技术领域
[0001] 本申请属于微波吸收技术领域，尤其涉及一种微波吸收器。
相关背景技术
[0002] 近年来，随着现代技术的快速发展，集成电路、芯片、柔性电子、无线通信、隐身系统、消声室等场景正逐渐往小型化、集成化方向发展，赋予它们高性能、便携性和节能等新特点。
[0003] 然而，在这些空间极度受限场景中的电磁元件过于拥挤，会产生严重且复杂的内部电磁干扰(尤其是在0.3～8GHz的低频微波波段)，因此如何设计出深微米级(小于200μm)超薄微波吸收器来消除极其有限空间中的电磁干扰，成为亟待解决的问题。
具体实施方式
[0055] 下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[0056] 下面参考附图描述本申请实施例提供的微波吸收器。
[0057] 图1为本申请实施例提供的微波吸收器的结构示意图。
[0058] 如图1所示，本申请实施例提供的微波吸收器包括至少一个结构单元100。在微波吸收器包括多个结构单元100的情况下，多个结构单元100沿x方向和y方向排列，以在xy平面呈阵列分布。其中，x方向与y方向相垂直。多个结构单元100可以完全相同，即多个结构单元100的膜层结构可以相同，多个结构单元100的大小可以相同等。
[0059] 结合图2和图4所示，结构单元100包括接地层1、损耗层2和匹配层3。其中，接地层1可以为金属接地层。损耗层2位于接地层1的沿z方向的一侧，z方向分别与x方向和y方向相垂直。损耗层2可以与接地层1紧密贴合。损耗层2包括具有超高介电损耗能力的高损耗介电材料，损耗层2在微波频段的介电常数实部和介电常数虚部均为正，且损耗层2在微波频段的介电常数虚部大于目标值。匹配层3位于损耗层2背离接地层1的一侧，匹配层3可以与损耗层2紧密贴合。
[0060] 目前微波吸收器的厚度普遍大于1mm，相关技术主要通过提高微波吸收器的介电常数实部或虚部来减薄微波吸收器。但是，在微波频段很难实现单一微波吸收材料具有数值高达百量级的超高介电常数实部以实现深微米级微波吸收效果。而超高介电常数虚部带来的高介电损耗能力和高微波吸收之间存在由阻抗失配导致的难以克服的物理矛盾，进而无法有效吸收微波。
[0061] 基于此，本实施例设置损耗层2，并在损耗层2上设置匹配层3，以确保微波能完全进入损耗层2，损耗层2在微波频段的介电常数实部和介电常数虚部均为正，且损耗层2的介电常数虚部大于目标值，以使损耗层2能在深微米级超薄厚度下完全耗散掉微波能量。本实施例巧妙避开了寻找超高介电常数实部的困境，而且打破了高介电损耗能力和高微波吸收之间物理矛盾的束缚，在深微米级超薄厚度下可实现对微波频段的完美吸收，将微波吸收器推进到深微米级别厚度，有望适用于小型化、集成化的电子设备或器件上。而且，微波吸收器的整体结构简单紧凑，在民用抗电磁干扰领域具有十分广阔的应用前景。
[0062] 在一些实施例中，微波吸收器的厚度为50μm～200μm。本实施例中的微波吸收器的厚度小于200μm，从而实现深微米级超薄微波吸收器。
[0063] 在一些实施例中，结构单元100的边长与微波波长呈正相关关系。结构单元100在xy方向的截面可以呈正方形，该正方形的边长即为结构单元100的边长。
[0064] 通过调整微波吸收器中的结构单元100的边长，可以实现对微波频段不同频点的吸收。在微波吸收器所吸收频点的波长较大的情况下，可以增大结构单元100的边长；在所吸收频点的波长较小的情况下，可以减小结构单元100的边长。
[0065] 在一些实施例中，结构单元的边长为0.1mm～90mm。
[0066] 在一些实施例中，目标值为200，即损耗层2的介电常数虚部大于200。损耗层2具有大于200的超高介电常数虚部，可以使损耗层2在深微米级超薄厚度下完全耗散掉微波能量。
