基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗

1.本发明属于光学透明电磁屏蔽及微波吸收领域，特别涉及基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗。


背景技术：

2.近年来，从雷达探测、电子侦察、卫星通信到手机通讯、电磁探伤、医疗诊断等，电磁波应用覆盖着各个领域中。伴随着电磁波应用的不断发展，空间中已充斥着各种频率的电磁波信号。自上世纪70年代以来，由于微波半导体电路的飞速发展，微波在无线电通讯技术领域中占有越来越重要的地位。微波的广泛应用在给人们生活带来便利的同时，包含对人体健康带来的危害和对电子设备造成电磁干扰从而产生系统失效等问题的副作用也越来越引起人们的重视，电磁屏蔽技术也随之兴起。
3.电磁屏蔽主要以电磁反射和电磁吸收两种方式实现，其中，微波吸收器采用的吸收型电磁屏蔽方法，因无电磁波反射回空间，是较为理想的电磁屏蔽方法，特别是在军事装备的雷达隐身方面，极具应用价值。但是，基于传统材料的微波吸收器对微波吸收的形式属于被动吸收，吸收特性固定，缺乏适应性和可调谐性，难以满足实际需要。因此，如何对吸收特性进行调控成为研究的重点，特别是对吸收峰值频率的调控，在雷达通讯系统、可控隐身伪装系统中成为最新的研究热点。
4.目前，微波可调吸收的一个难点和热点问题是如何应用于需要光学透明的场合，如飞机/卫星/舰船/汽车的光窗、光学仪器光窗和显示面板、电磁隔离室和保密设施光窗、通讯设备的透明元件、手机触屏等。在这些领域中开发高透光吸收峰值频率可调的材料和器件具有十分广阔的应用前景。
5.相变材料随外部激励驱动会产生可逆的电磁特性的变化，其中，相变材料由于相变温度接近室温，理论电导率有将近5个数量级的可调范围引起了大量的关注。专利202110465365.1、202110497432.8、202010331974.3、202011261049.4、202022308742.4、201821278319.0、201821438858.6、201821446265.4、201821907011.8、201920654141.3、201921357422.9、201921357423.3、201921831563.x等都是基于二氧化钒的吸波器，但是若想应用与光学透明微波吸收领域，这些吸波器主要工作于thz波段，由于相变材料在thz波段和微波波段的电磁性质差异较大，此类thz吸波器在微波波段的吸收特性发生变化，无法将该类thz吸波器应用于微波波段；且这些吸波器通常构建于金属反射层上，同时二氧化钒的图案占空比较大，导致光学波段的不透明或透明性很差，无法应用于光学透明场合；除此之外，现有吸波器主要基于理想的相变材料，相变后的理想电导率近似于金属的电导率；但是实际中，实际相变后的电导率远远达不到金属的电导率；且相变材料理论极限为5个量级的电导率变化，在实际使用中，由于各种因素，相变材料的电导率变化也很难达到5个数量级；这些因素导致按理论情况设计的现有吸波器在实际应用中效果不佳。
6.专利202011136561.6、202011121522.9虽然可在光学透明的前提下，具有可调作用和吸波作用，但是其中吸收的主要原因是由于石墨烯导致而非相变材料，且专利
202011121522.9的可调特性主要针对透射特性而非吸收特性。专利202210110004.x虽然可以在光学透明的前提下，利用热致相变材料实现可调幅的微波吸收特性，但是无法实现吸收峰值频率的可调。
7.综上所述，现有的基于相变材料的微波吸收技术难以同时实现光学透明和吸收峰值频率可调。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述现有技术等方案的不足，研发一种基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，在高光学透明的前提下，可以实现吸收峰值频率的调节。不仅更适用于实际应用当中，并且扩展了相变材料在微波段的应用。
