相同，均为FR-4材料、F4B材料、聚苯乙 烯PS材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。 0019 其中，第一微结构和第二微结构均为人造金属微结构。 0020 为解决上述技术问题，本发明提供的另一。
11、种技术方案是：提供一种吸波装置，该吸 波装置包括上述任意一项的吸波超材料。 0021 本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的吸波超材料的第一片层 增加电磁波入射率，第二片层降低透射率，由于第一片层的增加电磁波入射率的作用，使得 较宽频段的电磁波入射到材料内，通过第一片层和第二片层相配合从而实现了吸波超材料 在较宽的频段吸收电磁波。 附图说明 0022 图1是构成超材料的基本单元的立体结构示意图； 0023 图2是本发明实施例的吸波超材料的结构示意图； 0024 图3是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第一实施例结构示意图； 0025 图4是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第二。
12、实施例结构示意图； 0026 图5是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第三实施例结构示意图； 0027 图6是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第一实施例结构示 意图； 0028 图7是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第一实施例结构示 意图； 0029 图8是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第二实施例结构示 意图； 0030 图9是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第二实施例结构示 意图； 0031 图10是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第三实施例结构示 意图； 0032 图11是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层。
13、的第三实施例结构示 意图； 0033 图12是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层的第四实施例结构示 意图； 0034 图13是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第四实施例结构示 意图； 0035 图14是本发明实施例的吸波超材料的第三片层的结构示意图； 0036 图15是本发明实施例的吸波超材料仿真测试结果示意图。 说 明 书CN 102843899 A 3/6页 5 具体实施方式 0037 光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺 寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描 述玻璃对光线的响应。相应的，。
14、在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远 小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数表示，例如用介电常数 和磁导率来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同 或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介 电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁 波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。 0038 如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单 元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。本发明中，人造微结构2为人造金属 微。
15、结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑 结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材 料基本单元对入射电磁波的响应。本发明一实施例中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3， 覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成本发明超材料的基本单元。多个超材料基本单元按 一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波 有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每 一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分 之一。本段描述中，我们人为的将超材料整。
16、体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分 方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中 超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布 即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生 连续的电磁响应。 0039 当仅仅在基材上周期排布单一人造金属微结构以达到吸收电磁波的效果时，由于 单一人造金属微结构的局限性，其通常仅能在一个频点或者较窄的频段上实现吸收电磁波 的性能。然而在实际应用时，通常需要在较宽的频段依然能达到吸收电磁波的效果。 0040 请参阅图2，图2是本发明实施例的吸波超材料的结构示意。
