CN106207325B - 基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于利用水或水溶液的介电特性，对水或水溶液的几何外形进行结构化设计。制作中通过3D打印技术、机加工技术或其他加工手段将低介电常数介质材料制作成具有特殊形状的模具。将水或水溶液灌入模具中塑成特定的形状，水或水溶液与模具整体构成具有亚波长结构特征的超材料频率选择表面。通过对水或水溶液几何形状及尺寸等参数的设定，在宽泛的电磁频段内对电磁波实现带通或带阻的频率选择特性。本发明具有制备工艺简单，制备成本低的优点，器件制作可就地取材，并具有可实时修复的功能。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波频率选择表面技术领域，特别是涉及一种基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种空间滤波器，可以对入射到其上的电磁波表现出一个或多个带通、带阻特性，对电磁波具有频率选择的滤波作用。一般来说，典型的频率选择表面是由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性开孔的孔径构成的二维或三维周期结构。因其特定的频率选择特性可广泛地应用于微波、红外等频段的雷达天线罩和天线反射面等领域。目前大部分频率选择表面是基于金属结构设计的。金属结构虽有诸多优点，如易于设计和制作，与现有的微波电子工程工艺兼容较好，但是它也具有一些难以避免的缺点，例如在空气中易于氧化、耐腐蚀性能较差等。此外，金属结构一旦完成设计，就保持原有形态，难以发生改变。金属材料自身物理特性的局限性，使得金属基元频率选择表面在低可探测性和耐腐蚀等方面表现不够好，而且在航海、军事等高技术指标下不能较好的满足需求。具有高介电常数的介质材料可用于设计带通、带阻型频率选择表面，但制作周期长，成本高，虽然能解决耐氧化、耐高温、耐腐蚀等问题，但依然存在原有设计形态难以改变，损坏后难以修复等问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种制备工艺简单、制备成本低、器件制作可就地取材并具有可实时修复功能的基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法。
本发明的技术方案是：基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，具体包括如下步骤：
(1)通过矢量网络分析仪及同轴探头测试附件测试水或水溶液在不同温度和频率下的相对介电常数及介电损耗；
(2)针对需要的工作频段和工作环境的温度要求，对水或水溶液选取方形、球形、柱形或渔网形几何形状中的一种；
(3)根据步骤(1)中所测得的水或水溶液的相对介电常数、介电损耗以及步骤(2)中所选取的水或水溶液的几何形状，使用电磁仿真软件对基于水或水溶液的超材料频率选择表面进行仿真计算，对频率选择表面的透射率和反射率进行优化，通过优化得到水或水溶液的几何形状和几何尺寸；
(4)将低介电常数材料加工成几何形状和几何尺寸与步骤(3)中所确定的水或水溶液的几何形状和几何尺寸相同的封装模具，使该封装模具能对水或水溶液进行封装；
(5)将水或水溶液装入加工好的模具中密封，制作成基于水的频率选择表面。
较佳地，所述的频率选择表面为带通型或带阻型频率选择表面。
较佳地，所述的水的形态为液体形态，水的类型是蒸馏水、去离子水、纯净水或海水。
较佳地，所述的水溶液是添加无机或有机溶剂的水溶液，且所述水溶液中至少含有质量百分比为50％的水。
较佳地，通过加热与保温的方式改变频率选择表面的工作频段，制作可调频率选择表面。
较佳地，所述的低介电常数介质材料包括光敏树脂、ABS塑料、PPR管材以及PVC管材。
较佳地，所述的低介电常数介质材料，其相对介电常数的范围为1-10。
较佳地，步骤(4)中所述的将低介电常数材料加工成特殊形状的模具，其加工方式包括注模成型、3D打印、机加工方式。
较佳地，步骤(3)中所述的电磁仿真软件为CST、HFSS、FEKO电磁仿真软件。
本发明的有益效果：本发明将能够透射电磁波的低介电常数介质材料加工成特殊结构的模具，将高介电常数的水或水溶液装入模具中，利用水或水溶液的介电性能及被模具塑成的特殊形状构成超材料频率选择表面。本发明具备如下优点：
