一种空间复用强吸收电磁吸波超材料

本发明属于电磁吸波技术，具体涉及一种空间复用强吸收电磁吸波超材料。

背景技术：

1、信息技术的发展和电磁兼容领域的需求对电磁吸波材料提出了更高的要求，理想的高性能吸波材料需同时实现超宽有效吸收带宽、强吸收特性，在大斜入射角下保持性能稳定，且具备结构简单、低成本、轻量化的工程应用优势。

2、现有二维平面吸波超表面虽构型灵活、设计便捷，可通过多层叠加的方式优化阻抗匹配进而实现宽带、强吸收性能，这种结构形式带来了更多的工艺复杂性。同时，受限谐振损耗机制，随着入射角度增大，深度吸收带宽迅速收窄，75°大角度入射下基本丧失有效的深度吸收能力，难以适配全向隐身与复杂电磁环境下的应用需求。

3、已有的三维吸波结构虽可在一定程度上拓宽吸收带宽，但仍无法有效突破宽频深度吸收的技术瓶颈：实心三维结构虽能保障一定的吸收强度，但面密度偏高，轻量化效果不足；蜂窝吸波材料作为空心三维结构的典型代表，为了实现强吸收性能，会采用多层蜂窝结构设计或基体浸渍吸波剂，未能从根本上满足简化制备工艺、延长结构长期服役的环境可靠性的问题，无法兼顾宽频深度吸收、轻量化与宽角度稳定的多重性能需求

4、因此，开发无元器件加载、工艺简单、轻量化且兼具超宽频强吸收与大角度稳定特性的三维吸波超材料，是本领域的关键研究方向。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种空间复用强吸收电磁吸波超材料，其结构单元采用多层空心柱体同心嵌套结构，通过在每个长方体柱的外表面加载不同的超表面损耗功能层同时实现优异的阻抗匹配、强吸收特性和大斜入射角。满足当前无元器件加载、工艺简单、轻量化且兼具超宽频强吸收与大角度稳定特性的三维吸波超材料的应用需求。

2、本发明提供了一种空间复用强吸收电磁吸波超材料，在xyz三维坐标系内，在z方向由上至下包括蒙皮、吸波功能层以及强反射背板；吸波功能层在xoy平面内由外至内依次包括有损介质空心柱体i、有损介质空心柱体ii及有损介质空心柱体iii；有损介质空心柱体i在z方向上依次设置有电磁超表面i、电磁超表面ii以及电磁超表面iii；有损介质空心柱体ii在z方向上依次设置有电磁超表面iv和电磁超表面v；有损介质空心柱体iii在z方向上依次设置有电磁超表面vi和电磁超表面vii。

3、优选地，吸波超材料在xoy平面内周期排布，周期的大小为10.0~30.0 mm，材料的尺寸根据应用场景的实际需求确定。

4、优选地，蒙皮、有损介质空心柱体ⅰ、有损介质空心柱体ⅱ以及有损介质空心柱体ⅲ均为具有一定介电损耗或磁损耗特性的材料，例如pla、pet、carbon/glass fiberreinforced pla、磁性金属微粉掺杂pps、玻璃纤维板或芳纶纸等，相对介电常数的范围为1.5-15.0，相对磁导率的范围为1.0-15.0，厚度为0.1-5.0 mm；有损介质空心柱体ⅰ、有损介质空心柱体ⅱ、有损介质空心柱体ⅲ的高度均为10.0-35.0 mm。

5、优选地，电磁超表面i为贴合于有损介质空心柱体i内壁或外壁的长方形环电阻膜，沿z轴方向设置，长方形环的长为10.0-30.0 mm，宽为2.0-10.0 mm，线宽为0.5-4.5 mm，方阻为10-1000 ω/sq。

6、优选地，电磁超表面ii为贴合于有损介质空心柱体i内壁或外壁的环结构，沿z轴方向设置，环结构由低方阻电阻膜构成，线宽为0.5-4.0 mm，方阻为0.1-30 ω/sq，环结构上均匀分布有多个高方阻长方形电阻膜i，长方形电阻膜i的长和宽均为0.5-5.0 mm，方阻为30-1000 ω/sq。

7、优选地，电磁超表面iii为贴合于有损介质空心柱体i内壁或外壁的不连续电阻膜线，沿z轴方向设置，电阻膜线的线宽为0.5-4.0 mm，方阻为0.1-30 ω/sq，电阻膜线上均匀分布有多个高方阻长方形电阻膜ii，长方形电阻膜ii的长和宽均为0.5-5.0 mm，方阻为30-1000 ω/sq。