[0067] 在一些实施例中，损耗层2的导电率为50S/m～100S/m。损耗层2可以为导电率在50S/m～100S/m范围内的高损耗介电材料，使损耗层2在微波频段内的介电常数实部和介电常数虚部均为正，而且由自由电子理论可知这种材料可获得大于200的超高介电常数虚部，以使损耗层能在深微米级超薄厚度下完全耗散掉微波能量。
[0068] 在一些实施例中，损耗层2包括氮掺杂石墨烯。氮掺杂石墨烯具有较高的电导率(60.8S/m)，使损耗层2在微波波段具有同时为正的介电常数实部和介电常数虚部，以及超高的介电损耗能力，有助于微波吸收器大幅减薄并同时实现对微波的完美吸收。
[0069] 需要说明的是，损耗层2也可以包括其他材料，只要保证损耗层2在微波频段内的介电常数实部和介电常数虚部均为正，且介电常数虚部大于目标值即可，此处不作具体限定。
[0070] 在一些实施例中，损耗层2的厚度为10μm～50μm。损耗层2的厚度较薄，对微波吸收器的厚度影响较小，以实现深微米级超薄微波吸收器。
[0071] 在一些实施例中，如图2和图4所示，匹配层3包括介质层31和谐振层32。介质层31位于损耗层2背离接地层1的一侧，且介质层31可以与损耗层2紧密贴合。谐振层32位于介质层31背离损耗层2的一侧，且谐振层32可以与介质层31紧密贴合。其中，谐振层32可以为中心对称图形，即谐振层32以其中心点为对称中心呈中心对称设置。谐振层32可以包括金属，如铜锡合金。
[0072] 本实施例中介质层31和谐振层32的设置，可以诱导入射电磁波完全进入微波吸收器内。
[0073] 在一些实施例中，匹配层3的厚度为40μm～150μm。匹配层3的厚度大大减小，以实现深微米级超薄微波吸收器。
[0074] 在一些实施例中，介质层31的厚度为30μm～130μm。
[0075] 在一些实施例中，谐振层32的厚度为10μm～20μm。
[0076] 在一些实施例中，介质层31的介电常数为2.2。
[0077] 在一些实施例中，介质层31为柔性介质层。
[0078] 在一些实施例中，损耗层2为柔性损耗层。损耗层2和介质层31可以均为柔性膜层，使得微波吸收器具备柔性特性，有助于其作为柔性电子元件以薄膜方式集成到具有复杂不规则表面的小型电子设备或器件上。
[0079] 在一些实施例中，如图2和图4所示，谐振层32包括中心图案33和4n个单元图案34，n≥1，且n为整数。4n个单元图案34可以完全相同，即4n个单元图案34的形状可以相同，4n个单元图案34的大小可以相同等。中心图案33为中心对称图形，中心图案33以其中心点O为对称中心呈中心对称设置。中心图案33的中心点O与谐振层32的中心点相重合。4n个单元图案34均匀分布在中心图案33的周侧，4n个单元图案34以中心图案33为对称中心呈中心对称设置，且4n个单元图案34分别与中心图案33连接。
[0080] 本实施例中谐振层32的中心图案33和4n个单元图案34的设置，可赋予微波吸收器角度不敏感和极化不敏感的特性，可不受形状限制和微波极化模式的影响，拓宽了微波吸收器的应用范围。
[0081] 在一些实施例中，单元图案34朝背离中心图案33的方向弯折设置。单元图案34弯折设置可以提高空间利用率，增大单元图案34的图案长度，实现阻抗匹配，同时缩小结构单元100的单元尺寸。
[0082] 在一些实施例中，n＝1，如图2所示，中心图案33可以呈十字型。如图3所示，中心图案33也可以呈正方形。需要说明的是，中心图案33也可以呈其他中心对称图形，此处不作具体限定。
[0083] 在n＝1时，谐振层32包括中心图案33和四个单元图案34。结构单元100沿xy方向的截面可以呈正方形。四个单元图案34可以与结构单元100的四条边(结构单元100沿xy方向的截面的四条边)一一对应设置。