9.本发明采用的技术方案是：所述光窗包括由上至下依次堆叠的透明介质层a、热致相变材料网栅层、透明介质层b和透明微波屏蔽层；所述热致相变材料网栅层是指在透明介质层b上表面由热致相变材料网栅单元排布构成的栅网状微细结构；所述热致相变材料是指可在温度驱动下实现电导率可逆且连续变化的材料；所述吸收峰峰值频率是指光窗实现最大吸收率时的频率；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗的吸收由两个法布里-珀罗腔谐振导致，第一个法布里-珀罗腔为透明介质层a的上表面到透明微波屏蔽层的上表面，第二个法布里-珀罗腔为透明介质层a的上表面到热致相变材料网栅层的上表面；所述两个法布里-珀罗腔的光学厚度不同，导致的吸收峰值频率不同；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗在温度t1时，热致相变材料网栅层的导电性不佳，光窗主要以第一个法布里-珀罗腔为主，在温度t2时，热致相变材料网栅层的导电性增加，光窗主要以第二个法布里-珀罗腔为主；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗在温度t1到温度t2的变化范围内(t1＜t2)，随温度的升高，光窗由第一个法布里-珀罗腔主导转换至第二个法布里-珀罗腔主导，从而实现吸收峰值频率的可调
10.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，在透明介质层a上侧依次平行配置单层或多层的增透膜a和单层或多层的保护层a；透明微波屏蔽层下侧依次平行配置单层或多层的增透膜b和单层或多层的保护层b。
11.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，所述透明介质层b厚度大于透明介质层a厚度的二分之一。
12.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，所述热致相变材料包括氧化钒、二氧化钒、五氧化二钒、掺杂钒的二氧化钒、掺杂钨的二氧化钒、掺杂镁的二氧化钒。
13.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，所述热致相变材料网栅单元的形状包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
14.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，所述的热致相变材料网栅层中热致相变材料的材料厚度大于50nm。
15.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，所述透明介质层a和透明介质层b可以为任意透明材料，所述透明材料能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料。
16.作为一种优选基本结构，上述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，所述透明微波屏蔽层可以为任意透明强微波屏蔽材料，所述透明强微波屏蔽材料能够作为满足使用场合要求的透明材料并且具有强的微波屏蔽能力。
17.本发明的创新性和良好效果是：
18.1、本发明提出由透明介质层a、热致相变材料网栅层、透明介质层b和透明微波屏蔽层组成的高透光微波吸收峰值频率可调光窗。在微波波段，该光窗的吸收机理如下：电磁波入射到透明介质层a上表面直接反射的电磁波1；透明介质层a到透明微波屏蔽层组成了第一个法布里-珀罗腔，由该腔多次反射射出的电磁波2；透明介质层a上表面到热致相变材料网栅层上表面组成了第二个法布里-珀罗腔，由该腔多次反射出的电磁波3。由于两个法布里-珀罗腔具有不同的光学厚度，由两个腔多次反射出的电磁波具有不同的相位差。电磁波1、电磁波2、电磁波3分别具有不同的幅值、周期和相位，因此在入射面(透明介质层a的上表面)进行了矢量叠加，部分频率的电磁波产生了相消，干涉相消的主要频段主要取决于两个法布里-珀罗腔对整体光窗的占比以及两个法布里-珀罗腔的光学厚度；利用热致相变材料在微波呈现的电阻特性，耗散电磁波，从而实现微波吸收特性。
19.2、在创新点1的基础上，本发明主要是由两个法布里-珀罗腔构成，第一个法布里-珀罗腔为透明介质层a的上表面到透明微波屏蔽层的上表面，第二个法布里-珀罗腔为透明介质层a的上表面到热致相变材料网栅层的上表面，由于两个法布里-珀罗腔的光学厚度不同，导致的吸收峰值频率不同；第一个法布里-珀罗腔的光学厚度大于第二个法布里-珀罗腔的光学厚度，由第一个法布里-珀罗腔导致的吸收峰值频率小于由第二个法布里-珀罗腔导致的吸收峰值频率。在温度t1时，热致相变材料网栅层的导电性不佳，电磁波经过热致相变材料网栅层而产生的损耗较小，因此光窗主要由第一个法布里-珀罗腔为主导；随着温度逐渐升高到t2的过程中，热致相变材料网栅层的导电性逐渐增加，第一个法布里-珀罗腔的反射系数逐渐减小，而第二个法布里-珀罗腔的反射系数逐渐增大，因此对整体光窗的反射系数而言，逐渐从第一个法布里-珀罗腔主导转换成第二个法布里-珀罗腔作主导。