(57)【要約】  本発明は、基板及びメタマテリアルセルアレイ層を備え、メタマテリアルセルアレイ層における導電性幾何学的セルのそれぞれは第１中空構造、第２中空構造及び導電性幾何学的構造を含み、第１中空構造の４つの頂点にはそれぞれ第２中空構造が延びており、各隣接する２つの第２中空構造間に導電性幾何学的構造が設けられ、第２中空構造のそれぞれは導電性幾何学的セルの中心に向かう第１端及び導電性幾何学的セルの中心から離れる第２端を含み、第２中空構造の第１端には両側の導電性幾何学的構造に接続される可変容量ダイオードが設けられ、第２中空構造の第２端には互いに間隔をおいて設けられる固定容量及び固定抵抗が設けられ、固定容量は一側の導電性幾何学的構造に接続され、固定抵抗は他側の導電性幾何学的構造に接続される制御可能な波吸収メタマテリアルを開示している。本発明は波吸収帯域の能動的な調整を実現することができ、電力消費が極めて少ない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に設けられ、周期的に配列される複数の導電性幾何学的セルを含むメタマテリアルセルアレイ層であって、前記導電性幾何学的セルのそれぞれは第１中空構造、第２中空構造及び導電性幾何学的構造を含むメタマテリアルセルアレイ層と、を備え、
前記第１中空構造の４つの頂点には前記第２中空構造がそれぞれ延びているとともに、各隣接する２つの前記第２中空構造間に前記導電性幾何学的構造が設けられ、
前記第２中空構造のそれぞれは、前記導電性幾何学的セルの中心に向かう第１端、及び前記導電性幾何学的セルの中心から離れる第２端を備え、前記第２中空構造の第１端には、両側の前記導電性幾何学的構造に接続される可変容量ダイオードが設けられ、前記第２中空構造の第２端には、互いに間隔をおいて設けられる固定容量及び固定抵抗が設けられ、前記固定容量が一側の前記導電性幾何学的構造に接続され、前記固定抵抗が他側の前記導電性幾何学的構造に接続されることを特徴とする制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項２】
前記固定容量と前記固定抵抗との間には、前記固定容量及び前記固定抵抗にそれぞれ接触している金属材料が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項３】
前記固定容量と前記固定抵抗とが前記金属材料を介して直列接続され、
前記可変容量ダイオードが、直列接続された前記固定容量及び前記固定抵抗と並列接続されることを特徴とする請求項２に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項４】
前記導電性幾何学的構造の形状は、正八角形の中心軸に沿って分割された前記正八角形の半分であることを特徴とする請求項１に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項５】
対向する２つの前記導電性幾何学的構造は、前記導電性幾何学的セルの中心を通る中心軸に関して対称であることを特徴とする請求項１に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項６】
前記第１中空構造は２本の金属線を備え、各前記金属線の両端はそれぞれ、対向して設けられる前記導電性幾何学的構造に接触するとともに、１本の前記金属線が前記基板内に屈曲部が設けられ、他の１本の前記金属線が前記屈曲部の上方に設けられることで、２本の前記金属線が互いに接触しないことを特徴とする請求項１に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項７】
２本の前記金属線の投影は十字構造であることを特徴とする請求項６に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項８】
前記第２中空構造の一側が前記第１中空構造に連通し、前記第２中空構造の他側が第３中空構造に連通することを特徴とする請求項１に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項９】
前記基板は、
反射層と、
前記反射層の上方に設けられるハニカム構造層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【請求項１０】
前記メタマテリアルセルアレイ層に設けられる波透過保護層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の制御可能な波吸収メタマテリアル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料分野に関し、具体的には制御可能な波吸収メタマテリアルに関する。
【背景技術】