[0084] 如图2所示，在中心图案33呈十字型时，中心图案33的四段(即十字型的四段)与结构单元100的四条边一一对应设置，使得中心图案33的四段与四个单元图案34一一对应设置。中心图案33的每段与对应的单元图案34的一端连接，单元图案34的另一端朝背离中心图案33的方向弯折至结构单元100对应的边。
[0085] 例如图3所示，单元图案34包括第一图案段341、第二图案段342、第三图案段343、第四图案段344、第五图案段345、第六图案段346和第七图案段347。其中，第一图案段341、第二图案段342、第三图案段343、第四图案段344沿背离中心图案33的方向依次分布，且第一图案段341、第二图案段342、第三图案段343、第四图案段344均与结构单元100对应的边平行设置。第五图案段345、第六图案段346和第七图案段347均相对于结构单元100对应的边倾斜设置。
[0086] 第一图案段341的一端与中心图案33对应的段连接，且第一图案段341与中心图案33对应的段之间的夹角可以为90°。第一图案段341的另一端与第五图案段345的一端连接，且第一图案段341与第五图案段345之间的夹角可以为135°。第五图案段345的另一端与第二图案段342的一端连接，且第五图案段345与第二图案段342之间的夹角可以为45°。第二图案段342的另一端与第六图案段346的一端连接，且第二图案段342与第六图案段346之间的夹角可以为135°。第六图案段346的另一端与第三图案段343的一端连接，且第六图案段
346与第三图案段343之间的夹角可以为45°。第三图案段343的另一端与第七图案段347的一端连接，且第三图案段343与第七图案段347之间的夹角可以为135°。第七图案段347的另一端与第四图案段344的一端连接，且第七图案段347与第四图案段344之间的夹角可以为
45°。第五图案段345、第七图案段347和中心图案33的中心点O可以位于一条直线上，第六图案段346和中心图案33的中心点O位于一条直线上，且两条直线相垂直。
[0087] 其中，第一图案段341、第二图案段342、第三图案段343和第四图案段344与中心结构100对应的边平行设置，第五图案段345、第六图案段346和第七图案段347相对于中心结构100对应的边倾斜(如倾斜45°)设置，可以在保证4n个单元图案34呈中心对称的同时，进一步提高空间利用率，增大单元图案34的图案长度，实现阻抗匹配。
[0088] 如图4所示，在中心图案33呈正方形时，中心图案33的四条边(即正方形的四条边)与结构单元100的四条边一一对应设置，使得中心图案33的四条边与四个单元图案34一一对应设置。中心图案33的每一条边与对应的单元图案34的一端连接，单元图案34的另一端朝背离中心图案33的方向弯折至结构单元100对应的边。
[0089] 例如图5所示，单元图案34包括第八图案段348、第九图案段349、第十图案段350、第十一图案段351、第十二图案段352和第十三图案段353。其中，第八图案段348、第九图案段349和第十图案段350沿背离中心图案33的方向依次分布，且第八图案段348、第九图案段349和第十图案段350均与结构单元100对应的边平行设置。第十一图案段351、第十二图案段352和第十三图案段353均相对于结构单元100对应的边倾斜设置。
[0090] 第十一图案段351的一端与中心图案33对应的边连接，且第十一图案段351与中心图案33对应的边之间的夹角可以为135°。第十一图案段351的另一端与第八图案段348的一端连接，且第十一图案段351与第八图案段348之间的夹角可以为45°。第八图案段348的另一端与第十二图案段352的一端连接，且第八图案段348与第十二图案段352之间的夹角可以为135°。第十二图案段352的另一端与第九图案段349的一端连接，且第十二图案段352与第九图案段349之间的夹角可以为45°。第九图案段349的另一端与第十三图案段353的一端连接，且第九图案段349与第十三图案段353之间的夹角可以为135°。第十三图案段353的另一端与第十图案段350的一端连接，且第十三图案段353与第十图案段350之间的夹角可以为45°。第十一图案段351、第十三图案段353和中心图案33的中心点O可以位于一条直线上，第十二图案段352和中心图案33的中心点O可以位于一条直线上，且两条直线相垂直。