17、图。如图2所示，吸波 超材料包括第一片层101、第二片层102和第三片层103，第二片层包括第一子层1021和第 二子层1022，第一片层101、第二片层102和第三片层103层叠设置。 0041 第一片层101、第二片层102和第三片层103分别具有不同的功能，三者相互配合， 下面结合附图详细说明每个片层的结构、功能和原理。 0042 请参阅图3，图3是本发明实施例的吸波超材料中，周期排布于第一片层上的第一 人造金属微结构的第一实施例结构示意图。如图3所示，阴影部分为第一人造金属微结构 301，空白部分为第一基材302，第一片层包括第一基材302以及周期排布于第一基材302上 的多个结构相同。
18、、尺寸相同的第一人造金属微结构301。第一人造金属微结构301包含四个 相同的线型子单元结构，四个线型子单元结构分别分成两行两列，每行每列均是两个，对齐 排列共同构成第一人造金属微结构301。对角的两个线型子单元结构的朝向相同，而相邻的 线型子单元结构间朝向相差九十度。第一人造金属微结构301整体呈各向同性，各向同性 说 明 书CN 102843899 A 4/6页 6 的第一人造金属微结构301对入射到其表面的各个方向的电磁波均具有相同的电磁响应， 能防止电磁干扰、简化设计。各向同性是指绕第一人造金属微结构301的中心点，将第一人 造金属微结构301在其所在平面任意方向旋转90后得到的新的人。
19、造金属微结构都与原 人造金属微结构重合。 0043 子单元结构包括多条长短不同的直线型金属分支，并且多条长短不同的直线型金 属分支一起组成在片层平面内的漏斗图案。每个漏斗图案内的直线型金属分支材料为奇数 条，具体为十一条，漏斗图案两端的直线型金属分支轴对称设置，且多条直线型金属分支平 行等间距排列。 0044 第一片层的主要作用是提高磁导率，增强本发明吸波超材料与自由空间的阻抗匹 配特性，减少从自由空间入射到吸波超材料表面被反射回去的电磁波，增加电磁波入射率。 当电磁波入射到材料上时，第一片层能最大限度地使电磁波进入材料内部。该功能的实现 原理是第一片层的每个线型子单元结构中有多条长短不同的直。
20、线型金属分支，这些直线型 金属分支切割磁场，加强微结构的磁效应，提高磁导率。而每个微结构为了保证各向同性的 效果选择了四个线型子单元结构以上述方式排列。 0045 在其他实施例中，每个微结构中的线型子单元结构数量和排列方式均可以改变， 以其他方式实现各向同性，或作为单方向使用的材料不做各向同性的排列。每个线型子单 元结构的直线型金属分支的数量和长度都可以根据需要提高的磁导率的不同而改变。 0046 下面介绍另外二种在直线型金属分支的长度和数量改变的第一片层类型。 0047 请参阅图4，图4是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第二实施例结构示 意图。如图4所示，阴影部分为第一人造金属微结构40。
21、1，空白部分为第一基材402，每个线 型子单元结构中的直线型金属分支为五条，相比于第一类型的数量减少了，在可以满足需 求的情况下降低了材耗。 0048 请参阅图5，图5是本发明实施例的吸波超材料的第一片层的第三实施例结构示 意图。如图5所示，阴影部分为第一人造金属微结构501，空白部分为第一基材502，每个线 型子单元结构中的直线型金属分支的长度相对于第一类型的更长，使用了更多的材料但在 提高磁导率的效果上也更好。 0049 请参阅图6，图6是本发明实施例的吸波超材料中，周期排布于第二片层的第一 子层上的第二人造金属微结构的第一实施例结构示意图。如图6所示，阴影部分为第二片 层的第一子层上的第。
22、二人造金属微结构601，空白部分为第二基材602，第一子层包括第二 基材602以及周期排布于第二基材602上多个结构相同、尺寸相同的第二人造金属微结构 601。第一子层的第二人造金属微结构601包括完整的环型金属分支和带缺口的环型金属 分支，数量均为两个，带缺口的环型金属分支上设置有四个缺口，四个缺口等间距地分布在 带缺口的环型金属分支上，两个完整的环型金属分支均在带缺口的环型金属分支内。 0050 第二片层的第一子层的主要作用是提高介电常数，该功能的实现原理是通过带缺 口的环型金属分支上的缺口产生电容，完整的环型金属分支产生电感，两者共同作用加大 了微结构的电效应，提高介电常数。 0051 。
23、请参阅图7，图7是本发明实施例的吸波超材料中，周期排布于第二片层的第二子 层上的第三人造微结构的第一实施例结构示意图。如图7所示，阴影部分为第二基材702， 空白部分为镂空部即第三人造微结构701，第二基材702为金属基材，在金属基材上镂空形 说 明 书CN 102843899 A 5/6页 7 成有周期排布的多个结构相同、尺寸相同的第三人造微结构701。第三人造微结构701的形 状和尺寸与第二人造金属微结构601的形状和尺寸相同。 0052 第一人造金属微结构与第二人造金属微结构均周期排布于基材上，基材材质为不 同于第一人造金属微结构和第二人造金属微结构的材质。第一基材和第二基材优选为FR-。
24、4 材料、F4B材料、PS材料、铁电材料、铁氧材料、陶瓷材料等。更优选地，第一基材和第二基材 选取各类对电磁波具有良好吸收效果的材质以进一步加强本发明吸波超材料的吸收电磁 波效果。第二子层不同于第一子层以及第一片层的地方在于，第二子层的基材为金属材质， 在金属材质的第二子层基材上镂空部分形成第三人造微结构。如图7所示，第二子层的第 三人造微结构701和第一子层的第二人造金属微结构601一一对应设置，并且为互补的图 案。 0053 第二片层的第二子层与第二片层的第一子层为互补结构的作用是降低透射率。 0054 这样通过第一子层和第二子层的配合作用，实现了将通过第一片层最大限度进入 材料的电磁波最。