(1)基于水或水溶液设计的超材料频率选择表面具有较好的性能，并可在不工作时进行放水处理，以降低其可探测性。
(2)本发明具有制备工艺简单，制备成本低的优点，且制作过程环保。
(3)用水或水溶液制成的器件易于加工和修复，器件制作可就地取材，并具有可实时修复的功能。
(4)水或水溶液在不同的温度和频段下，其本身参数会发生变化，可通过加热与保温的方式改变器件的工作频段，制作可调器件。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为使用本发明方法制作的一种基于水或水溶液的立方阵列型频率选择表面结构示意图；
图2为本发明基于水或水溶液的立方阵列型频率选择表面的电磁散射参数。
图3为本发明基于水或水溶液的频率选择表面中水在特定频段入射电磁波下激发出的电磁谐振模式。其中图(A)为第一个谐振点的电场矢量分布，图(B)为第一个谐振点的磁场矢量分布，图(C)为第二个谐振点的电场矢量分布，图(D)为第二个谐振点的磁场矢量分布。
图4为使用本发明方法制作的一种基于水或水溶液的渔网型频率选择表面结构示意图；
图5为本发明基于水或水溶液的渔网型频率选择表面的电磁散射参数。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
水作为一种高介电常数材料，可用于设计频率选择表面。水是一种易于寻求的材料，需要时可以就地取材，并且具有很好的流动性。因此，利用水制作的器件一旦受损，可实现实时修复。水溶液可以在水的基础上通过添加有机溶剂获得(所添加的有机溶剂可以是乙醇、丙醇等醇类溶剂，也可以是防冻液)，在保证其具有高介电常数特性的同时，对其他物理特性进行调制。例如，对介电常数的数值进行调节、对溶剂的浸润性进行调节、对溶剂的抗冻特性进行调节等。通过添加有机溶剂引起的物理特性的改善，可提高基于水制作的超材料频率选择表面的性能。
本发明提供了一种基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，该方法将能够透射电磁波的低介电常数介质材料加工成特殊结构的模具，将高介电常数的水或水溶液装入模具中，利用水或水溶液的介电性能及被模具塑成的特殊形状构成超材料频率选择表面；具体包括如下步骤：
(1)通过矢量网络分析仪及同轴探头测试附件测试水或水溶液在不同温度和频率下的相对介电常数及介电损耗；
(2)针对需要的工作频段和工作环境的温度要求，对水或水溶液选取所应选取的方形、球形、柱形或渔网形几何形状，具体的几何形状选取依据制作成本和对工作频段电磁传输特性的要求而定；
(3)使用电磁仿真软件对基于水或水溶液的超材料频率选择表面进行仿真计算，并对频率选择表面的透射率和反射率进行优化，通过优化得到水或水溶液的几何形状和几何尺寸；优化后的水或水溶液具有确定的几何形状和几何尺寸，可以起到介质谐振器的作用，利用磁谐振和电谐振造成阻抗失配/匹配，并导致阻带/通带的形成；
(4)将低介电常数材料加工成几何形状和几何尺寸与步骤(2)和步骤(3)中所确定的水或水溶液的几何形状和几何尺寸相同的封装模具，使该封装模具能对水或水溶液进行封装；
(5)将水或水溶液装入加工好的模具中密封，制作成基于水的频率选择表面。
最后，使用矢量网络分析仪和自由空间测试方法对所制备的频率选择表面进行电磁传输特性的测试；对于符合设计指标的频率选择表面，按通/阻带、中心频率的指标选择应用领域；对于与设计指标不符的频率选择表面，重复步骤(3)至步骤(6)进行几何尺寸的调整，使制作的频率选择表面符合设计指标。
进一步地，所述的频率选择表面为带通型或带阻型频率选择表面，通或阻的频率选择特性来源于具有高介电常数的水或水溶液。
进一步地，所述的水的形态为液体形态，水的类型是蒸馏水、去离子水、纯净水或海水。
进一步地，所述的水溶液是添加无机或有机溶剂的水溶液(所添加的有机溶剂可以是乙醇、丙醇等醇类溶剂)，且所述水溶液中至少含有质量百分比为50％的水。
进一步地，基于所述的水或水溶液在不同的温度和频段下介电常数和介电损耗会发生变化的原理，通过加热与保温的方式改变频率选择表面的工作频段，制作可调频率选择表面。
进一步地，所述的低介电常数介质材料包括光敏树脂、ABS塑料、PPR管材、PVC管材在内的具备低介电常数的材料。
进一步地，所述的低介电常数介质材料，其相对介电常数的范围为1-10。
进一步地，步骤(4)中所述的将低介电常数材料加工成特殊形状的模具，其加工方式包括注模成型、3D打印、机加工方式。