【０００２】
メタマテリアルは特殊な複合材料又は構造であり、材料の重要な物理的寸法に規則構造を設計することにより、従来材料が有していない卓越した物理的性質を持たせる。メタマテリアルのベース材料の組成、周期セル形状及び配列方式を設計することにより、必要に応じて対応する共振特性を得ることができる。また、メタマテリアルはさらにインピーダンス整合及び減衰特性によりレーダ波の吸収を実現する。外部環境とのインピーダンス整合により入射電磁波のメタマテリアルの表面における反射を最小限にしてメタマテリアルの内部への進入を可能な限り多くするとともに、高効率の減衰特性により、メタマテリアルに進入した電磁波をより急速に減衰させる。
【０００３】
また、波吸収メタマテリアルを利用して、対象のレーダ散乱断面積（ＲＣＳ）を効果的に解消することができ、現在、応用されている波吸収材料はいずれもパッシブなものであり、学界の一部の学者らがアクティブな制御可能な波吸収材料の研究を始めた、例えば、従来技術に開示された技術的解決手段では、半円形と三角形との複合微細構造によりマイクロ波帯で吸収ピークを生成し、半円形と三角形との間に可変コンデンサを埋め込むことで吸収ピーク位置の電気的制御を実現する。しかし、従来の技術的解決手段では、マイクロ波吸収特性は一方の偏波のみに対しては有効であるが、他方の偏波に対しては調整可能な波吸収効果がない。
【０００４】
関連技術における問題点については、現在効果的な解決手段が提案されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
関連技術における問題点については、本発明は、メタマテリアル構造に抵抗及び可変容量ダイオードを導入して、導電性幾何学的セル及び導電性幾何学的セルにおける導電性幾何学的構造間の結線方式を合理的に設計して、外部印加電圧の変更によりメタマテリアルの吸収帯域を変更し、波吸収帯域の能動的な調整を実現する制御可能な波吸収メタマテリアルを提供する。
【０００６】
本発明の技術的解決手段は下記の通りに実現されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の技術的課題を解決するために用いられる技術的解決手段は、制御可能な波吸収メタマテリアルを構成する。該制御可能な波吸収メタマテリアルは、基板と、基板に設けられ、周期的に配列される複数の導電性幾何学的セルを含むメタマテリアルセルアレイ層であって、導電性幾何学的セルのそれぞれは、第１中空構造、第２中空構造及び導電性幾何学的構造を備えるメタマテリアルセルアレイ層とを備え、第１中空構造の４つの頂点のそれぞれには第２中空構造が延びており、各隣接する２つの第２中空構造の間に導電性幾何学的構造が設けられ、第２中空構造のそれぞれは、導電性幾何学的セルの中心に向かう第１端、及び導電性幾何学的セルの中心から離れる第２端を含み、第２中空構造の第１端には、両側の導電性幾何学的構造に接続される可変容量ダイオードが設けられ、第２中空構造の第２端には、互いに間隔をおいて設けられる固定容量及び固定抵抗が設けられ、固定容量が一側の導電性幾何学的構造に接続され、固定抵抗が他側の導電性幾何学的構造に接続される。
【０００８】
本発明の一実施例によれば、固定容量と固定抵抗との間には、固定容量及び固定抵抗にそれぞれ接触している金属材料が設けられている。
【０００９】
本発明の一実施例によれば、固定容量と固定抵抗とは、金属材料を介して直列接続され、可変容量ダイオードが、直列接続された固定容量及び固定抵抗と並列接続される。
【００１０】
本発明の一実施例によれば、導電性幾何学的構造の形状は、正八角形の中心軸に沿って分割された正八角形の半分である。
【００１１】
本発明の一実施例によれば、対向する２つの導電性幾何学的構造は、導電性幾何学的セルの中心を通る中心軸に関して対称である。
【００１２】
本発明の一実施例によれば、第１中空構造は、２本の金属線を含み、各金属線の両端が対向配置されている導電性幾何学的構造にそれぞれ接触し、１本の金属線が基板内に屈曲部が設けられ、他の１本の金属線が屈曲部の上方に設けられることで、２本の金属線は相互に接触しない。
【００１３】
本発明の一実施例によれば、２本の金属線の投影は十字構造である。
【００１４】
本発明の一実施例によれば、第２中空構造は、一側が第１中空構造に連通し、他側が第３中空構造に連通する。
【００１５】
本発明の一実施例によれば、基板は、反射層と、反射層の上方に設けられるハニカム構造層と、を含む。
【００１６】
本発明の一実施例によれば、メタマテリアルセルアレイ層に設けられる波透過保護層をさらに備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の有益な効果は：