由于光窗具有透明微波屏蔽层，因此透射几乎可以忽略，反射越小吸收越大，因此光窗的吸收峰值频率逐渐从第一个法布里-珀罗腔主导转换成第二个法布里-珀罗腔作主导。光窗的吸收峰值频率向高频移动，实现了吸收峰值频率的可调。这与目前已知的吸波器、频率选择表面调频方法皆不同，目前已知的调频方法基本都为改变电导率，使得结构的等效图形发生变化，存在调频连续性不佳、结构复杂导致基于二次曝光工艺的制备过程难、制备过程长等缺点；而本发明利用构建双法布里-珀罗腔结合电导率可调的热致相变材料网栅层，仅用简单结构即可实现频率的连续可调。
20.3、本发明提出的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，热致相变材料网栅层采用了栅网状微细结构，不仅可以通过设计不同的孔隙比来实现良好的透光，并且，通过设计网栅结构，使得热致相变材料网栅层在电导率升高时有可靠的电连接，传统相变材料吸波器常采用贴片式图案，图案与图案之间没有可靠的电连接，而本发明提出的高透光微波吸收峰值频率可调光窗的吸收峰值频率可调依赖于热致相变材料网栅层提供不同的电导率从而影响两个法布里-珀罗腔对整体光窗反射的占比，因此传统的贴片式图案无法实现。
21.4、在考虑实际使用过程中，由于各种因素，相变材料的电导率达不到5个数量级的变化，且相变后的电导率达不到金属的电导率，导致目前很多发明中的吸波器在实际应用
中效果不佳。本发明考虑了实际使用过程中相变材料电导率的变化情况和相变后的实际电导率。所需的相变材料薄膜方阻的变化较小且相变后所需方阻也较大，容易在实际中制备得到。因此本发明在实际应用中也能实现良好的吸收峰值频率调节效果。
22.5、本发明的微波吸收峰值频率可调光窗，采用热致相变材料网栅层通过设计孔隙比可以具有较低的透光损失，与两层透明介质层及透明微波屏蔽层构成层叠结构，由于各单元均有良好的光学透明性，且光波仅穿过层叠结构一次，因此微波吸收峰值频率可调光窗具有高光学透明性。
23.综上，本发明在高光学透明的前提下，光窗通过控制温度可以实现吸收峰值频率的连续调节，是一种基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗。本发明考虑了热致相变材料的实际特性，因而实用性强。并且解决了现有基于相变材料的微波吸收技术难以同时实现光学透明和吸收峰值频率可调的问题。
附图说明：
24.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
25.图1是基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗的一种优选结构剖面示意图。
26.图2是热致相变材料网栅单元采用圆环网栅的周期性排列(5
×
3)的阵列图。
27.图3是不同热致相变材料网栅单元形状的示意图。
28.图4是实施例的结构示意图。
29.图5是实施例不同薄膜方阻情况下吸收率的理论计算结果。
30.图中件号说明：1.保护层a；2.增透层a；3.透明介质层a；4.黏连层a；5.热致相变材料网栅层；6.透明介质层b；7.黏连层b；8.透明微波屏蔽层；9.增透层b；10.保护层b；11.热致相变材料网栅单元；12.石英玻璃；13.二氧化钒；14.石英玻璃；15.透明ito背板。
具体实施方式
31.下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：本发明的目的是这样实现的：所述光窗包括由上至下依次堆叠的透明介质层a3、热致相变材料网栅层5、透明介质层b 6和透明微波屏蔽层8；所述热致相变材料网栅层5是指在透明介质层b 6上表面由热致相变材料网栅单元11排布构成的栅网状微细结构；所述热致相变材料是指可在温度驱动下实现电导率可逆且连续变化的材料；所述吸收峰峰值频率是指光窗实现最大吸收率时的频率；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗的吸收由两个法布里-珀罗腔谐振导致，第一个法布里-珀罗腔为透明介质层a3的上表面到透明微波屏蔽层8的上表面，第二个法布里-珀罗腔为透明介质层a3的上表面到热致相变材料网栅层5的上表面；所述两个法布里-珀罗腔的光学厚度不同，导致的吸收峰值频率不同；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗在温度t1时，热致相变材料网栅层5的导电性不佳，光窗主要以第一个法布里-珀罗腔为主，在温度t2时，热致相变材料网栅层5的导电性增加，光窗主要以第二个法布里-珀罗腔为主；所述高
