CN105304978A - 一种低通高吸型电磁功能层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低通高吸型电磁功能层，包括低通高阻型频率选择表面，由刻蚀在介质基板两面上的不同结构尺寸的金属结构单元阵列构成，单元阵列的周期p＝10.0-20.0mm，金属结构单元具有旋转对称性，其频率选择特与入射波极化方向无关，且两面金属结构单元的大小不同；吸波单元阵列，由磁损耗吸波材料或电阻型吸波材料制作的正方形或圆形小片构成的周期性阵列，在高频段具有宽带吸波性能，吸波单元尺寸小于金属结构单元的尺寸，并且粘结在低通高阻型频率选择表面带有尺寸较小金属结构单元的一侧。本发明所得材料带内插损小、厚度小、设计灵活、成本低。

Description

一种低通高吸型电磁功能层

技术领域

本发明涉及电磁透波材料和吸波材料技术领域，具体涉及一种低通高吸型电磁功能层。

背景技术

在工作频带内高效透波、在工作频带外高效吸波的电磁功能层在抗干扰通讯、电磁防护、电磁隐身等领域具有重要的应用需求。目前透波材料和吸波材料设计是各自相对独立的，缺乏对带内信号高通透、带外信号高吸收的新型电磁材料。绝大多数吸波材料都是基于金属反射背板设计其吸波性能，当撤掉金属背板时，同样厚度的吸波材料的吸波性能在其工作频段会大幅下降，在其工作频段外频段吸收率反而有所增大。当移除金属背板时，传统吸波材料不具有频率选择吸波特性，其吸波性能仅与其电厚度有关。传统吸波材料对带外信号产生强烈吸收的同时对带内信号带来吸收衰减和反射损耗，造成很大的插入损耗，导致工作频段内的天线或微波系统性能大幅恶化。例如，加载金属背板的吸波胶片只需要1.5mm的厚度就可以实现X、Ku波段大于70％的吸收率，当移除金属背板时，需要采用6mm厚同样材料的吸波胶片。并且，在没有金属背板的情况下，随着厚度的继续增加，由于吸波材料与空气阻抗失配造成的强反射，其吸波性能达到饱和，吸收率只能维持在80％左右。吸波材料厚度的增大急剧恶化吸波频段外的带通特性，带来显著的吸收衰减损耗和反射损耗，所以，仅仅依靠吸波材料很难实现具有带内高通透、带外高吸收的电磁功能层。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种低通高吸型电磁功能层，通过在高通低阻型频率选择表面上加载吸波单元阵列，利用频率选择表面在高频段的反射特性以及吸波单元在高频段的吸收特性实现对高频电磁波的高效吸收；同时利用频率选择表面的低频透波特性和吸波单元的占空比设计保证低频段电磁波的高效透过。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种低通高吸型电磁功能层，包括

低通高阻型频率选择表面，由刻蚀在介质基板两面上的不同结构尺寸的金属结构单元阵列构成，单元阵列的周期p＝10.0-20.0mm，金属结构单元具有旋转对称性，其频率选择特与入射波极化方向无关，且两面金属结构单元的大小不同；

吸波单元阵列，由磁损耗吸波材料或电阻型吸波材料制作的正方形或圆形小片构成的周期性阵列，在高频段具有宽带吸波性能，吸波单元尺寸小于金属结构单元的尺寸，并且粘结在低通高阻型频率选择表面带有尺寸较小金属结构单元的一侧。

优选地，所述金属结构单元采用大小不同的双层正方形金属贴片，正方形金属贴片的金属层厚度t＝0.013-0.030mm，其中一侧较大边长的正方形金属贴片结构单元的边长a₁＝9.0-19.0mm，另一侧较小正方形金属贴片结构单元的边长a₂＝8.6-18.0mm，两正方形金属贴片之间设有介质基板，介质基板的厚度在t₁＝0.1-1.0mm之间，基板的相对介电常数ε_r＝2.0-4.6，损耗角正切tanδ＝0.0001-0.025。

