CN105655721A - 基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，用于解决现有吸波材料在低频段带宽不够宽的问题。包括基体材料层、频率选择表面、介质板和地板，频率选择表面和地板分别印制在介质板的上下表面，基体材料层和介质板形成上下层叠结构，频率选择表面由M×N个无源谐振单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3；无源谐振单元由正方形环贴片和位于其内部变形的耶路撒冷十字型贴片组成，且两者的中心点重合，其中变形的耶路撒冷十字型贴片由中间十字、位于该中间十字轴线上且与其依次相连的四个圆环和四个工字型结构组成。本发明具有吸收频带宽，吸波特性强的优点，能够实现对C和X波段电磁波的吸收屏蔽，可用于通信、环保及人体防护等诸多领域。

Description

基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料

技术领域

本发明属于吸波材料中的频率选择表面技术领域，涉及一种基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，该材料吸收频带宽，吸波特性强，可用于通信、环保及人体防护等诸多领域。

背景技术

随着科学发展的日新月异，以电磁波为媒质的技术、各种产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞而误点；移动电话信号可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；计算机会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里以外被接收和破解，造成国防、政治、经济、科学技术等方面情报的泄漏。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体也会造成直接和间接的伤害。因此治理电磁污染、消除电磁波干扰、提高电磁兼容的吸收屏蔽，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。

吸波材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料。它通过材料的各种不同损耗机制将入射电磁波转化为热能或者是其它能量形式而达到吸波的目的。吸波材料有涂覆型和结构型，前者主要是由粘结剂、吸收剂复合而成，吸波的能力主要与吸收剂种类有关，后者主要有平板形、尖劈形、泡沫型等。在实际应用中，无论是涂覆型还是结构型，其频率响应的带宽特性均不是很理想，单层的吸波材料很难达到宽频的技术要求。

复合吸波材料主要是由具有吸波性能的基体材料层、增强的结构材料或蜂窝芯材等复合而成的。目前现有的复合吸波材料有利用各个材料本身对电磁波的吸收性能，通过设计不同材料的组分使得混合后的材料具备吸波特性，但是此类材料设计复杂且成本高，不具有大规模推广性；也有在同一基底的上面堆积多层结构，通过谐振式吸收的方式来展宽吸收频带，但是其吸收带宽往往正比于吸波材料的厚度，不能满足轻薄的要求；此外还有加载集总电阻和电容的方式，此方法虽然新颖且效果显著，但是不利于实际生产加工。

频率选择表面是指由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，无源谐振单元的拓扑结构形状决定了频率选择表面对空间电磁波的响应。将基体材料层与频率选择表面复合，可以方便的实现阻抗匹配，拓宽吸波材料的带宽，整体结构遵循“薄、轻、宽、强”的设计思想。目前为止，现有的复合吸波材料多在X波段8～12GHz、Ku波段12～18GHz有较好的吸波效果，还未能同时覆盖无线通信系统中被广泛使用的C波段4～8GHz和X波段8～12GHz。如中国专利申请公布号CN103490171A，名称为“一种复合宽频吸波材料”，该发明公开的复合宽频吸波材料包括地板、介质板、频率选择表面和基体材料层，频率选择表面和地板分别设于介质板的上下表面，基体材料层涂覆于频率选择表面上，频率选择表面设有若干周期排列的无源谐振单元，无源谐振单元采用耶路撒冷十字型结构；该发明在4.6～14.8GHz频带内反射系数小于-10dB，在一个相对较宽的频带范围内具有良好的吸波特性。但是该发明存在低频段的带宽不够宽，未能同时实现C和X波段的强吸收的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，用于解决现有吸波材料在低频段带宽不够宽的问题，实现吸波带宽覆盖C和X波段。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，包括基体材料层1、频率选择表面2、介质板3和地板4，所述频率选择表面2和地板4分别印制在介质板3的上下表面，所述基体材料层1和介质板3形成上下层叠结构；所述频率选择表面2由M×N个无源谐振单元21周期排列而成，其中M≥3，N≥3，该无源谐振单元21由正方形环贴片211和变形的耶路撒冷十字型贴片212组成，其中变形的耶路撒冷十字型贴片212位于正方形环贴片211的内部，且两者的中心点重合。

上述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，所述基体材料层1采用采用相对介电常数18.00≤ε′≤22.00、相对磁导率3.55≤μ′≤4.00、电损耗角正切0.20≤tanδ_D≤0.25、磁损耗角正切0.30≤tanδ_M≤0.45的矩形板材。

上述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，所述变形的耶路撒冷十字型贴片212由中间十字、位于该中间十字轴线上且与其依次相连的四个圆环和四个工字型结构组成，其中四个圆环的圆心到中间十字的中心距离相等，圆环的内外径分别为R和R₁，0.3mm≤R≤0.5mm，0.6mm≤R1≤0.8mm。

上述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，所述介质板3采用FR-4矩形板材。

上述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，所述基体材料层1和介质板3的厚度均为C和X两个连续波段中心频率对应波长的0.03～0.04倍。

上述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，所述M×N个无源谐振单元21的排列周期为4.4～4.6mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于无源谐振单元采用了由正方形环贴片和位于其内部变形的耶路撒冷十字型贴片组合的结构，M×N个无源谐振单元周期排列成的频率选择表面表现出双阻带特性，将频率选择表面与基体材料层复合后，增强了复合宽频带吸波材料在低频段的吸波效果，拓宽了低频段的带宽，吸波带宽能够同时覆盖C和X波段且吸波效果良好。

