CN105101764B - 一种立体单元宽带周期吸波结构 - Google Patents

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本发明属于电子材料技术领域，特别涉及电磁吸波结构。提供了一种立体单元宽带周期吸波结构，其底层为金属平板，金属平板上方为周期性排布的印刷有电阻膜图案的长方体硬质泡沫复合单元结构，其单元周期为a0；除与金属平板相粘合的一面没有电阻膜以外，其余五个面上均印刷有电阻膜，其中与电磁波入射方向相垂直的上表面为正方形且印刷有方环形电阻膜，其方阻值为Rsq1，与上表面相垂直的四个侧面为矩形且印刷有方环形的方阻值为Rsq2的电阻膜。本发明改善了中频(8～12GHz)的吸波性能，实现了在3～18GHz的宽带范围对入射电磁波大于80％的吸收。

Description

一种立体单元宽带周期吸波结构
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，特别涉及电磁吸波结构。
背景技术
二次世界大战中，雷达作为先进的远距离探测工具而被广泛使用，为了增强武器装备的突防生存能力，隐身技术便应运而生。现代战争，电磁环境越来越复杂，电磁波吸收材料作为一种提高武器装备隐身能力的有效手段，也愈发的受到各军事强国的重视，相关的研究成果也频频见诸报端。
另外，随着手机、微波炉和电磁炉等以电磁波为媒介的技术产品在现实生活各领域的广泛使用，其产生的电磁辐射等电磁污染也对人类的生存健康构成了威胁。因此电磁波吸收材料在信息传输、微波辐射防护等民用领域也有着广泛的应用。
同时，随着各种电磁设备工作频带的扩展，人们对宽频吸波材料的需求也越来越迫切。
宽带吸波材料中，尤以多层电介质吸收材料有频带宽、重量轻、工艺简单和可批量化等特点而获得了生产商和使用者的青睐。目前常用的轻质宽带吸波结构有：Jaumann吸波体，几何渐变吸波体，泡绵吸波体，蜂窝吸波结构等。然而这些吸波体有一个共同的缺点：良好的宽带吸收效果带来的是结构厚度的急剧增加，通常这类宽带吸波结构的整体厚度在20～30mm。而根据Salisbury Screen吸波体、电路模拟吸波体等设计的单层吸波结构，由于谐振频点单一，且在其结构整体厚度等于工作波长一半的时候会产生全反射的现象，也不利于宽带吸波的实现。因此，在不改变材料及结构厚度的前提下，如何拓宽雷达波吸收体的吸波频带则成了当前电磁波吸收技术领域的一个亟待解决的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种立体单元宽带周期吸波结构，该结构在3～18GHz的宽带范围内对入射的电磁波可实现大于80％的有效吸收。
该立体单元宽带周期吸波结构，底层为金属平板，金属平板上方为周期性排布的印刷有电阻膜图案的长方体硬质泡沫复合单元结构，其单元周期为a0。硬质泡沫材料的相对介电常数实部为0.95≤ε'≤1.1，其虚部为0.05≤ε”≤0.075；相对磁导率实部为0.95≤μ'≤1.01，其虚部为10-3≤μ”≤10-2。除与金属平板相粘合的一面没有电阻膜以外，其余五个面上均印刷有电阻膜，其中与电磁波入射方向相垂直的上表面为正方形且印刷有方环形电阻膜，其方阻值为Rsq1，与上表面相垂直的四个侧面为矩形且印刷有方环形的方阻值为Rsq2的电阻膜。a0为单元周期，a为方阻值Rsq1的方环形电阻膜外边长，d为单元高度，w1为方阻值Rsq1的电阻膜的环宽，w2和w3分别为方阻值Rsq2的电阻膜在不同方向上的环宽。其参数范围为：a0＝14～19mm，a＝12～16mm，d＝12～16mm，w1＝1～8mm，w2＝2～8mm，w3＝3～8mm，Rsq1＝150～300Ω/□，Rsq2＝50～170Ω/□。
上述w2或w3≥a/2或d/2即与上表面相垂直的四个侧面印刷的方阻值为Rsq2的电阻膜为完全覆盖的矩形。
上述硬质泡沫为聚醚酰亚胺或聚甲基丙烯酰亚胺。
该立体单元宽带周期吸波结构的设计原理在于：利用长方体复合单元侧面电阻膜与入射电磁波之间的相互作用，消除对应平面结构易产生全反射的缺陷，改善了中频(8～12GHz)的吸波性能，实现在3～18GHz的宽带范围对入射电磁波大于80％的吸收。
实物采用丝网印刷工艺，用导电碳黑浆料在长方体硬质泡沫结构的上表面(与电磁波入射方向相垂直的面)和与其相垂直的4个侧面分别印刷不同图案，不同单元尺寸，不同方阻值的电阻膜，以此构成硬质泡沫和电阻膜的复合单元结构，将该复合单元结构按照其单元周期a0粘贴在金属平板上，实现了一种轻质宽带的立体单元吸波结构，其立体单元阵列结构如图1所示。
本发明具有如下突出优点：
1.主体填充材料为硬质泡沫单元，单元密度极小，吸波结构整体质量极轻；
2.各个方向相同的单元周期，以及与入射电磁波相垂直的面为正方形图案，可有效消除入射电磁波不同极化方向(水平极化和垂直极化)对结构吸波性能所带来的影响；
3.硬质泡沫与电阻膜的复合结构，其等效输入阻抗可在更多的频点与自由空间的波阻抗相匹配，在更宽的频带上实现对入射电磁波超过80％的吸收；
4.通过立体单元结构侧面电阻膜对入射电磁波的吸收，可以有效消除对应单层吸波结构易产生全反射的缺陷，改善中频的吸波特性，拓宽吸波带宽；
5.通过调整电阻膜的图案尺寸以及方阻等参数，实现对结构吸波性能的灵活调节。
附图说明
图1立体单元宽带周期吸波结构单元阵列图；
图2侧面为方环形电阻膜时立体单元宽带周期吸波结构的单元结构图；