进一步地，步骤(3)中所述的电磁仿真软件为CST电磁仿真软件。
如图1所示，为使用本发明方法制作的一种基于水或水溶液的频率选择表面结构示意图，图中方块形结构尺寸为：a＝b＝28mm,d＝35mm,Px＝38mm,Py＝38mm。本发明的基于水或水溶液的频率选择表面具有简单的结构，利用水或水溶液的高介电常数特性，对其形状和尺寸在空间上进行限定。尺寸受限的高介电常数材料在特定频率电磁波入射下可以产生谐振增强的电磁模式，从而对电磁波产生频率选择特性的传输或阻断作用。
基于水或水溶液的频率选择表面，水或水溶液的空间形态由低介材料进行限定。可在确定基本结构的前提下，根据要求的工作频带、通阻模式进行FSS的优化设计，目的是确定最优参数，包括水或水溶液的介电常数、损耗、几何形状和尺寸，周期单元结构的尺寸和周期排布方式，封装基体的介电常数、介电损耗等。
如图2所示，所述基于水或水溶液的频率选择表面，主要是在微波频段对入射到其上的电磁波产生传输或反射的效果。具体效果可由电磁散射参数表示。电磁散射参数中的S21表示传输系数，S11表示反射系数。对于S参数，其幅值的取值在0到1之间。S11接近于1表明频率选择表面在相应的频段具有近乎完全的反射率，能够使入射到其上的电磁波高效反射。同理，S21接近于1表明频率选择表面在相应的频段能够高效的透过入射电磁波。
如图3所示，所述基于水或水溶液的频率选择表面，其性能主要来源于水或水溶液的高介电常数特性。利用高介电常数特性，将水或水溶液制成一定形状、一定尺寸的单元结构，并通过周期或准周期的方式进行排布。上述结构即可在特定频段的入射电磁波下激发出图示的电磁模式，或是图示模式的变形模式。该模式的特征为在高介电常数的水或水溶液内部存在谐振增强的位移电流，位移电流的具体模式与水或水溶液的几何形状、几何尺寸、入射电磁波的波长有关。位移电流的谐振能够改变基于水或水溶液的频率选择表面的表面阻抗，从而改变频率选择表面在不同频率下入射电磁波的响应特性。
如图4所示，为使用本发明方法制作的一种基于水或水溶液的频率选择表面结构示意图，图中所示为渔网形结构。尺寸为：a＝16mm,b＝20mm,d＝9.6mm,Px＝Py＝20mm。
如图5所示，所述基于水或水溶液的渔网型频率选择表面，主要是在微波频段对入射到其上的电磁波产生传输或反射的效果。具体效果可由电磁散射参数表示。电磁散射参数中的S21表示传输系数，S11表示反射系数。对于S参数，其幅值的取值在0到1之间。S11接近于1表明频率选择表面在相应的频段具有近乎完全的反射率，能够使入射到其上的电磁波高效反射。同理，S21接近于1表明频率选择表面在相应的频段能够高效的透过入射电磁波。
下面结合具体实例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实例一
参见图1，本实例使用立方阵列结构，模型图中a＝28mm,b＝28mm,d＝35mm,Px＝38mm,Py＝38mm。参见图2，频率选择表面阻带的工作频带为0.895-1.205GHz。所使用的原材料包括3D打印的对电磁波几乎无影响的具有低介电常数的光敏树脂材料，蒸馏水。
本实例的准备过程为：
(1)通过矢量网络分析仪及同轴探头测试附件测试蒸馏水在不同温度和频率下的介电常数及介电损耗。
(2)针对需要的工作频段选取适当的温度和结构参数。
(3)本例应用于室温25℃下，频段在0.6-1.6GHz，水的相对介电常数在78左右。使用电磁仿真软件进行仿真计算，优化透射和反射率，通过优化得到相关几何尺寸。本例中的工作频带在0.895-1.205GHz,利用磁谐振和电谐振造成阻抗失配导致阻带形成。
(4)利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特殊形状，使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装。
(5)将蒸馏水灌入打印好的模具中密封，制作成基于水的频率选择表面。
(6)使用矢量网络分析仪等仪器对所制备的频率选择表面进行性能测试，主要使用矢量网络分析仪和自由空间测试方法对所制备的频率选择表面的电磁传输特性进行测试，看其是否达到设计要求。
实例二
参见图4，本实例使用渔网型结构，模型图中a＝16mm,b＝20mm,d＝9.6mm,Px＝20mm,Py＝20mm。参见图5，频率选择表面阻带的工作频带为0.56-1.56GHz。所使用的原材料包括3D打印的对电磁波几乎无影响的具有低介电常数的光敏树脂材料，蒸馏水。