透光微波吸收峰值频率可调光窗在温度t1到温度t2的变化范围内(t1＜t2)，随温度的升高，光窗由第一个法布里-珀罗腔主导转换至第二个法布里-珀罗腔主导，从而实现吸收峰值频率的可调。
32.图1是基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗的一种优选结构剖面示意图，所述透明介质层a 3和透明介质层b 6可以为任意透明材料，只要能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料，同时能够将热致相变材料网栅层5和透明微波屏蔽层8按一定工艺流程加工于透明介质层b 6的表面，包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；黏连层a 4可以帮助连接透明介质层a 3和热致相变材料网栅层5；黏连层b 7可以帮助将透明微波屏蔽层8固定于透明介质层6的下侧；单层或者多层增透膜(2和9)增强光窗的透光能力；单层或者多层的保护层(1和10)被用来保护透明介质层a 3和透明微波屏蔽层8，以防止被划伤或长期暴露于空气中造成腐蚀和氧化，避免影响透明微波屏蔽层8的电磁传输性能以及透明介质层a 3和透明微波屏蔽层8的透光性能。实际应用中，透明介质层a 3、热致相变材料网栅层5、透明介质层b 6和透明微波屏蔽层8是本发明不可或缺的因素，根据工艺和实际应用场合，黏连层(4和7)、增透膜(2和9)和保护层(1和10)可以具备或不具备。
33.图2列举了本发明中热致相变材料网栅单元采用圆环网栅的周期性排列(5
×
3)的阵列示意图，以热致相变材料网栅单元是圆环网栅为例，以二维正交阵列方式排列开形成周期阵列。
34.图3为不同热致相变材料网栅单元形状的示意图，(a)为方格网栅，(b)为圆环网栅，(c)为三角分布圆环及子圆环阵列网栅，(d)为基于随机分布圆环的金属网栅，(e)为基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
35.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和实施例对本文发明做更清楚、完整的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
36.根据本发明的一个实施例的结构示意图如图4所示，由顶部第一层透明石英玻璃、第二层热致相变材料网栅层、第三层透明石英玻璃、第四层透明ito背板构成。本实例中热致相变材料网栅所用的网栅单元选择的是方格网栅单元，占空比为5％；热致相变材料采用是二氧化钒，模拟不同温度的方阻变化范围为20ω/sq-3ω/sq。透明微波屏蔽层8采用的是透光96％、方阻为6ω/sq的ito薄膜，ito和二氧化钒的厚度均为200nm，所选第一层透明石英玻璃的厚度为1.8mm，所选第二层透明石英玻璃的厚度为1.5mm。
37.由于高透光微波吸收峰值频率可调光窗的重要参数之一为透光率，因此对实施例样件的透光率进行分析，热致相变材料网栅层5的透光率为95％；透明微波屏蔽层8所用的ito膜可见光透光率约为96％，因此整体结构的归一化可见光透光率约为91.2％。对透明性要求高的场合仍为适用。
38.本发明的效果可通过图5进一步说明：
39.由于相变材料的方阻和温度呈对应关系，随着温度的升高，方阻降低，本实施例所选用的二氧化钒随温度变化，方阻可从20ω/sq变化到3ω/sq。在理论计算分析中，模拟二氧化钒方阻变化范围为20ω/sq-3ω/sq，基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗的吸收性能的变化情况如图5所示。图中黑色虚线是吸收率为90％的等高线，可以看出，当二氧化钒的方阻为20ω/sq，光窗最高吸收峰的幅值还没有达到90％，随着二氧化钒方阻的减小为7.9ω/sq时，光窗在13.39ghz获得大于99.98％的吸收；当二氧化钒的方阻进
一步减小到7ω/sq、6ω/sq和5ω/sq时，光窗的峰值吸收分别为99.94％、99.7％和99.86％，吸收峰值频率为13.99ghz、15.22ghz和17.41ghz；当二氧化钒方阻为4ω/sq时，光窗的吸收峰值频率移动至18ghz，并获得99.98％的峰值吸收。
