CN103715513B - 一种基于亚波长金属结构的宽频吸波材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长金属结构的宽频吸波材料，属于微波吸波材料领域。该新型吸波材料自上而下有三层，分别为覆有周期性排列的矩形金属结构的介质基板、传统吸波材料基板和覆有周期性排列的“回”字形金属结构的介质基板。本发明在传统吸波材料的基础上引入周期性亚波长金属结构，利用金属结构对电磁波的局域控制特性，加强了传统吸波材料对电磁波的损耗作用，并通过双层金属结构实现了宽频带的强吸收，可用于雷达隐身、电磁兼容和电磁屏蔽等。

Description

一种基于亚波长金属结构的宽频吸波材料
技术领域
本发明属于微波吸波材料设计领域，具体讲是一种基于亚波长金属结构的新型吸波材料设计。
背景技术
如今人们对电磁波的开发利用越来越广泛，卫星通信、雷达探测、移动无线等都以电磁波为媒介进行信号和能量的传输。然而电磁辐射也有其负面的影响，例如由于电磁波的干扰会影响通信质量，恶化仪器、电路的工作性能；电磁辐射会伤害人体的健康，影响环境等，这都需要对其进行屏蔽、吸收等适当处理。另外在国防军事领域，作为提高武器系统生存能力和突防能力，避免被敌方发现、识别和攻击的雷达隐身技术，变得日益重要，受到各国的高度重视，不具备隐身能力的武器装备和指挥系统将会慢慢失去战斗能力，而实现雷达隐身的重要方式之一就是物体表面覆盖吸波材料。
针对以上电磁抗干扰、电磁屏蔽、电磁兼容和雷达隐身等方面，人们设计了各式各样的吸波材料，吸波材料已成为是现代材料学研究的重要分支。传统吸波材料有碳纤维、羟基铁、钛酸钡陶瓷等，每种材料有其独特的吸波性能，但存在吸波频段窄、质量大、密度高、较厚等缺点，而电磁兼容和雷达隐身尤其是后者为了发挥高效的作用则要求吸波材料具有“宽波段、强吸收、薄厚度、轻重量”的综合特征。
人工电磁结构材料，是一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或媒质，通常由远小于波长的周期性单元金属结构组成，可以通过对周期性结构的设计来调节等效电磁参数（磁导率、介电常数），进而调节与入射电磁波的相互作用。基于人工电磁结构材料的思想和理论，在可见光波段甚至微波波段引入亚波长金属结构的“完美吸收”吸波材料的相关研究结果已陆续报道，表明了基于亚波长金属结构的新型吸波材料的应用潜力。然而，“完美吸收”是一种强谐振单频吸收，虽然达到强吸收效果，但吸波频段极窄，在实际应用上十分受限。
发明内容
为了克服传统吸波材料质量大、吸收弱和“完美吸收”吸波频段窄等缺陷，本发明提出了一种基于亚波长金属结构的新型吸波材料。利用亚波长金属结构对电磁波的高效局域特性和电磁能量调制特性，将入射电磁波能量限制和局域于吸波材料内部，有效延长电磁波与吸波材料的作用时间和作用距离，在较薄的吸波材料层中即可获得较强的吸波效果；并通过二层不同形状的金属结构与传统薄片吸波材料组合达到了多谐振、宽频段的强吸波效果，并具有较薄、较轻的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于亚波长金属结构的宽频吸波材料，其自上而下分别由第一基材、第二基材和第三基材组成，所述第一基材上表面覆有周期性排列的矩形金属结构，所述第二基材属于传统吸波材料，所述第三基材上表面覆有周期性排列的“回”字形金属结构；所述第一基材上的每四个矩形金属结构与所述第三基材上的一个“回”字形金属结构组成一个周期单元，之间隔有所述的第二基材。
进一步的，所述第一基材与所述第三基材都是FR-4材料，介电常数为4.0至4.5。
进一步的，所述第一基材厚度为0.127mm，所述第三基材厚度为0.4mm至0.8mm。
进一步的，所述第二基材是一种非铁磁性传统吸波材料，磁导率为1，介电常数为2.6至3.2，损耗正切为0.3至0.5，厚度为2.4mm至2.7mm。
进一步的，所述第一基材上表面覆有的金属结构中每四块矩形与所述第三基材上表面覆有的金属结构中的一个“回”字形组成一个周期单元，单元周期长度为6mm至8mm。
进一步的，一个周期单元中，四个矩形完全一样，且长宽相等，分别排列在周期单元的四角，边长为2.1mm至2.3mm。
进一步的，一个周期单元中，“回”字形由两个同心矩形框构成，两个矩形框的线宽相等，为0.5mm至0.75mm，外框边长等于单元周期长度，内框边长为4.5mm至4.9mm。
进一步的，所述周期性单元中矩形结构的和“回”字形结构的参数可根据所需的吸波频段进行小范围调节。
进一步的，所述金属结构的厚度为0.017mm至0.035mm，材料为铜、银或铝。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）、本发明在传统吸波材料的基础上利用亚波长金属结构对电磁波的调控机制设计新型吸波材料，可有效局域入射电磁波，增强吸波材料对电磁波的损耗作用，达到较强吸收的效果。
（2）、本发明通过引入两层不同形状的周期性亚波长金属结构显著地增加了吸波带宽，可在雷达波段满足较宽频带的吸波需求。
（3）、本发明采用基于亚波长金属结构的新设计，较一般传统吸波材料更轻、更薄，制作简单，成本低廉。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
图1是本发明一个周期单元的结构示意图；
图2是本发明一个周期单元中第一基材的示意图；
图3是本发明一个周期单元中第三基材的示意图；
图4是本发明一个实施例中未加入金属结构和加入金属结构的吸波效果图，其中，虚线是未加入金属结构的结果，实线是加入金属结构后的结果。
图中，11.第一基材的基板，12.第一基材的表面矩形金属结构，21.第二基材，31.第三基材的基板，32.第三基材的表面“回”字形金属结构。
具体实施方式
本发明在传统吸波材料上下表面分别粘接覆有不同形状亚波长金属结构的介质基板，组成三层结构，至上而下分别为第一基材、第二基材和第三基材，在所述第一基材的上表面覆有周期性排列的矩形金属结构；所述第二基材为传统吸波材料薄片；在所述第三基材上表面覆有周期性排列的“回”字形金属结构；所述第一基材上的每四个矩形金属结构与所述第三基材上的一个“回”字形金属结构组成一个周期单元，之间隔有所述的第二基材。
所述第一基材与第三基材都是FR-4材料，介电常数为ε=4.0-4.5。
所述第一基材厚度为0.127mm，所述第三基材厚度为0.4mm至0.8mm。
所述第二基材为传统非铁磁性（磁导率μ=1）吸波材料，介电常数ε=2.6-3.2，损耗正切tanδ=0.3-0.5，厚度为2.4mm至2.7mm。
所述一个周期单元的周期长度为6mm至8mm，单元中四个矩形完全一样，且长宽相等，分别排列在周期单元的四角，边长为2.1mm至2.3mm；“回”字形由两个同心矩形框构成，两个矩形框的线宽相等，为0.5mm至0.75mm，外框边长等于单元周期长度，内框边长为4.5mm至4.9mm。
所述一个周期单元的周期和其包含的金属结构的结构参数可根据需要的吸波频段进行小范围调节，调节方法是通过电磁仿真软件建模，然后对矩形结构大小和对应的“回”字形结构大小进行扫描优化，确定出满足所需吸波频段的参数，再进行加工测试并继续优化，最后确定满足吸波要求的参数。
所述金属结构厚度为0.017mm至0.035mm，材料为铜、银或者铝。
本发明是针对宽频吸波材料背面紧贴金属的情况下设计的，所以使用过程中背面需要紧贴金属，例如覆在飞机表面达到隐身效果。
下文将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是本申请中的实施例只是本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
如附图1，是本发明一个周期单元的结构示意图。自上而下分为三层基材，11是第一基材的基板，21是第二基材，31是第三基材的基板。基板11和基板31上表面覆有周期性排列的亚波长金属结构12和32。
优选地，第一基材的基板11和第三基材的基板31都是FR-4材料，介电常数为ε=4.3，损耗正切tanδ=0.025，基板11的厚度为0.127mm，基板31的厚度为0.6mm。
优选地，第二基材21是一种碳纤维吸波材料，厚度为2.58mm。基材21的材料成分和配比为：聚氨酯（51.28g）：微球（50g）：丁酮（269.64g）：碳纤维（17.58g，长度6mm），经过搅匀烘干制板。基材21的介电常数取均值ε=2.9，损耗正切取均值tanδ=0.455。
优选地，所述一个周期单元的周期为7.03mm。如附图2，是一个周期单元中第一基材的平面示意图，包含四个相同的矩形金属结构12，四个矩形分别排列在单元的四角，长宽相等，为2.22mm。如附图3，是一个周期单元中第三基材的平面示意图，包含一个由两个矩形金属框组成的“回”字型结构32，两个矩形框线宽相等，为0.68mm。其中，外框边长等于周期7.03mm，内框边长为4.73mm。
优选地，本发明的第一基材和第三基材包括周期性金属结构可以采用覆铜板进行制作，然后与第二基材进行粘接，整个制作过程简易，成本低廉。
如附图4，是本实施例的仿真结果，实线是采用金属结构的结果，虚线是去除金属结构的结果。从结果可以看出，加入亚波长金属结构后吸波性能得到了很大提高，并获得整个X波段（8GHz-12GHz）的宽频吸波效果，且大部分频段达到反射率在-15dB以下。
需要强调的是，本实施例的所有结构参数是针对X波段进行设计和优化后的结果，若需要用于其他波段，可对参数进行调节，同样能达到良好的吸波效果。