本発明は、メタマテリアルの構造に抵抗及び可変容量ダイオードを導入して、導電性幾何学的セル及び導電性幾何学的セルにおける導電性幾何学的構造間の結線方式を合理的に設計して、外部印加電圧の変更によりメタマテリアルの吸收帯域を変更し、波吸収帯域の能動的な調整を実現し、本発明の制御可能なメタマテリアルの電力消費はほとんど無視できるほど極めて少ないので、電気的制御可能な波吸収材料の電力消費の欠陥を効果的に解決することにある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の実施例又は従来技術における技術的解決手段をより明確に説明するために、以下、実施例において使用する必要がある図面を簡単に説明する。以下の説明における図面は本発明のいくつかの実施例に過ぎず、当業者にとっては、創造的な労働を伴うことなく、さらにこれらの図面に基づいて他の図面を得ることができることは明らかである。
【図１】図１は本発明の実施例に係る制御可能な波吸収メタマテリアルの断面を示す図である。
【図２】図２は本発明の実施例に係る導電性幾何学的セルの構造概略図である。
【図３】図３は本発明の実施例に係る電圧印加後のメタマテリアルセルアレイ層を示す図である。
【図４】図４は本発明の実施例に係る異なる容量に対応する制御可能な波吸収メタマテリアルの波吸収効果を示す図である。
【図５】図５は本発明の実施例に係る制御可能な波吸収メタマテリアルの２つの偏波に対する波吸収効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下は、本発明の実施例における図面を参照して、本発明の実施例における技術的解決手段について明確且つ完全に説明する。説明される実施例は実施例のすべてではなく、本発明の実施例の一部に過ぎないことが明らかである。本発明の実施例に基づき、当業者が入手した他のすべての実施例は、本発明の保護範囲に属する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明は、基板と、基板に設けられ、周期的に配列される導電性幾何学的セルを複数備えるメタマテリアルセルアレイ層であって、導電性幾何学的セルのそれぞれは第１中空構造（２７）、第２中空構造（２８）及び導電性幾何学的構造（２１）を備えるメタマテリアルセルアレイ層とを備え、第１中空構造（２７）の４つの頂点にはそれぞれ第２中空構造（２８）が延びており、各２つの隣接する第２中空構造（２８）間には導電性幾何学的構造（２１）が設けられ、第２中空構造（２８）のそれぞれは導電性幾何学的セルの中心に向かう第１端及び導電性幾何学的セルの中心から離れる中第２端を含み、第２中空構造（２８）の第１端には両側の導電性幾何学的構造（２１）に接続される可変容量ダイオード（２４）が設けられ、第２中空構造（２８）の第２端には互いに間隔をおいて設けられる固定容量（２３）及び固定抵抗（２２）が設けられ、固定容量（２３）が一側の導電性幾何学的構造（２１）に接続され、固定抵抗（２２）が他側の導電性幾何学的構造（２１）に接続される。
【００２１】
前記技術的解決手段を介して、メタマテリアルの構造に抵抗及び可変容量ダイオードを導入して、導電性幾何学的セル及び導電性幾何学的セルにおける導電性幾何学的構造間の結線方式を合理的に設計して、外部印加電圧の変更によりメタマテリアルの吸收帯域を変更し、波吸収帯域の能動的な調整を実現し、本発明の制御可能な波吸収メタマテリアルの電力消費はほとんど無視できるほど極めて少ないので、電気的制御可能な波吸収材料の電力消費の欠陥を効果的に解決する。
【００２２】
本発明における技術的解決手段をよりよく説明するために、以下、具体的な実施例を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
引き続き図１を参照すると、該制御可能な波吸収メタマテリアルは、電磁波の入射方向に沿って、上から順に波透過保護層（１）、メタマテリアルセルアレイ層（２）、ハニカム構造層（３）、反射層（４）という４つの層に分けられてもよく、該ハニカム構造層（３）及び反射層（４）が基板を構成する。また、波透過保護層（１）の厚さをｄ１、メタマテリアルセルアレイ層（２）の厚さをｄ２、ハニカム構造層（３）の厚さをｄ３、反射層（４）の厚さをｄ４とするとともに、当業者は実際の必要に応じて波透過保護層（１）の厚さｄ１、メタマテリアルセルアレイ層（２）の厚さｄ２、ハニカム構造層（３）の厚さｄ３、反射層（４）の厚さｄ４を設定してもよく、例えば、本発明の一実施例によれば、波透過保護層（１）の厚さを０.８ｍｍ、メタマテリアルセルアレイ層（２）の厚さｄ２を０.０４ｍｍ、ハニカム構造層（３）の厚さｄ３を７ｍｍであり、反射層（４）の厚さｄ４を０.１ｍｍとしたが、本発明はこれに限定されない。
【００２４】
