CN106299721A - 一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构，其包括自上而下依次层叠的阻抗匹配结构、频率选择表面结构、介质承载结构、能量损耗结构和金属背板；其中，频率选择表面结构和介质承载结构直接相贴，阻抗匹配结构和频率选择表面结构、介质承载结构和能量损耗结构、能量损耗结构和金属背板都分别通过胶膜粘结。所述阻抗匹配结构和能量损耗结构分别为电磁特性不同的磁性介质材料，所述频率选择表面结构由周期排列的多个金属贴片单元构成。本发明提供的微波吸收结构，制备工艺简单，质地柔软，厚度超薄，微波吸收频带宽，且具有优异的极化稳定性和斜入射角度稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微波吸收结构技术领域，更具体地，涉及一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构及其制备方法。
背景技术
随着无线传输和高频电子设备在生活中被广泛普及，我们的日常环境也变成了一个复杂的电磁环境，充满了各种传输方向和极化方向的电磁波，使得电磁兼容的问题日显重要，微波吸收结构也因此受到了很多关注。由于电子器件的尺寸越来越趋于小型化且其工作频带越来越宽，使得同时拥有厚度薄、吸收频带宽等特性的微波吸收结构有着极为实际的需求。为获得宽带微波吸收结构，传统的方法是采用多层具有不同电磁特性的磁性介质材料堆叠而成。然而，这种微波吸收结构的厚度和重量往往较大，不适于实际应用。近几年，科研人员研究出一种以阻抗型频率选择表面为主要结构的宽带微波吸收结构。如在中国发明专利说明书CN201410748359.7中，公开了“一种基于领结型贴片的宽带吸波层结构”，其通过在金属型频率选择表面上焊接集总电阻得到阻抗型频率选择表面。这种微波吸收结构的阻抗在较宽的频带内与空气阻抗匹配，即入射电磁波可以进入到微波吸收结构的内部而不是直接被反射，然后焊接的集总电阻再将电磁能量损耗掉，以达到吸波的效果。但是这种方法因为要焊接集总电阻，使其制备工艺较为复杂且成本变高，给批量生产带来了极大的不便，并且它的整体厚度也较厚，往往在4mm以上。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超薄的复合宽带微波吸收结构及其制备方法，其目的在于通过将不同电磁特性的磁性介质材料置于金属型频率选择表面的顶部和底部，实现宽带微波吸收特性，由此解决以阻抗型频率选择表面为主要结构的宽带微波吸收结构制备工艺较复杂，厚度较厚的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构，包括自上而下依次层叠的阻抗匹配结构、频率选择表面结构、介质承载结构、能量损耗结构和金属背板，其中，阻抗匹配结构和频率选择表面结构、介质承载结构和能量损耗结构、能量损耗结构和金属背板都分别通过胶膜粘结。
优选地，所述的阻抗匹配结构为平板状的磁性介质材料，成分为微观结构是球形的羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂，其中，羰基铁粉粒子的外表包覆有SiO2。按质量百分配比计算，羰基铁粉为70％，硅橡胶为29.5％，硫化剂为0.5％。结构厚度为1mm。
优选地，所述的频率选择表面结构为金属铜制成的正方形环状结构，在各边的中间部位有一个矩形缺口，缺口长度为3.25mm。频率选择表面的周期为15mm，厚度为0.02mm。
优选地，所述的介质承载结构是柔性FR4介质板，介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，厚度为0.18mm。
优选地，所述的能量损耗结构为平板状的磁性介质材料，成分为微观结构是片状的羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂，按质量百分配比计算，羰基铁粉为60％，硅橡胶为39.5％，硫化剂为0.5％。结构厚度为1mm。