40.综上所述，本实施例在高透光的情况下，通过控制温度改变二氧化钒方阻从20ω/sq降低至3ω/sq，光窗的吸收峰值频率可从13.39ghz移动至18ghz；实现了吸收峰值频率的连续可调，且皆有较大的调节范围。
41.以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述光窗包括由上至下依次堆叠的透明介质层a(3)、热致相变材料网栅层(5)、透明介质层b(6)和透明微波屏蔽层(8)；所述热致相变材料网栅层(5)是指在透明介质层b(6)上表面由热致相变材料网栅单元(11)排布构成的栅网状微细结构；所述热致相变材料是指可在温度驱动下实现电导率可逆且连续变化的材料；所述吸收峰峰值频率是指光窗实现最大吸收率时的频率；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗的吸收由两个法布里-珀罗腔谐振导致，第一个法布里-珀罗腔为透明介质层a(3)的上表面到透明微波屏蔽层(8)的上表面，第二个法布里-珀罗腔为透明介质层a(3)的上表面到热致相变材料网栅层(5)的上表面；所述两个法布里-珀罗腔的光学厚度不同，导致的吸收峰值频率不同；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗在温度t1时，热致相变材料网栅层(5)的导电性不佳，光窗主要以第一个法布里-珀罗腔为主，在温度t2时，热致相变材料网栅层(5)的导电性增加，光窗主要以第二个法布里-珀罗腔为主；所述高透光微波吸收峰值频率可调光窗在温度t1到温度t2的变化范围内(t1＜t2)，随温度的升高，光窗由第一个法布里-珀罗腔主导转换至第二个法布里-珀罗腔主导，从而实现吸收峰值频率的可调。2.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：在透明介质层a(3)上侧依次平行配置单层或多层的增透膜a(2)和单层或多层的保护层a(1)；透明微波屏蔽层(8)下侧依次平行配置单层或多层的增透膜b(9)和单层或多层的保护层b(10)。3.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述透明介质层b(6)厚度大于透明介质层a(3)厚度的二分之一。4.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述热致相变材料包括氧化钒、二氧化钒、五氧化二钒、掺杂钒的二氧化钒、掺杂钨的二氧化钒、掺杂镁的二氧化钒。5.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述热致相变材料网栅单元(11)的形状包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。6.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述的热致相变材料网栅层(5)中热致相变材料的材料厚度大于50nm。7.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述透明介质层a(3)和透明介质层b(6)可以为任意透明材料，所述透明材料能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料。8.根据权利要求1所述的基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗，其特征在于：所述透明微波屏蔽层(8)可以为任意透明强微波屏蔽材料，所述透明强微波屏蔽材料能够作为满足使用场合要求的透明材料并且具有强的微波屏蔽能力。

技术总结
基于热致相变材料的高透光微波吸收峰值频率可调光窗属于光学透明电磁屏蔽及微波吸收领域。该高透光微波吸收光窗由透明介质层A、热致相变材料网栅层、透明介质层B和透明微波屏蔽层共同构成，热致相变材料网栅层和透明微波屏蔽层分别平行放置于透明介质层B的两侧。本发明在高光学透明的前提下，光窗的吸收由两个法布里-珀罗腔谐振导致，通过控制温度，吸收峰值频率由一个法布里-珀罗腔主导转换至另一个法布里-珀罗腔主导，实现吸收峰值频率的连续调节。本发明扩展了二氧化钒在峰值频率可调领域的应用，且具有结构简单、吸收峰值频率可调谐、应用范围广等优点。应用范围广等优点。应用范围广等优点。


技术研发人员：陆振刚 张怡蕾 谭久彬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/7/21