また、図１では該基板がハニカム構造層（３）及び反射層（４）で構成されることを示しているが、実際の必要に応じて設定することができ、例えば、本発明の一実施例によれば、ハニカム構造層（３）をＰＭＩ（ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｍｉｄｅ、ポリメタクリルイミド）層又はＰＶＣ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｃｈｌｏｒｉｄｅ、ポリ塩化ビニル）層に置き換えることができ、本発明はこれに限定されない。同時に、該反射層（４）の材料も実際の必要に応じて選択することができ、本発明の別の実施例によれば、該反射層（４）の材料は炭素繊維又は金属膜を選択することができ、本発明はこれに限定されない。
【００２５】
また、図３に示すように、該メタマテリアルセルアレイ層（２）は図２に示す複数の導電性幾何学的セルが周期的に配列されてなり、該導電性幾何学的セルの形状は実際の必要に応じて設定することができ、例えば、本発明の一実施例によれば、該導電性幾何学的セルの形状は正方形であり、本発明はこれに限定されない。説明を簡単にするために、以下は、図２における導電性幾何学的セルを正方形とした場合を例にて説明する。
【００２６】
また、引き続き図２を参照すると、該導電性幾何学的セルは、４つの頂点には第２中空構造（２８）がそれぞれ延びている第１中空構造（２７）を含むことで、該導電性幾何学的セルは４つの第２中空構造（２８）を含むとともに、該４つの第２中空構造（２８）が第１中空構造（２７）の周りにそれぞれ設けられている。
【００２７】
同時に、各２つの第２中空構造（２８）の間には導電性幾何学的構造（２１）がさらに設けられ、該導電性幾何学的構造（２１）の形状は正八角形の中心軸に沿って正八角形を分割した半分であり、対向する２つの導電性幾何学的構造（２１）は導電性幾何学的セルの中心を通る中心軸に関して対称であるが、しかし、当業者であれば、メタマテリアルセルアレイでは該導電性幾何学的構造（２１）の形状が実際に正八角形であり、ここで導電性幾何学的セルを容易に説明するために、それぞれの正八角形を中心に沿って分割し、２つの１／２八角形に分け、それぞれが隣接する２つのセルに属する。
【００２８】
同時に、第２中空構造（２８）のそれぞれは導電性幾何学的構造（２１）と接触する２つの面に加えて、該導電性幾何学的セルの中心に向かう第１端及び該導電性幾何学的セルの中心から離れる第２端をさらに有し、各第２中空構造（２８）の第１端には両側の導電性幾何学的構造（２１）に接続される可変容量ダイオード（２４）が設けられ、各第２中空構造（２８）の第２端には互いに間隔をおいて設けられる固定抵抗（２２）及び固定容量（２３）が設けられ、固定容量（２３）が一側の導電性幾何学的構造（２１）に接続され、固定抵抗（２２）と固定容量（２３）との間には、固定抵抗（２２）及び固定容量（２３）にそれぞれ接触する金属材料（３０）がさらに設けられて、該固定抵抗（２２）及び固定容量（２３）が該金属材料（３０）を介して直列接続され、可変容量ダイオード（２４）が直列接続された固定抵抗（２２）及び固定容量（２３）と並列接続されることで、回路が導通しないようにすることにより、実際の応用では波吸収体の電力消費はほとんど無視できるので、制御可能な波吸収メタマテリアルの電力消費の欠陥を効果的に解決する。
【００２９】
また、引き続き図２を参照すると、第１中空構造（２７）はさらに金属線（２５）及び金属線（２６）を含み、各金属線の両端が対向配置される導電性幾何学的構造（２１）にそれぞれ接触するとともに、横方向及び縦方向の両方向の金属線の交差を防止するために、金属線（２５）を基板に貫通するとともに、基板の裏面で湾曲することで、該金属線（２５）に屈曲部が設けられるとともに、金属線（２６）が屈曲部の上方に設けられることで、空間的に位置ずれ処理を行い、金属線（２５）と金属線（２６）との非接触を保証するとともに、金属線（２５）及び金属線（２６）の投影は十字構造である。
【００３０】
また、図２に示すように、該導電性幾何学的セルの空白部分は中空であり、ここで、説明を簡単にするために、さらに第３中空構造（２９）を限定し、該第３中空構造（２９）が第２中空構造（２８）の一側に連通するとともに、該第２中空構造（２８）の他側が第１中空構造（２７）に連通することで、第３中空構造の存在により、該導電性幾何学的セルを正方形と見なしてもよい。また、当業者は、第２中空構造（２８）と第３中空構造（２９）を１つの第２中空構造（２８）と見なしてもよい。また、当然のことながら、該導電性幾何学的セルの材料は実際の必要に応じて選択することができ、例えば、本発明の一実施例によれば、該人工導電性幾何学的構造（２１）の材料は金、銀、銅であるが、本発明はこれに限定されない。
【００３１】