25、大可能的衰减掉。 0055 完整的环型金属分支和带缺口的环型金属分支的排列顺序对功能的实现没有影 响，在其他实施例中，顺序可以任意排列，第二人造金属微结构的金属分支的形状不一定必 须是环型的，选择环型的目的是为了保证第二片层的各向同性，第二人造金属微结构的金 属分支的形状可以选择其他的能保证各向同性的形状也可以仅为单向使用而选择其他任 意形状。 0056 缺口的数量和位置也可以根据形状的不同而做出相应的调整。 0057 请一并参阅图8和图9，图8是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层 的第二实施例结构示意图，图9是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的第 二实施例结构示意图。如。
26、图8所示，阴影部分为第二片层的第一子层上的第二人造金属微 结构801，空白部分为第二基材802，如图9所示阴影部分为第二基材902，空白部分为镂空 部即第三人造微结构901，第二片层的第一子层和第二片层的第二子层中的完整的环型金 属分支和带缺口的环型金属分支均间隔设置，对第二片层的功能实现没有影响，在其他实 施例中，也可以将带缺口的环型金属分支都排列在完整的环型金属分支内。 0058 请一并参阅图10和图11，图10是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一 子层的第三实施例结构示意图，图11是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子 层的第三实施例结构示意图。如图10所示，阴影部分为第二片。
27、层的第一子层上的第二人造 金属微结构1001，空白部分为第二基材1002，如图11所示，阴影部分为第二基材1102，空白 部分为镂空部即第三人造微结构1101，相比于第二片层的第一子层和第二片层的第二子层 的第一类型结构，第三类型的第二人造金属微结构中的金属分支均为矩形，带缺口的金属 分支的缺口设在矩形的四条边上。 0059 请参阅图12和图13，图12是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第一子层 的第四实施例结构示意图，图13是本发明实施例的吸波超材料的第二片层的第二子层的 第四实施例结构示意图。如图12所示，阴影部分为第二片层的第一子层上的第二人造金属 微结构1201，空白部分为第二基材。
28、1202，如图13所示，阴影部分为第二基材1302，空白部分 为镂空部即第三人造微结构1301，相比于第二片层的第一子层和第二片层的第二子层的第 一类型结构，第四类型的第二人造金属微结构1201中的金属分支为三角形，带缺口的金属 说 明 书CN 102843899 A 6/6页 8 分支的缺口设在三角形的三条边上。 0060 上述的这些微结构中，带缺口的金属分支和完整的金属分支的排列顺序是可以同 时改变和组合的，总之无论何种形状和排列顺序的组合都是本领域的技术人员根据本领域 的公知常识和本发明能够轻易实现的，所以都应包括在本发明的保护范围之内。 0061 请参阅图14，图14是本发明实施例的吸。
29、波超材料的第三片层的结构示意图。如图 14所示，第三片层为第三基材构成的一个平板，根据需要的不同，平板可以改成其他任意形 状。 0062 第三片层的作用是模拟实际环境，一般情况下，吸波材料会敷在该类材料的器件 中，用以降低电磁波对器件的影响，如果吸波材料不是敷在该类材料的器件中，亦可通过镀 上一层该类材料薄层构成一整体，再敷在其他材料构成的器件中。而加入第三片层，可以用 以代替上述操作模拟该材料在实际环境中的真实效能。 0063 本发明的吸波超材料的第一片层、第二片层和第三片层依次叠放，电磁波从第一 片层入射，在其他实施例中，各个片层的数量可以不同，根据不同的需要增加不同的片层的 数量，例如：。
30、要求能尽可能多的使电磁波进入吸波超材料内部，则可以增加第一片层的数 量，要求尽可能的降低透射通过吸波超材料的情况下，则增加第二片层的数量。 0064 第一片层、第二片层和第三片层组合之后，相互配合，相互影响，相比与单层的吸 波材料，本发明的吸波超材料由于有第一片层提高磁导率，通过综合各层的效应从而达到 了在较宽频段吸波的效果。 0065 请参阅图15，图15是本发明实施例的吸波超材料仿真测试结果示意图。如图 15所示，横坐标为入射电磁波的频率，纵坐标为s 11 参数dB值，实验结果表明此超材料在 2.17GHZ-7.89GHZ的s 11 参数dB值低于-4dB，该结果表明，本发明实施例和单片层。
31、吸波超材 料相比，本发明实施例的多层基本单元层的超材料可以显著提高吸波带宽。 0066 为解决上述问题，本发明进一步提供了一种吸波装置，该吸波装置包括上述的吸 波超材料。 0067 综上所述，本发明的吸波超材料的第一片层通过提高磁导率增加电磁波进入材料 内部的比率，第二片层通过第一子层和第二子层之间的互补结构提高介电常数降低透射 率，第一片层和第二片层相配合从而实现了吸波超材料在较宽的频段吸收电磁波。 0068 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利。
32、保护范围内。 说 明 书CN 102843899 A 1/13页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102843899 A 2/13页 10 图3 说 明 书 附 图CN 102843899 A 10 3/13页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102843899 A 11 4/13页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102843899 A 12 5/13页 13 图6 说 明 书 附 图CN 102843899 A 13 6/13页 14 图7 说 明 书 附 图CN 102843899 A 14 7/13页 15 图8 说 明 书 附 图CN 102843899 A 15 8/13页 16 图9 说 明 书 附 图CN 102843899 A 16 9/13页 17 图10 说 明 书 附 图CN 102843899 A 17 10/13页 18 图11 说 明 书 附 图CN 102843899 A 18 11/13页 19 图12 说 明 书 附 图CN 102843899 A 19 12/13页 20 图13 说 明 书 附 图CN 102843899 A 20 13/13页 21 图14 图15 说 明 书 附 图CN 102843899 A 21 。