CN108400447B - 一种三维多频雷达吸波材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维多频雷达吸波材料，由周期阵列结构组成，其周期结构中结构单元由三维介质材料结构和全反射衬板基底构成；三维介质材料结构包括一层或两层介质材料结构；包括一层介质材料结构时，介质材料结构设计为空芯六面体；包括两层介质材料结构时，两层介质材料结构采用相同的介质材料，且下层介质材料结构设计为长方体，上层介质材料结构设计为六面体、圆柱体、空芯六面体或空芯圆柱体；该雷达吸波材料具有较多吸波频点，可以实现较宽频率范围内完美吸收，且其设计简单、成本低，适用于雷达吸波、电磁兼容性保护、电磁谐振器及射频等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸波材料，特别涉及一种具有三维结构的多频带雷达吸波材料，属于吸波材料技术领域。
背景技术
吸波材料是指在一定频率范围内能够吸收入射在该材料表面的该频段内的电磁波的能量的一种材料。传统吸波材料包括铁氧体、金属微粉、碳化硅、石墨、导电纤维等。为了提高吸波性能，通常会采用多种材料复合的方式，不过虽然能产生优越的效果，但是其制备方法复杂，本身的成本高，实现大规模生产较为困难。目前基于低介电常数材料的介质结构型二维吸波材料，如附图11，能实现一定的吸波效果，但是吸收频点少，且吸收范围均在13GHz以上，难以达到更低频段的吸收。
发明内容
针对现有的吸波材料存在吸波频点少、频率范围窄等缺陷，本发明的目的是在于提供一种具有较多吸波频点，可以实现较宽频率范围内完美吸收的三维多频带雷达吸波材料，该三维多频带雷达吸波材料设计简单、成本低，适用于雷达吸波、电磁兼容性保护、电磁谐振器及射频等领域。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种三维多频雷达吸波材料，由周期结构组成，所述周期结构中结构单元由三维介质材料结构和全反射衬板基底构成；所述三维介质材料结构包括一层或两层介质材料结构；
所述三维介质材料结构包括一层介质材料结构时，介质材料结构设计为空芯六面体；
所述三维介质材料结构包括两层介质材料结构时，两层介质材料结构采用相同的介质材料，且下层介质材料结构设计为长方体，上层介质材料结构设计为六面体、圆柱体、空芯六面体或空芯圆柱体。
优选的方案，所述三维介质材料结构包括一层介质材料结构时，介质材料结构设计成边长为20mm～30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成规则多面体(如正多面体)、圆柱体、球体或不规则体；空芯部分占空芯立方体总体积的 20～80％。空芯部分如设计成长为15mm～25mm、宽长为15mm～25mm、高为 3mm～30mm的六面体，或者设计成直径为8mm～25mm、高为3mm～30mm的圆柱体，或者设计成直径为8mm～25mm的球体，或者是其他任意形状的不规则体，如非中心对称多面体，旋转体等。
较优选的方案，所述空芯立方体的中心与其空芯部分的中心在相对水平面的同一垂线上。
进一步优选的方案，所述空芯立方体的空芯部分在竖直方向距离空芯立方体底部0mm～23mm。
优选的方案，所述三维介质材料结构包括两层介质材料结构时，下层设计成长为20mm～30mm、宽为20mm～30mm、高为1mm～3mm的长方体，上层设计成直径为5mm～26mm、高为18mm～29mm的圆柱体；
或者，下层设计成长为20mm～30mm、宽为20mm～30mm、高为1mm～3mm 的长方体，上层设计成直径为5mm～26mm、高为18mm～29mm的空芯圆柱体，空芯部分设计成规则多面体、圆柱体、球体或不规则体；空芯部分占空芯圆柱体总体积的20～80％；
或者，下层设计成长为20mm～30mm、宽为20mm～30mm、高为1mm～3mm 的长方体，上层设计成长为5mm～28mm、宽为5mm～28mm、高为18mm～29mm 的长方体；
或者，下层设计成长为20mm～30mm、宽为20mm～30mm、高为1mm～3mm 的长方体，上层设计成空芯长方体，空芯长方体长为5mm～28mm、宽5mm～28mm、高为13mm～29mm，空芯部分设计成规则多面体、圆柱体、球体或不规则体；空芯部分占空芯长方体总体积的20～80％。
较优选的方案，所述空芯六面体的中心与其空芯部分的中心在相对水平面的同一垂线上。
进一步优选的方案，所述空芯六面体的空芯部分在竖直方向距离空芯立方体底部0mm～23mm。
优选的方案，所述空芯圆柱体的空芯部分的中心在空芯圆柱体的轴线上。
较优选的方案，所述空芯圆柱体的空芯部分在竖直方向距离空芯圆柱体底部 0mm～23mm。
优选的方案，所述介质材料结构由介电常数范围为3～20的介质材料构成。
较优选的方案，所述介质材料包括光敏树脂、FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚丙烯和尼龙中至少一种；和/或，包括光敏树脂、FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚丙烯和尼龙中至少一种与炭粉的复合材料中至少一种；和 /或，包括光敏树脂、FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚丙烯和尼龙中至少一种与碳化硅粉的复合材料中至少一种。这些材料可以采用3D打印技术进行加工，易于获得三维雷达吸波材料。
较优选的方案，所述全反射衬板基底包括铜板或铝板。如常规的铜板以及工业用1000系列铝板等。
最优选的方案，所述三维介质材料结构包括一层介质材料结构时，介质材料结构设计成边长为30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成长宽为16mm、高10mm的六面体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部20mm；或者，介质材料结构设计成边长为30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成直径为 8mm高为18mm的圆柱体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部12mm；或者，介质材料结构设计成边长为30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成直径为20mm的球体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部2mm。
最优选的方案，所述三维介质材料结构包括两层介质材料结构时，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成长方体，长方体长为10mm、宽为10mm、高为20mm；或者，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成圆柱体直径为8mm、高为30mm；或者，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成空芯立方体，立方体边长为28mm，其中，空芯部分设计成边长为8mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯六面体底部2mm；或者，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成空芯圆柱体，空芯圆柱体直径为28mm、高为28mm，其中，空芯部分设计成边长为20mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯六面体底部0mm。
优选的方案，阵列结构单元底面为边长20mm～30mm的正方形。更优选为边长为30mm的正方形。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
1)本发明的三维多频带雷达吸波材料具有吸波频率点多、适应频率范围宽的特点，完美吸波点达到4～11个，且吸波频率范围涉及5～18GHz。
2、本发明的三维多频带雷达吸波材料可以采用3D打印技术设计和制备，不仅减少了现有技术中高介电常数吸波材料、磁性材料以及金属材料等的使用，而且成型效率高，成本低，低污染，有利于工业化生产应用。