[0091] 其中，第八图案段348、第九图案段349和第十图案段350与中心结构100对应的边平行设置，第十一图案段351、第十二图案段352和第十三图案段353相对于中心结构100对应的边倾斜(如倾斜45°)设置，可以在保证4n个单元图案34呈中心对称的同时，进一步提高空间利用率，增大单元图案34的图案长度，实现阻抗匹配。
[0092] 在一些实施例中，谐振层32的图案总长度与微波波长相匹配。其中，谐振层32的图案总长度为中心图案33的图案长度与4n个单元图案34的图案长度之和。在中心图案33呈十字型的情况下，中心图案33的图案长度为中心图案33的四段长度之和。在单元图案34弯折设置的情况下，单元图案34的图案长度为单元图案34展开后的长度。
[0093] 谐振层32的图案总长度与微波吸收器所吸收频点的波长保持一致，以保证阻抗匹配。单元图案34的弯折次数可根据微波吸收器所吸收频点的波长来设置。微波吸收器所吸收频点的波长较大，则可以增大单元图案34的弯折次数，以增大单元图案34的图案长度，从而增大谐振层32的图案总长度，以使谐振层32的图案总长度与微波波长相匹配。微波吸收器所吸收频点的波长较小，则可以减少单元图案34的弯折次数，以减小单元图案34的图案长度，从而减小谐振层32的图案总长度，以使谐振层32的图案总长度与微波波长相匹配。
[0094] 在一些实施例中，微波吸收器的工作频率为0.3GHz～300GHz。
[0095] 在一些实施例中，微波吸收器的正入射反射系数R为：
[0096]
[0097] k0＝2π/λ；
[0098]
[0099] 其中，k0为空气的传播常数，kM为所述匹配层的传播常数，kL为所述损耗层的传播常数，εM为所述匹配层的复相对介电常数，εL为所述损耗层的复相对介电常数，μM为所述匹配层的复相对磁导率，μL为所述损耗层的复相对磁导率，j为虚部单位。
[0100] 下面对本申请实施例提供的微波吸收器进行仿真说明。
[0101] 采用如图2所示的微波吸收器进行仿真模拟计算。损耗层2的厚度为50μm，损耗层2的材料为氮掺杂石墨烯。介质层31的厚度为127μm，介质层31采用Rogers RO5880型号，长宽尺寸为33.6mm×4.2mm。谐振层32的厚度为18μm，谐振层32的材料为铜锡合金。结合图3所示，结构单元100的边长p＝4.2mm，谐振层2中图案的宽度w＝0.3mm，单元图案34的弯折间隙(即第一图案段341与第二图案段342之间的间隙，第二图案段342与第三图案段343之间的间隙，第三图案段343与第四图案段344之间的间隙)g＝0.1mm，中心图案22的每段的长度l1＝0.85mm，第一图案段341的长度l2＝0.7mm，第二图案段342的长度l3＝1.9mm，第三图案段343的长度l4＝2.7mm，第四图案段344的长度l5＝2.55mm。
[0102] 用自制波导腔连接矢量网络分析仪测出该微波吸收器的正入射反射系数，入射电磁波为线极化平面电磁波，沿‑z方向垂直入射微波吸收器，测试频段为6.25GHz～6.75GHz。损耗层2的复介电常数由矢量网络分析仪在波导模式下给出，磁导率默认为1。测试需要事先将氮掺杂石墨烯膜裁剪成长宽尺寸为34.7mm×15.75mm的测试样品，测试频段为5.38GHz～8.17GHz。