Claims (2)

1.一种基于亚波长金属结构的宽频吸波材料，其特征在于：该宽频吸波材料自上而下分别由第一基材、第二基材和第三基材组成，所述第一基材上表面覆有周期性排列的矩形金属结构，所述第二基材属于传统吸波材料，所述第三基材上表面覆有周期性排列的“回”字形金属结构；所述第一基材上的每四个矩形金属结构与所述第三基材上的一个“回”字形金属结构组成一个周期单元，之间隔有所述的第二基材；
所述第一基材与所述第三基材都是FR-4材料，介电常数为4.0至4.5；
所述第一基材厚度为0.127mm，所述第三基材厚度为0.4mm至0.8mm；
所述第二基材是一种非铁磁性传统吸波材料，磁导率为1，介电常数为2.6至3.2，损耗正切为0.3至0.5，厚度为2.4mm至2.7mm；
所述第一基材上表面覆有的金属结构中每四块矩形与所述第三基材上表面覆有的金属结构中的一个“回”字形组成一个周期单元，单元周期长度为6mm至8mm；
一个周期单元中，四个矩形完全一样，且长宽相等，分别排列在周期单元的四角，边长为2.1mm至2.3mm；
一个周期单元中，“回”字形由两个同心方形框构成，两个方形框的线宽相等，为0.5mm至0.75mm，外框边长等于单元周期长度，内框边长为4.5mm至4.9mm；
所述金属结构的厚度为0.017mm至0.035mm，材料为铜、银或铝。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长金属结构的宽频吸波材料，其特征在于：所述周期性单元中矩形结构的和“回”字形结构的参数可根据所需的吸波频段进行小范围调节。
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