优选地，所述吸波单元阵列是由宽带磁性吸波材料做成的正方形方块构成的周期性阵列，其在平面内的重复周期与低通高阻频率选择表面的重复周期相等。

优选地，所述吸波单元阵列所采用磁性吸波材料的相对介电常数的实部ε_r’＝8-16，虚部在ε_r”＝0.3-2；相对磁导率介于μ_r’＝1-6，虚部μ_r”＝0.3-2。磁性吸波材料方块的边长a₃小于金属结构单元的尺度，并且a₃＝8.0-18.0mm。

优选地，所述吸波单元阵列的厚度t₂＝1.0-3.0mm。

优选地，所述吸波单元阵列粘接在低通高阻型频率选择表面较小尺寸的金属结构单元上，其几何中心与较小尺寸金属结构单元的几何中心重合。

优选地，所述正方形金属贴片采用铜、铝、银、金、锡、锌、铝镁合金中的一种材质。

本发明通过频率选择表面正方形金属贴片的边长设计和基板的厚度/损耗设计调控低通高吸功能层在低频段的插损以及在高频段的截止频率，通过频率选择表面两侧正方形金属贴片的边长比值设计调控过渡带的陡峭度，通过吸波方块的占空比设计及厚度设计调控低通高吸功能层在高频段的吸波性能。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过双层金属结构单元低通高阻频率选择表面的频率选择特性设计和吸波单元阵列的占空比设计，在降低低频段插损的同时增大高频段的吸波效率；本发明的应用，在几乎不影响低频段电磁波传输的前提下，可对高频段电磁波的吸波性能进行调控，在电磁兼容、电磁防护、电磁隐身等领域具有很大的应用潜力；所得材料带内插损小、厚度小、设计灵活、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例低通高吸电磁功能层示意图；

图2为本发明实施例低通高吸电磁功能层结构的单元分离结构示意图；

图3为本发明实施例低通高阻频率选择表面的电磁波传输特性；

图4为本发明实施例吸波方块单元的电磁参数；

图5为本发明实施例低通高吸电磁功能层的电磁波传输特性；

图6为本发明实施例低通高吸电磁功能层的电磁波吸收特性；

图7为本发明实施例加载蒙皮的低通高吸电磁功能层结构单元分离结构示意图；

图8为本发明实施例加载蒙皮低通高吸电磁功能层的电磁波传输特性；

图9为本发明实施例加载蒙皮低通高吸电磁功能层的电磁波吸收特性。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-2所示，本实施例的低通高阻频率选择表面采用双层正方形金属贴片结构单元阵列，吸波单元阵列采用由磁性吸波方块构成的阵列。吸波方块2阵列粘接在低通高阻频率选择表面1上，并且二者几何中心重合。正方形金属贴片11和13的厚度t＝0.017mm，两层正方形金属贴片11和13的边长分别为：a₁＝10.4mm，a₂＝8.7mm。介质基板12的厚度t₁＝0.4mm，相对介电常数ε_r＝4.3，损耗角正切tanδ＝0.025。吸波方块2位于边长为8.7mm的金属贴片上，二者几何中心重合，吸波方块的边长a₃＝7.0mm，厚度t₂＝2.4mm。

图3给出了本实施例中低通高阻频率选择表面的电磁波传输特性，其设计截止频率f₁＝8.0GHz。

图4给出了本实施例采用的磁性吸波方块的电磁参数，相对介电常数的实部ε_r’＝9，虚部在ε_r”＝0.2；相对磁导率介于μ_r’＝1～2.5，虚部μ_r”＝0.8～1。