优选地，所述的片状羰基铁粉由球状羰基铁粉通过球磨工艺获得。
优选地，所述的金属背板材料为铝。
按照本发明的另一方面，提供了一种宽带微波吸收结构的制备方法。
优选地，阻抗匹配结构由包覆有SiO2的球形羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂通过混炼挤压成型工艺制备，混炼时间为3小时，挤压硫化温度为170℃，时间为15分钟。阻抗匹配结构与能量损耗结构所用的磁性介质材料，它们含有的各成分和质量占比虽然不同，但是制备工艺是相同的，都是混炼挤压成型工艺，工艺参数相同。
优选地，频率选择表面结构是在柔性的单面覆铜的FR4介质承载结构上，采用化学刻蚀技术制备。
优选地，能量损耗结构由片状羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂通过混炼挤压成型工艺制备，混炼时间为3小时，挤压硫化温度为170℃，时间为15分钟。
优选地，片状羰基铁粉由球形羰基铁粉通过球磨工艺获得，球状羰基铁粉与钢球的质量比为1:10，球磨时间为12小时。
本发明中，阻抗匹配结构与能量损耗结构分别指代的磁性介质材料是不同的材料，两者所使用的吸收剂种类及其质量占比都是不同的。其中，所使用的硅橡胶种类是相同的，但是质量占比不同；所使用的硫化剂种类是相同的，但是质量占比也不同。对于磁性介质材料，吸收剂的种类和比例是影响其电磁特性的重要因素，在一定程度内，吸收剂的比例越高，磁导率越大，其电磁特性越好。一般在制备磁性介质材料时，需要选择的就是用什么吸收剂，比例填充多少。
阻抗匹配结构所指的磁性介质材料，它与空气的阻抗匹配度是较好的，但是损耗电磁能量的能力较差；能量损耗结构所指的磁性介质材料，它与空气的阻抗匹配度较差，但是损耗电磁能量的能力较强。本发明结合两者设计宽带微波吸收结构。本发明采取自上而下依次层叠的阻抗匹配结构、频率选择表面结构、介质承载结构、能量损耗结构和金属背板，换言之就是分别将具有阻抗匹配特性和能量损耗特性的磁性介质材料置于频率选择表面的顶部和底部，这样的一种结构，可以使其在具有宽带微波吸收特性的情况下，还能实现厚度超薄。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用不同电磁特性的磁性介质材料置于金属型频率选择表面的顶部和底部，能够取得下列有益效果：(1)本发明成本低，制备工艺简单，利于批量生产；质地柔软，厚度超薄且具有宽带吸收特性。(2)本发明采用电磁特性不同的磁性介质材料置于频率选择表面的顶部和底部，顶部的磁性介质材料与空气具有良好的阻抗匹配性，有益于微波吸收结构与空气的阻抗匹配性；底部的磁性介质材料具有较强的损耗特性，不需要再采用阻抗型的频率选择表面来增加损耗，由此降低了制备成本和工艺的复杂程度。(3)本发明所采用的频率选择表面进一步改善了微波吸收结构的阻抗匹配性，并且通过频率选择表面的谐振，在自身表面激励出很强的电流，进而被磁性介质材料损耗，由此引入新的吸收峰，使微波吸收结构整体具有多个谐振峰，有效的拓宽了吸收带宽。(4)本发明所采用的频率选择表面单元为对称结构，使微波吸收结构可以吸收任意极化角度的电磁波。因此本发明对入射波具有优异的极化稳定性。(5)由Snell折射定律可知，相比于阻抗型频率选择表面微波吸收结构，磁性介质材料具有更优异的斜入射角度稳定性。因此本发明对入射波具有优异的斜入射角度稳定性。从附图4中可以看到，当入射角度增加到15°时，对TE和TM极化电磁波的微波吸收率仍能达到90％以上；当入射角度增加到30°时，对TE极化电磁波的微波吸收率能达到83％以上，对TM极化电磁波的吸收率能达到93％以上，可适用于更多的场合。
附图说明
图1是本发明横截面的结构示意图。
图2是本发明采用的由FR4介质板承载的频率选择表面的局部示意图。
图3是本发明对垂直入射的TEM电磁波的反射率曲线图。
图4是本发明对不同极化角度的TE极化电磁波垂直入射的反射率曲线图。
图5是本发明对斜入射角为15°的TE、TM极化电磁波的反射率曲线图。