上記の構成により、該導電性幾何学的セルは、４つの導電性幾何学的構造（２１）、４つの固定抵抗（２２）、４つの固定容量（２３）、４つの可変容量ダイオード（２４）、横方向金属配線（２５）及び縦方向金属配線（２６）を含み、該固定抵抗（２２）、固定容量（２３）、可変容量ダイオード（２４）が２つの隣接する導電性幾何学的構造（２１）の間に装荷され、固定抵抗（２２）は固定容量（２３）に直列に装荷され、その後可変容量ダイオード（２４）と並列に装荷される。
【００３２】
また、引き続き図２を参照すると、該導電性幾何学的セルの一辺の長さをａ、導電性幾何学的構造（２１）の対向する二辺の距離をｂ、第２中空構造（２８）の一辺の長さをｓ、第２中空構造（２８）の幅をｇ、金属線（２５）又は金属線（２６）の幅をｗ、固定抵抗（２２）の抵抗値をＲｅｓ０、固定容量（２３）の容量値をＣ０、可変容量ダイオード（２４）の容量値をＣａｐとする。また、導電性幾何学的セルにおける各パラメータ値は実際の必要に応じて設定することができることを理解できる。例えば、本発明の一実施例によれば、該導電性幾何学的セルの一辺の長さａを３０ｍｍ、導電性幾何学的構造（２１）の対向する二辺の距離を１８.２ｍｍ、第２中空構造（２８）の一辺の長さを７.５ｍｍ、第２中空構造（２８）の幅を３ｍｍ、金属線（２５）又は金属線（２６）の幅を１ｍｍ、固定抵抗（２２）の抵抗値を５００Ω、固定容量（２３）の容量値を１ｐＦ、可変容量ダイオード（２４）の容量値を１ｐＦ〜１６ｐＦとする。
【００３３】
また、引き続き図３を参照すると、複数の導電性幾何学的セルが周期的に配列されてなるメタマテリアルセルアレイは、該メタマテリアルセルアレイの隣接する両側に電圧を印加することで、外部印加電圧の変更により吸収帯域の能動的な調整を実現でき、波吸収体の電力消費はほとんど無視できるほど極めて少ない。
【００３４】
本発明に係る制御可能な波吸収メタマテリアルの技術的効果をよりよく説明するために、以下に具体的な実施例を用いて説明をする。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
まず、制御可能な波吸収メタマテリアルの構造寸法、抵抗及び容量の値は上記表１に示す通りであり、該メタマテリアルセルアレイ層（２）に印加される外部印可電圧は１Ｖから２８Ｖに変化し、可変容量ダイオード（２４）に対応する容量は約１６ｐＦから１ｐＦに変化し、制御可能な波吸収メタマテリアルが異なる容量で対応する吸収ピークは図４に示す通りである。図４から明らかなように、容量が１６ｐＦから１ｐＦに変化すると、対応する吸收ピークが０.４６ＧＨｚから１.７２ＧＨｚに増大し、吸收ピークの位置が３．７４倍変化し、Ｐ〜Ｌ波長帯域にまたがっている。また、当業者には理解されるように、これは１つの実施例だけであり、構造寸法を変更し、異なる容量変化範囲の可変容量ダイオード（２４）を選択することで、吸收ピークをＰ〜Ｋｕ波長帯域の範囲内で調整することができ、現在応用されている大部分の検出レーダの動作波長帯域をカバーしている。
【００３７】
次に、図５は、導電性幾何学的セルがＴＥ波（水平偏波）及びＴＭ波（垂直偏波）の偏波に対応する波吸収効果であり、対応する可変容量ダイオード（２４）の容量が１ｐＦである。図５から明らかなように、２つの偏波における反射率曲線ほぼ一致しており、本発明に係る低消費電力制御可能な波吸収メタマテリアルは偏波に敏感でないことを示している。
【００３８】
また、本実施例では、制御可能な波吸収メタマテリアルの総厚が７.９４ｍｍであり、０.４６ＧＨｚ吸收ピークに対応する波長が６５２ｍｍであることで、該メタマテリアルの厚さが波長の１／８２だけであり、従来の１／４波長の波吸収構造よりもはるかに小さいので、さらに優れた超薄特性を示しており、実際の使用で材料の消耗及び重量を大幅に低減することができる。
【００３９】
要約すると、本発明の上記技術的解決手段により、導電性幾何学的セル及び導電性幾何学的セルにおける導電性幾何学的構造間の結線方式を合理的に設計することにより、以下の有益な効果を実現することができ、外部印加電圧の変更によりメタマテリアルの吸收帯域を変更し、波吸収帯域の能動的な調整を実現し、該制御可能なメタマテリアルは優れた超薄波吸収特性を有し、該制御可能なメタマテリアルの電力消費はほとんど無視できるほど極めて少ないので、電気的制御可能な波吸収材料の電力消費の欠陥を効果的に解決する。
【００４０】
以上は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するためのものではない。本発明の精神及び原則内で行われるいかなる修正、均等置換、改良などは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2021508998.tif 000010
2021508998.tif 000011
2021508998.tif 000012