图5给出了低通高吸电磁功能层的电磁波传输特性，其在1.5GHz以下的插损小于0.5dB，而在X、Ku波段反射率和传输率均大幅下降。

图6给出了低通高吸电磁功能层的电磁波吸收特性，在X、Ku波段的吸收率大于8dB。

图7为加载蒙皮的低通高吸电磁功能层结构单元分离结构示意图。将本实施例中的低通高吸电磁功能层4与硬质泡沫5作为夹层，硬质泡沫5与频率选择表面刻蚀有边长为a₁＝10.4mm的一面粘接。硬质泡沫5的相对介电常数为ε_r＝1.05，损耗角正切为tanδ＝0.0001。在此夹层的两面各粘接一层厚度为t₃＝1.0mm的氰酸脂蒙皮3，氰酸脂的相对介电常数为ε_r＝3.1，损耗角正切为tanδ＝0.005。

图8给出了加载蒙皮的低通高吸电磁功能层的电磁波传输特性，其在1.5GHz以下的插损小于0.8dB，而在X、Ku波段反射率和传输率均大幅下降。

图9给出了加载蒙皮的低通高吸电磁功能层的电磁波吸收特性，在X、Ku全波段的吸收率均大于10dB。本实施例的低通高吸功能层可在保证低频段电磁波高效透过的同时对高频电磁波进行高效吸收，在8-18GHz的吸收率均在90％以上。

本实施例提供的方案还可通过改变周期p、金属贴片边长a₁和a₂、介质基板厚度t₁、介质基板相对介电常数ε_r和损耗角正切tanδ、吸波方块电磁参数ε_r和μ_r、吸波方块厚度t₂和边长a₃、对低通高吸电磁功能层的低频透波性能和高频吸波性能进行综合调控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，包括

低通高阻型频率选择表面，由刻蚀在介质基板两面上的不同结构尺寸的金属结构单元阵列构成，单元阵列的周期p＝10.0-20.0mm，金属结构单元具有旋转对称性，其频率选择特与入射波极化方向无关，且两面金属结构单元的大小不同；

吸波单元阵列，由磁损耗吸波材料或电阻型吸波材料制作的正方形或圆形小片构成的周期性阵列，在高频段具有宽带吸波性能，吸波单元尺寸小于金属结构单元的尺寸，并且粘结在低通高阻型频率选择表面带有尺寸较小金属结构单元的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，所述金属结构单元采用大小不同的双层正方形金属贴片，正方形金属贴片的金属层厚度t＝0.013-0.030mm，其中一侧较大边长的正方形金属贴片结构单元的边长a₁＝9.0-19.0mm，另一侧较小正方形金属贴片结构单元的边长a₂＝8.6-18.0mm，两正方形金属贴片之间设有介质基板，介质基板的厚度在t₁＝0.1-1.0mm之间，基板的相对介电常数ε_r＝2.0-4.6，损耗角正切tanδ＝0.0001-0.025。

3.根据权利要求1所述的一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，所述吸波单元阵列是由宽带磁性吸波材料做成的正方形方块构成的周期性阵列，其在平面内的重复周期与低通高阻频率选择表面的重复周期相等。

4.根据权利要求1所述的一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，所述吸波单元阵列所采用磁性吸波材料的相对介电常数的实部ε_r’＝8-16，虚部在ε_r”＝0.3-2；相对磁导率介于μ_r’＝1-6，虚部μ_r”＝0.3-2。磁性吸波材料方块的边长a₃小于金属结构单元的尺度，并且a₃＝8.0-18.0mm。

5.根据权利要求1所述的一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，所述吸波单元阵列的厚度t₂＝1.0-3.0mm。

6.根据权利要求1所述的一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，所述吸波单元阵列粘接在低通高阻型频率选择表面较小尺寸的金属结构单元上，其几何中心与较小尺寸金属结构单元的几何中心重合。

7.根据权利要求2所述的一种低通高吸型电磁功能层，其特征在于，所述正方形金属贴片采用铜、铝、银、金、锡、锌、铝镁合金中的一种材质。