图6是本发明对斜入射角为30°的TE、TM极化电磁波的反射率曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构，它包括自上而下依次层叠的阻抗匹配结构1、频率选择表面结构2、介质承载结构3、能量损耗结构4和金属背板5，其中，阻抗匹配结构1和频率选择表面结构2、介质承载结构3和能量损耗结构4、能量损耗结构4和金属背板5都分别通过胶膜粘结。
胶膜是通用的，只要粘附力强且不影响微波吸收结构的性能就可以。胶膜仅仅是一种粘结手段，不是本专利的发明点。实验中使用的胶膜是采购的环氧树脂固化胶。
频率选择表面与介质承载结构是直接相贴的。在制备频率选择表面的实验中，频率选择表面是在采购回来的单面覆铜的FR4介质板上，通过化学刻蚀法，将完整的覆铜面刻蚀成具有特定单元形状的周期性图案。
阻抗匹配结构1为平板状的磁性介质材料，成分为微观结构是球形的羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂，其中，羰基铁粉粒子的外表包覆有SiO2。按质量百分配比计算，羰基铁粉为70％，硅橡胶为29.5％，硫化剂为0.5％。按以上质量百分配比准备好原材料后，先通过炼胶机混炼3小时使它们混合均匀，然后再在硫化机上挤压成型，硫化温度为170℃，硫化时间为15分钟，挤压厚度为1mm。该材料在2-18GHz频带内，其磁导率的实部为1～2.5，虚部为0.3～1；介电常数的实部为6～7.5，虚部为0～0.2。
频率选择表面是指由完全相同的单元沿一维或二维方向周期排列而成的无限大阵列。频率选择表面在水平和垂直两个方向都是周期性的。图2提供一个本发明所用频率选择表面的局部示意图，即2×2的阵列图，单元周期就是指尺寸P的大小。频率选择表面结构2的材料是金属铜，厚度为0.02mm。如图2所示，频率选择表面的单元为正方形环状结构，且在每个边的中间部位有一个矩形缺口。实施例中各尺寸分别为：周期P＝15mm，边长L＝13mm，环宽度W＝2mm，且在每条边的中间部位有一个矩形缺口，缺口长S＝3.25mm。
介质承载结构3是平板状的柔性FR4介质板，介电常数4.4，损耗正切值0.02，厚度0.18mm。具体地，本发明采用的频率选择表面结构是在柔性的单面覆铜的FR4介质板上，采用化学刻蚀技术制备。
能量损耗结构4为平板状的磁性介质材料，由微观结构是片状的羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂所组成。按质量百分配比计算，羰基铁粉为60％，硅橡胶为39.5％，硫化剂为0.5％。其中，微观结构为片状的羰基铁粉由球形羰基铁粉通过球磨工艺获得，球状羰基铁粉与钢球的质量比为1:10；球磨时间为12小时。按以上质量百分配比准备好原材料后，先通过炼胶机混炼3小时使它们混合均匀，然后再在硫化机上挤压成型，硫化温度为170℃，硫化时间为15分钟，挤压厚度为1mm。该材料在2-18GHz频带内，其磁导率的实部为1～3.5，虚部为0.5～1.8；介电常数的实部为13～15，虚部为0～0.8。
金属背板5的材料为铝。
图3为本实施例对垂直入射的TEM电磁波的反射率曲线图。由图可得，该微波吸收结构在4-18GHz频带内可以达到90％的微波能量吸收率，且在5.2GHz和9GHz有两个谐振峰。
图4为本实施例对不同极化角度的TE极化电磁波垂直入射的反射率曲线图，由图可得，该微波吸收结构对0-45°极化的TE极化电磁波的反射率曲线几乎重合。由于频率选择表面单元为对称结构，因此该微波吸收结构可以吸收任意极化角度的电磁波。
图5为本实施例对斜入射角为15°的TE、TM极化电磁波的反射率曲线图。由图可得，当斜入射角度为15°时，该微波吸收结构无论对于TE还是TM极化电磁波，在4-18GHz频带内都可以达到90％的微波能量吸收率。
图6为本实施例对斜入射角为30°的TE、TM极化电磁波的反射率曲线图，由图可得，当斜入射角度为30°时，在4-18GHz的频带内，该微波吸收结构对TE极化电磁波能达到84％以上的微波能量吸收率，对TM极化电磁波能达到93％以上的微波能量吸收率。