本实例的准备过程为：
(1)通过矢量网络分析仪及同轴探头测试附件测试蒸馏水在不同温度和频率下的介电常数及介电损耗。
(2)针对需要的工作频段选取适当的温度和结构参数。
(3)本例应用于室温25℃下，频段在0.1-2.4GHz，水的相对介电常数在78左右。使用电磁仿真软件进行仿真计算，优化透射和反射率，通过优化得到相关几何尺寸。本例中的工作频带在0.56-1.56GHz,利用磁谐振和电谐振造成阻抗失配导致阻带形成。
(4)利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特殊形状，使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装。
(5)将蒸馏水灌入打印好的模具中密封，制作成基于水的频率选择表面。
(6)使用矢量网络分析仪等仪器对所制备的频率选择表面进行性能测试，主要使用矢量网络分析仪和自由空间测试方法对所制备的频率选择表面进行电磁传输特性的测试，看其是否达到设计要求。
本发明将能够透射电磁波的低介电常数介质材料加工成特殊结构的模具，将高介电常数的水或水溶液装入模具中，利用水或水溶液的介电性能及被模具塑成的特殊形状构成超材料频率选择表面。本发明具备如下优点：
(1)基于水或水溶液设计的超材料频率选择表面具有较好的性能，并可在不工作时进行放水处理，以降低其可探测性。
(2)本发明具有制备工艺简单，制备成本低的优点，且制作过程环保。
(3)用水或水溶液制成的器件易于加工和修复，器件制作可就地取材，并具有可实时修复的功能。
(4)水或水溶液在不同的温度和频段下，其本身参数会发生变化，可通过加热与保温的方式改变器件的工作频段，制作可调器件。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)通过矢量网络分析仪及同轴探头测试附件测试水或水溶液在不同温度和频率下的相对介电常数及介电损耗；
(2)针对需要的工作频段和工作环境的温度要求，对水或水溶液选取方形、球形、柱形或渔网形几何形状中的一种；
(3)根据步骤(1)中所测得的水或水溶液的相对介电常数、介电损耗以及步骤(2)中所选取的水或水溶液的几何形状，使用电磁仿真软件对基于水或水溶液的超材料频率选择表面进行仿真计算，对频率选择表面的透射率和反射率进行优化，通过优化得到水或水溶液的几何形状和几何尺寸；
(4)将低介电常数材料加工成几何形状和几何尺寸与步骤(3)中所确定的水或水溶液的几何形状和几何尺寸相同的封装模具，使该封装模具能对水或水溶液进行封装；
(5)将水或水溶液装入加工好的模具中密封，制作成基于水的频率选择表面；
所述的频率选择表面为带通型或带阻型频率选择表面；
所述的水的形态为液体形态，水的类型是蒸馏水、去离子水、纯净水或海水；
所述的水溶液是添加无机或有机溶剂的水溶液，且所述水溶液中至少含有质量百分比为50％的水。
2.如权利要求1所述的基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于，通过加热与保温的方式改变频率选择表面的工作频段，制作可调频率选择表面。
3.如权利要求1所述的基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于，所述的低介电常数介质材料包括光敏树脂、ABS塑料、PPR管材以及PVC管材。
4.如权利要求1所述的基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于，所述的低介电常数介质材料，其相对介电常数的范围为1～10。
5.如权利要求1所述的基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤(4)中所述的将低介电常数材料加工成特殊形状的模具，其加工方式包括注模成型、3D打印、机加工方式。
6.如权利要求1所述的基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤(3)中所述的电磁仿真软件为CST、HFSS、FEKO电磁仿真软件。
Priority Applications (1)
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