8、电磁超表面iv为贴合于有损介质空心柱体ii内壁或外壁上半部的多个长方形环形电阻膜，沿z轴方向设置，且长方形环形电阻膜通过衔接不同线宽的电阻膜线实现局部阻抗调节，环形电阻膜的线宽为0.5-4.0mm，方阻为30-1000ω/sq。

9、电磁超表面v为贴合于有损介质空心柱体ii内壁或外壁下半部的完整电阻膜，沿z轴方向设置，完整电阻膜的方阻为30-1000 ω/sq。

10、电磁超表面vi为贴合于有损介质空心柱体iii内壁或外壁上半部的首尾相连的长方形环电阻膜，沿z轴方向设置，长方形环电阻膜的长为10.0-30.0 mm，宽为2.0-10.0 mm，线宽为0.5-4.5 mm，方阻为10-1000 ω/sq。

11、电磁超表面vii为贴合于有损介质空心柱体iii内壁或外壁下半部的环结构，沿z轴方向设置，环结构由低方阻电阻膜构成，线宽为0.5-4.0 mm，方阻为0.1-30 ω/sq，环结构上均匀分布有多个高方阻长方形电阻膜iii，长方形电阻膜iii的长和宽均为0.5-5.0mm，方阻为30-1000 ω/sq。

12、优选地，强反射背板采用高导电材料构成，例如金属铜箔、碳纤维板、碳化硅纤维板等。

13、优选地，电磁超表面ⅰ、电磁超表面ⅱ、电磁超表面ⅲ、电磁超表面ⅳ、电磁超表面ⅴ、电磁超表面ⅵ以及电磁超表面ⅶ可通过丝网印刷、喷印等工艺制备。

14、优选地，有损介质空心柱体ⅰ、有损介质空心柱体ⅱ、有损介质空心柱体ⅲ通过3d打印工艺或者雕刻、模压、叠层胶接拉伸法等工艺制备。

15、工作原理

16、1. 本发明的空间复用强吸收电磁吸波超材料强吸收波性能主要通过3-电磁超表面ⅰ、4-电磁超表面ⅱ和5-电磁超表面ⅲ、9-电磁超表面ⅳ和11-电磁超表面ⅴ、12-电磁超表面ⅵ和14-电磁超表面ⅶ空间复用阻抗匹配优化设计得到。3-电磁超表面ⅰ是低频吸收补偿层，4-电磁超表面ⅱ是低频强吸收层，5-电磁超表面ⅲ中频和高频阻抗调节层；9-电磁超表面ⅳ是全频段吸收补偿层和阻抗调节层，11-电磁超表面ⅴ是中高频吸收补偿层；12-电磁超表面ⅵ是全频段吸收补偿层和阻抗调节层，14-电磁超表面ⅶ是高频强吸收层。

17、2. 2-有损介质空心柱体ⅰ，10-有损介质空心柱体ⅱ和13-有损介质空心柱体ⅲ的空心嵌套式设计，能够在实现理想阻抗匹配效果的同时减少超材料面密度，达到轻量化的目的；此外，三层空心嵌套设计，能够增强材料力学性能。

18、3. 4-电磁超表面ⅱ、11-电磁超表面ⅴ和14-电磁超表面ⅶ构成的空间电容能够有效调节超材料整体的阻抗匹配效果，优化吸波带宽和吸收强度。

19、4. 3-电磁超表面ⅰ、4-电磁超表面ⅱ和5-电磁超表面ⅲ、9-电磁超表面ⅳ和11-电磁超表面ⅴ、12-电磁超表面ⅵ和14-电磁超表面ⅶ加载在三层嵌套的空心柱体上，通过电磁波斜入射方向的空间复用，实现了良好阻抗匹配和能量吸收。

20、技术效果

21、与现有技术相比，采用本发明提供的空间复用强吸收电磁吸波超材料，可以实现如下技术效果：

22、1. 本发明提供的空间复用强吸收电磁吸波超材料，通过三层嵌套的空心柱体设计，同时实现了轻量化、低成本、力学性能补足的效果。

23、2. 本发明提供的空间复用强吸收电磁吸波超材料，实现了超宽带强吸收性能，电磁波垂直入射时反射系数低于-30 db的频带不少于4.0-14.8 ghz；反射系数低于-20 db的频段不少于3.0-15.8 ghz。

24、3. 本发明提供的空间复用强吸收电磁吸波超材料，实现了超宽带强吸收性能，电磁波垂直入射时反射系数低于-10 db的频带不少于2.2-25.0 ghz。

25、4. 本发明提供的空间复用强吸收电磁吸波超材料，具备大入射角特性，-30 db吸收频带的最大斜入射角可达到 30°，斜入射角达到 75° 时，依然保持良好的吸收性能。