本专利主要发明点是结构组成，以及磁性介质材料和加工工艺，只要采用了专利中各层的结构顺序，且上下层磁性介质材料的电磁特性与专利中的相似或一致，那么，再采用这种简单单元形状的频率选择表面就可以满足宽带的要求。一些别的复杂形状的频率选择表面单元也可以达到这种宽带要求。在研究过程中，我们发现，任意一种形状，在2-18GHz的范围内，只要其周期选为15mm，通过合适的设计都可以达到这样的带宽。因此，本专利所选用的频率选择表面，形状是什么不重要，最重要的是形状的周期为15mm。除周期外的尺寸要根据具体的形状，通过计算设计确定。一般上，当其它参数不变时，单元周期越大，谐振频率越低；单元间距越小(即图2中P减去L的差值)，谐振频率越低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超薄的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，包括自上而下依次层叠的阻抗匹配结构、频率选择表面结构、介质承载结构、能量损耗结构和金属背板；其中，频率选择表面结构和介质承载结构直接相贴，阻抗匹配结构和频率选择表面结构、介质承载结构和能量损耗结构、能量损耗结构和金属背板都分别通过胶膜粘结。
2.如权利要求1所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的阻抗匹配结构是厚度为1mm的平板状的磁性介质材料；该材料在2-18GHz频带内，其磁导率的实部为1～2.5，虚部为0.3～1；介电常数的实部为6～7.5，虚部为0～0.2。
3.根据权利要求2所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述磁性介质材料的成份为微观结构是球形的羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂，其中：羰基铁粉粒子的外表包覆有SiO2；按质量百分配比计算，羰基铁粉为70％，硅橡胶为30％，硫化剂为0.5％。
4.如权利要求1所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的频率选择表面结构的材料是金属铜，厚度为0.02mm。
5.如权利要求1所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的频率选择表面结构为相同的单元均匀排列的周期阵列结构，单元的形状为带有缺口的环形，单元周期优选为15mm。
6.如权利要求1所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的介质承载结构是平板状的柔性FR4介质板，介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，厚度为0.2mm。
7.如权利要求1所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的能量损耗结构是厚度为1mm的平板状的磁性介质材料；该材料在2-18GHz频带内，其磁导率的实部为1～3.5，虚部为0.5～1.8；介电常数的实部为13～15，虚部为0～0.8。
8.根据权利要求7所述的柔性宽带微波吸收结构，其特征在于，所述磁性介质材料的成份为微观结构是片状的羰基铁粉、硅橡胶和硫化剂，按质量百分配比计算，羰基铁粉为60％，硅橡胶为39.5％，硫化剂为0.5％。
9.如权利要求8所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的片状羰基铁粉，由微观结构是球形的羰基铁粉通过球磨工艺获得，球状羰基铁粉与钢球的质量比为1:10，球磨时间为10～14小时。
10.如权利要求1、2、3、6、7或8所述的柔性复合宽带微波吸收结构，其特征在于，所述的磁性介质材料通过橡胶的混炼挤压成型工艺制备，混炼时间为小于等于3小时，挤压硫化温度为140～200℃，挤压时间小于等于30分钟。
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