[0103] 使用电磁仿真软件HFSS，采用有限元法进行仿真模拟计算。如图6所示，测试结果显示该微波吸收器能在C波段(4～8GHz)的6.55GHz频点上实现反射系数小于‑20dB(即吸波率大于99％)的微波吸收效果，与仿真模拟计算结果相近，表明该微波吸收器在总厚度为195μm(金属接地层不计入总厚度)的深微米级超薄厚度下可实现对微波低频点的完美吸收。从图7可以看出，该微波吸收器的匹配层可以通过单一电谐振诱导的非常规谐振‑反谐振现象，允许绝大部分微波进入下面的损耗层。而由于损耗层的氮掺杂石墨烯膜具有很大的介电损耗能力，因此进入损耗层的微波能在很薄的厚度下被耗散掉能量，最终实现完美微波吸收。
[0104] 实际情况下，微波的入射角度与极化模式是不确定的，因而有必要进一步研究不同极化模式下微波在不同入射角度下的该微波吸收器的反射系数。如图8至图11所示，TE模式下的反射系数与TM模式下的反射系数差异较小，表明该微波吸收器具有极化不敏感的特性。另外，在TE和TM两种极化模式下，尽管随着入射角度的增加反射系数峰值逐渐上移，但在小于80°范围内，该微波吸收器仍可保持大于50％的微波吸收效果，表明该微波吸收器同时具备角度不敏感的特性。
[0105] 采用如图4所示的微波吸收器进行仿真模拟计算。损耗层2的厚度为50μm，损耗层2的材料为氮掺杂石墨烯。介质层31的厚度为32μm，介质层31的介电常数为2.2，谐振层32的厚度为18μm。结合图5所示，结构单元100的边长p＝4.8mm，谐振层2中图案的宽度w0＝0.56mm，单元图案34的弯折间隙(即第八图案段348与第九图案段349之间的间隙，第九图案段349与第十图案段350之间的间隙)g0＝0.01mm，中心图案22的边长pa＝0.98mm，第八图案段348的长度l6＝1.7mm，第九图案段349的长度l7＝2.84mm，第十图案段350的长度l8＝
4.38mm。
[0106] 损耗层2为氮掺杂石墨烯膜，其复介电常数通过矢量分析仪波导测试结果获得，磁导率默认为1。入射电磁波为线极化平面电磁波，沿‑z方向垂直入射微波吸收器，计算频段为6.25～6.75GHz。
[0107] 如图12所示，仿真模拟计算结果显示该微波吸收器能在C波段的6.5GHz频点上实现反射系数小于‑20dB(即吸波率大于99％)的微波吸收效果，表明该微波吸收器即便将总厚度进一步减少至60μm的深微米级超薄厚度下，也可实现对微波频率点的完美吸收。因此，该柔性微波吸收器还有厚度进一步降到100μm以下的巨大潜力，可大幅度助推深微米级超薄微波吸收器的发展。
[0108] 根据本申请实施例提供的微波吸收器，通过设置损耗层2以及位于损耗层2上的匹配层3，以确保微波能完全进入损耗层，损耗层2在微波频段的介电常数实部和介电常数虚部均为正，且损耗层2的介电常数虚部大于目标值，使损耗层2在深微米级超薄厚度下完全耗散掉微波能量，实现对微波波段的完美吸收，适用于小型化、集成化的电子设备或器件上；谐振层32中的中心图案33为中心对称图形，4n个单元图案34以中心图案33为对称中心呈中心对称设置，使微波吸收器具有角度不敏感和极化不敏感的特性，可不受形状限制和微波极化模式的影响，扩宽微波吸收器的应用范围；介质层31和损耗层2均可以为柔性膜层，有助于微波吸收器作为柔性电子元件以薄膜方式集成到具有复杂不规则表面的小型电子设备或器件上。
[0109] 本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。
[0110] 在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0111] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0112] 尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