附图说明
【图1】为实施例1制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图2】为实施例2制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图3】为实施例3制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图4】为实施例4制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图5】为实施例5制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图6】为实施例6制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图7】为实施例7制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图8】为实施例1制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图9】为实施例2制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图10】为实施例3制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图11】为实施例4制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图12】为实施例5制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图13】为实施例6制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图14】为实施例7制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图15】为现有的基于低介电常数材料的介质结构型二维吸波材料；
【图16】为对比实施例1制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图17】为对比实施例2制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图18】为对比实施例3制备的三维介质材料雷达吸波材料的结构示意图；
【图19】为对比实施例1制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图20】为对比实施例2制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线；
【图21】为对比实施例3制备的三维介质材料雷达吸波材料的反射率曲线。
具体实施方式
为了更清楚地展现本发明的目的、技术方案和优点，下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用3D打印快速制备成型。
本发明通过介质谐振理论、阻抗匹配原理、能量分布、电场分布及磁场分布辅助分析和设计。
实施例1
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用空芯立方体结构1；第二层为全反射板2。结构示意图如图1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm，其中，空芯部分设计成长宽为d＝16mm、高h＝10mm的六面体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部20mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图8，结果显示：-10dB以下有八个完美吸收峰包括6.8GHz、10.176GHz、11.488GHz、 13.344GHz、13.728GHz、、15.648GHz、16.16GHz和17.632GHz。
实施例2
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用空芯立方体结构1；第二层为全反射板2。结构示意图如图2，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm，其中，空芯部分设计成直径为r＝8mm高为h＝18mm的圆柱体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部12mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图9，结果显示：--5dB以下有八个吸收峰，-10dB以下有五个完美吸收峰包括5.84GHz、 6.832GHz、12.24GHz、13.312GHz、15.888GHz、和16.656GHz。
实施例3
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用空芯立方体结构1；第二层为全反射板2。结构示意图如图3，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm，其中，空芯部分设计成直径为r＝20mm的球体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部2mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图10，结果显示：--5dB 以下有十个吸收峰，-10dB以下有八个完美吸收峰包括8.72GHz、10.144GHz、 11.152GHz、13.328GHz、13.712GHz、14.112GHz、15.648GHz、和16.224GHz。
实施例4
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用三维六面体结构1；第二层为结构型介质层，采用长方体结构 2；第三层为全反射板3。结构示意图如图4-1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm。如图4-2三维六面体结构1为长方体型超材料，长方体长为d＝10mm，宽为d＝10mm，高为h＝20mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。如图4-3长方体结构2，长方体长宽均为L＝30mm，高为d＝2mm；材料为FR4，介电材料为4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图11，结果显示： --5dB以下有十个吸收峰，-10dB以下有六个完美吸收峰包括8.272GHz、9.6GHz、 10.916GHz、11.92GHz、13.008GHz和15.568GHz。
实施例5
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用三维圆柱体结构1；第二层为结构型介质层，采用长方体结构 2；第三层为全反射板3。结构示意图如图5-1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm。如图5-2三维圆柱体结构1为圆柱体型超材料，圆柱体直径为r＝8mm、高为h＝30mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。如图5-3长方体结构2，长方体长宽均为L＝30mm，高为d＝2mm；材料为FR4，介电材料为4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图12，结果显示：-10dB以下有八个完美吸收峰包括7.168GHz、9.088GHz、11.2GHz、13.088GHz、13.776GHz、15.376GHz、16.672GHz和17.968GHz。
实施例6