图3侧面为方环形电阻膜时电磁波垂直入射的仿真与实验结果；
图4侧面为方块形电阻膜时立体单元宽带周期吸波结构的单元结构图；
图5侧面为方块形电阻膜时电磁波垂直入射的仿真与实验结果；
附图标记：a0为单元周期，a为方阻值Rsq1的方环边长，d为单元结构高度，w1为方阻值Rsq1的方环环宽，w2和w3分别为方阻值Rsq2的方环在不同方向上的环宽，Rsq1为立体单元结构与电磁波入射方向相垂直的上表面电阻膜的阻抗值，Rsq2为立体单元结构侧表面电阻膜的阻抗值。
具体实施方式
采用前述立体单元宽带周期吸波结构进行具体实施，具体如下。
实施例1：
一种立体单元宽带周期吸波结构，其单元结构如图2所示，具体尺寸参数为(单位mm)：
a0＝17，a＝14，d＝14，w1＝3.65，w2＝3.65，w3＝3.65，Rsq1＝185Ω/□，Rsq2＝70Ω/□
通过所述方式设计得到的电磁吸波体，在TE波或者TM波垂直入射的情况下，结构在2～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中3～18GHz频段具有-7dB以下的反射系数，如图3所示。
实施例2：
一种立体单元宽带周期吸波结构，其单元结构如图4所示，具体尺寸参数为(单位mm)：
a0＝18，a＝15，d＝15，w1＝2.5，w2＝7.5，w3＝7.5，Rsq1＝200Ω/□，Rsq2＝85Ω/□
通过所述方式设计得到的电磁吸波体，在TE波或者TM波垂直入射的情况下，结构在2～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中3～17.5GHz频段具有-10dB以下的反射系数，如图5所示。
实施例3：
一种立体单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：
a0＝17，a＝14，d＝15，w1＝4，w2＝6，w3＝6，Rsq1＝185Ω/□，Rsq2＝80Ω/□
通过所述方式设计得到的电磁吸波体，在TE波或者TM波垂直入射的情况下，结构在2～18GHz的全频段具有至少-6dB以下的反射系数，其中2.29～18GHz频段具有-8dB以下的反射系数。
实施例4：
一种立体单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：
a0＝18，a＝15，d＝15，w1＝4，w2＝4，w3＝4，Rsq1＝185Ω/□，Rsq2＝80Ω/□
通过所述方式设计得到的电磁吸波体，在TE波或者TM波垂直入射的情况下，结构在2～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中2.1～18GHz频段具有-7dB以下的反射系数。
实施例5：
一种立体单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：
a0＝19，a＝15，d＝15，w1＝4，w2＝6，w3＝6，Rsq1＝260Ω/□，Rsq2＝80Ω/□
通过所述方式设计得到的电磁吸波体，在TE波或者TM波垂直入射的情况下，结构在2～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中2.86～18GHz频段具有-10dB以下的反射系数。
实施例6：
一种立体单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：
a0＝19，a＝15，d＝15，w1＝4，w2＝6，w3＝6，Rsq1＝185Ω/□，Rsq2＝100Ω/□
通过所述方式设计得到的电磁吸波体，在TE波或者TM波垂直入射的情况下，结构在2～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中2.5～18GHz频段具有-9dB以下的反射系数。
综上，该立体单元结构，可以消除当结构厚度为工作波长一半时所带来的全反射的影响，从而改善该频段下的吸收特性，有效拓展结构的吸收带宽；又因为结构与电磁波入射方向垂直的表面具有旋转对称的特点，从而可以消除入射波不同极化方式对结构吸波性能的影响。该立体单元宽带周期吸波结构在电磁波吸收以及雷达隐身等领域具有潜在的应用价值。

Claims (1)

1.一种立体单元宽带周期吸波结构，底层为金属平板，其特征在于：
金属平板上方为周期性排布的印刷有电阻膜图案的长方体硬质泡沫复合单元结构，其单元周期为a0，硬质泡沫材料的相对介电常数实部范围为0.95≤ε'≤1.1，虚部范围为0.05≤ε”≤0.075；相对磁导率实部范围为0.95≤μ'≤1.01，虚部范围为10-3≤μ”≤10-2；除与金属平板相粘合的一面没有电阻膜以外，其余五个面上均印刷有电阻膜，其中与电磁波入射方向相垂直的上表面为正方形且印刷有方环形电阻膜，其方阻值为Rsq1，与上表面相垂直的四个侧面为矩形且印刷有方阻值为Rsq2的方块形电阻膜；a0为单元周期，a为方阻值Rsq1的方环形电阻膜外边长，d为单元高度，w1为方阻值Rsq1的电阻膜的环宽，其参数范围为：a0＝14～19mm，a＝12～16mm，d＝12～16mm，w1＝1～8mm，Rsq1＝150～300Ω/□，Rsq2＝50～170Ω/□。
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