2、本发明由于变形的耶路撒冷十字型贴片由中间十字、位于该中间十字轴线上且与其依次相连的四个圆环和四个工字型结构组成，圆环和工字型结构增加了贴片表面的电流路径，增强了无源谐振单元的可调谐性，与现有技术无源谐振单元采用的耶路撒冷十字型结构相比，面与能够实现频率选择表自由空间更方便地进行阻抗匹配。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1无源谐振单元的结构示意图；

图3是本发明实施例1的S11曲线图；

图4是本发明实施例1的吸收率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

参照图1，基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，包括基体材料层1、频率选择表面2、介质板3和地板4；基体材料层1采用31.5mm×31.5mm×1.2mm的矩形板材，其相对介电常数ε′＝20.30、相对磁导率μ′＝3.55、电损耗角正切tanδ_D＝0.2266、磁损耗角正切tanδ_M＝0.4422；频率选择表面2是由7×7的无源谐振单元21周期排列而成的正方形阵列，阵列周期为4.5mm；介质板3采用31.5mm×31.5mm×1.3mm的FR4矩形板材；频率选择表面2和地板4分别印制在介质板3的上下表面，基体材料层1胶粘于频率选择表面的上表面。

参照图2，无源谐振单元21由正方形环贴片211和变形的耶路撒冷十字型贴片212组成，其中变形的耶路撒冷十字型贴片212位于正方形环贴片211的内部，且两者的中心点重合，构成具有双阻带特性的频率选择表面，与自由空间进行阻抗匹配。正方形环贴片211的内外边长分别为3.8mm和3.9mm；变形的耶路撒冷十字型贴片212由中间十字、位于该中间十字轴线上且与其依次相连的四个圆环和四个工字型结构组成，中间十字两臂的宽度均为0.14mm，四个圆环的圆心到中间十字中心的距离均为0.9mm，四个圆环的内外径分别为R和R1，其中R＝0.35mm，R1＝0.6mm，四个工字型结构的高度均为d＝0.4mm，腿长均为W1＝2.8mm，腰高均为d1＝0.2mm，腰宽均为W2＝0.6mm，四个工字型结构的外边缘到正方形环贴片211的内边缘的距离为1mm，圆环和工字型结构增加了贴片表面的电流路径，增强了无源谐振单元21的可调谐性。

实施例2的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

变形的耶路撒冷十字型贴片212中四个圆环的内径R＝0.3mm，外径R1＝0.6mm；无源谐振单元21的排列周期为4.4mm；基体材料层1采用30.8mm×30.8mm×1.1mm的矩形板材，其相对介电常数ε′＝18.50、相对磁导率μ′＝3.70、电损耗角正切tanδ_D＝0.23、磁损耗角正切tanδ_M＝0.45；介质板3的尺寸为30.8mm×30.8mm×1.2mm。

实施例3的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

变形的耶路撒冷十字型贴片212中四个圆环的内径R＝0.5mm，外径R1＝0.8mm；无源谐振单元21的排列周期为4.6mm；基体材料层1采用32.2mm×32.2mm×1.3mm的矩形板材，其相对介电常数ε′＝22.00、相对磁导率μ′＝4.00、电损耗角正切tanδ_D＝0.25、磁损耗角正切tanδ_M＝0.30；介质板3的尺寸为32.2mm×32.2mm×1.1mm。

本发明的效果可结合以下仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的S₁₁参数进行了仿真计算，结果如图3所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的吸波率曲线进行了仿真计算，结果如图4所示。

2、仿真结果

参照图3，以S₁₁≤-10dB为标准，实施例1中复合宽频带吸波材料的带宽为3.90～13.75GHz，相对带宽为112％，低频段的吸波频带明显展宽。该曲线出现了3个吸收峰，第一个吸收峰在4.1GHz，吸收峰值为-14dB，第二个吸收峰在6.4GHz，吸收峰值为-25dB，第三个吸收峰在9.5GHz，吸收峰值为-16.5dB，吸波效果较好。

参照图4，实施例1中复合宽频带吸波材料在C和X波段的吸收率都在90％以上，在6.8GHz附近吸收率接近100％，吸收频带宽，吸波特性强。

以上仿真结果说明，本发明可以拓宽复合宽频带吸波材料在低频段的吸收带宽，使S11小于-10dB带宽同时覆盖C和X波段。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了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的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，包括基体材料层(1)、频率选择表面(2)、介质板(3)和地板(4)，所述频率选择表面(2)和地板(4)分别印制在介质板(3)的上下表面，所述基体材料层(1)和介质板(3)形成上下层叠结构；其特征在于，所述频率选择表面(2)由M×N个无源谐振单元(21)周期排列而成，其中M≥3，N≥3，该无源谐振单元(21)由正方形环贴片(211)和变形的耶路撒冷十字型贴片(212)组成，其中变形的耶路撒冷十字型贴片(212)位于正方形环贴片(211)的内部，且两者的中心点重合。

2.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，其特征在于所述基体材料层(1)采用相对介电常数18.00≤ε'≤22.00、相对磁导率3.55≤μ'≤4.00、电损耗角正切0.20≤tanδ_D≤0.25、磁损耗角正切0.30≤tanδ_M≤0.45的矩形板材。

3.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，其特征在于变形的耶路撒冷十字型贴片(212)由中间十字、位于该中间十字轴线上且与其依次相连的四个圆环和四个工字型结构组成，其中四个圆环的圆心到中间十字中心的距离相等，圆环的内外径分别为R和R1，0.3mm≤R≤0.5mm，0.6mm≤R1≤0.8mm。

4.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，其特征在于所述介质板(3)采用FR-4矩形板材。

5.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，其特征在于所述基体材料层(1)和介质板(3)的厚度均为C和X两个连续波段中心频率对应波长的0.03～0.04倍。

6.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，其特征在于所述M×N个无源谐振单元(21)的排列周期为4.4～4.6mm。