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用空芯三维六面体结构1；第二层为结构型介质层，采用长方体结构2；第三层为全反射板3。结构示意图如图6-1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm。如图6-2三维空芯六面体结构1为含孔长方体型超材料，长方体长为d＝28mm，宽为d＝28mm，高为h＝28mm，所述空芯部分设计成边长为m＝8mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯六面体底部2mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图13，结果显示：-5dB 以下有七个吸收峰，-10dB以下有七个完美吸收峰包括6.32GHz、7.744GHz、 9.648GHz、12.368GHz、14.464GHz、14.832GHz和17.056GHz。
实施例7
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用空芯圆柱体结构1；第二层为结构型介质层，采用长方体结构 2；第三层为全反射板3。结构示意图如图7-1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm。如图7-2三维空芯圆柱体结构1为含孔圆柱体型超材料，圆柱体直径28mm,高为28mm，所述空芯部分设计成边长为m＝16mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯六面体底部0mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图14，结果显示：-5dB以下有八个吸收峰，-10dB 以下有六个完美吸收峰包括9.248GHz、11.936GHz、13.2GHz、16.614GHz、16.96GHz和17.616GHz。
对比实施例1
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用空芯立方体结构1；第二层为全反射板2。结构示意图如图16，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm，其中，空芯部分设计成长宽为d＝18mm、高h＝8mm的六面体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部0mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图19，结果显示：-10dB以下没有完美吸收峰。
对比实施例2
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用三维六面体结构1；第二层为结构型介质层，采用长方体结构 2；第三层为全反射板3。结构示意图如图17-1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝20mm。如图17-2三维六面体结构1为长方体型超材料，长方体长为d＝6mm，宽为d＝6mm，高为h＝15mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。如图17-3长方体结构2，长方体长宽均为L＝30mm，高为d＝2mm；材料为FR4，介电材料为4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图20，结果显示：--5dB以下有两个吸收峰，-10dB以下有一个完美吸收峰包括12.368GHz。
对比实施例3
吸波体为周期结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层，采用三维空芯六面体结构1；第二层为结构型介质层，采用长方体结构2；第三层为全反射板3。结构示意图如图18-1，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝30mm。如图18-2三维空芯六面体结构1为含孔长方体型超材料，长方体长为d＝12mm，宽为d＝12mm，高为h＝15mm，所述空芯部分设计成边长为m＝4mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯六面体底部1mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。测试结果如图21，结果显示：-10dB 以下没有完美吸收峰。
Claims (4)
1.一种三维多频雷达吸波材料，由周期阵列结构组成，其特征在于：所述周期阵列结构中结构单元由三维介质材料结构和全反射衬板基底构成；
所述三维介质材料结构包括一层或两层介质材料结构；
所述三维介质材料结构包括一层介质材料结构时，介质材料结构设计成边长为30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成长宽为16mm、高10mm的六面体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部20mm；或者，介质材料结构设计成边长为30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成直径为8mm高为18mm的圆柱体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部12mm；或者，介质材料结构设计成边长为30mm的空芯立方体，其中，空芯部分设计成直径为20mm的球体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部2mm；
所述三维介质材料结构包括两层介质材料结构时，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成长方体，长方体长为10mm、宽为10mm、高为20mm；或者，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成圆柱体直径为8mm、高为30mm；或者，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成空芯立方体，立方体边长为28mm，其中，空芯部分设计成边长为8mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯立方体底部2mm；或者，下层介质材料结构设计成长为30mm、宽为30mm、高为2mm的长方体，上层介质材料结构设计成空芯圆柱体，空芯圆柱体直径为28mm、高为28mm，其中，空芯部分设计成边长为20mm的立方体；空芯部分在竖直方向底部离空芯圆柱体底部0mm；
所述三维介质材料结构包括一层介质材料结构时，所述空芯立方体的中心与其空芯部分的中心在相对水平面的同一垂线上；
所述三维介质材料结构包括两层介质材料结构，且上层为空芯立方体时，所述空芯立方体的中心与其空芯部分的中心在相对水平面的同一垂线上；
所述三维介质材料结构包括两层介质材料结构时，且上层为空芯圆柱体时，所述空芯圆柱体的空芯部分的中心在空芯圆柱体的轴线上。
2.根据权利要求1所述的一种三维多频雷达吸波材料，其特征在于：所述介质材料结构由介电常数范围为3～20的介质材料构成。
3.根据权利要求2所述的一种三维多频雷达吸波材料，其特征在于：所述介质材料包括光敏树脂、FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚丙烯和尼龙中至少一种；或包括光敏树脂、FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚丙烯和尼龙中至少一种与炭粉的复合材料；或包括光敏树脂、FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚丙烯和尼龙中至少一种与碳化硅粉的复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种三维多频雷达吸波材料，其特征在于：所述全反射衬板基底包括铜板或铝板。
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