CN108539424A - 双波段频率选择复合材料夹层结构及其制造方法 - Google Patents

双波段频率选择复合材料夹层结构及其制造方法 Download PDF

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冀航
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王松洁
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Abstract

本发明公开了一种双波段频率选择复合材料夹层结构，包括依次设置的第一蒙皮层、第一泡沫夹芯层、频选功能层、第二泡沫夹芯层以及第二蒙皮层，五者呈紧贴的层状结构，其中，频选功能层为周期性排列的三阶十字单元铜箔贴片，由二阶正十字分形贴片旋转45°而成。本发明提出的双波段频率选择复合材料夹层结构，在保证高刚度的同时，泡沫芯材和频选功能载体采用介电性能优异的材料，通过对频选功能层结构尺寸、形状的参数设计，实现在2.45～3.62GHZ、7.77～10.79GHZ波段范围内实现带通，频段内透波率大于90％。

Description

双波段频率选择复合材料夹层结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及功能性电磁材料技术领域，尤其涉及一种双波段频率选择复合材料夹层结构及其制造方法。
背景技术
射频集成技术能够将多部天线的功能进行集成，功能的集成必然伴随着天线由单一工作频段向多个工作频段同时工作扩展，形成多频复用的特性，进而促使作为射频集成技术重要组成部分之一的频段天线罩也朝着多频复用的方向发展。
功能性电磁材料是一种人工电磁功能材料，最基本的特征是其组成单元的尺度远小于工作波长，其基本思想是用人工设计的周期结构来产生电响应及磁响应，从而实现在特定波段上的选择。而频率选择表面(FSS)是一种二维周期结构，对于入射的电磁波具有一定的频率选择特性。随着射频集成技术的发展，复合透波材料除了需要满足轻质高模量外，还要求在多频段内同时实现透波频带尽可能宽、带内高透过率、带外抑制等特征，因此研究一种具有宽频带、多频段内透过的频率选择表面复合材料具有重要意义。
CN 104767012 A发明的FSS结构吸波范围带宽大，可在2-18GHZ的超宽带范围内进行吸波，反射系数小于-15dB，只适合用于超宽带天线领域；CN 105244619 A发明的一种双频带宽带频率选择表面结构设计复杂，对于对电磁波通过的频段波段范围过窄；CN106329040 A发明的一种复合十字形缝隙频率选择表面，是一种低插入损耗、宽频带、具有空间和频率带通滤波性能的频率选择表面结构，但是无论是单层FSS还是双层FSS，其通带频率波段范围都比较窄，限制了使用条件。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双波段频率选择复合材料夹层结构，旨在实现在2.45～3.62GHZ、7.77～10.79GHZ波段范围内实现带通，频段内透波率大于90％。
为实现上述目的，本发明提供一种双波段频率选择复合材料夹层结构，包括依次设置的第一蒙皮层、第一泡沫夹芯层、频选功能层、第二泡沫夹芯层以及第二蒙皮层，五者呈紧贴的层状结构，其中，
所述频选功能层为周期性排列的三阶十字单元铜箔贴片，由二阶正十字分形贴片旋转45°而成。
优选地，所述频选功能层中的图形样式采用以下过程得到：
(1)对双波段的中心工作频点fj(j＝1、2、…、n)进行分析，归一化处理后得到不同中心工作频点fj与初始中心工作频点f1之间的线性拟合关系式：
fj＝af1+b(j＝1、2、…、n)；
(2)根据极化敏感性选择基本图形，同时在栅格理论的基础上，结合初始中心工作频点f1估算基本图形的几何周长尺寸D，二者遵循如下关系式：
f1＝c/(D·sinθ)；
其中，c＝3×108m/s为电磁波传播速度，θ为入射电磁波的入射角；
通过线性拟合关系式确定分形变形所需要的迭代次数u；
(3)在基本图形的基础上，通过几何周长尺寸D确定初始图形的基本坐标点p1，同时根据(1)中的线性拟合关系式确定分形数学变形关系式：
初始图形：pi＝(xi,yi)；
变形关系式：T(pi)＝(xi±(s|xi|-t),yi±(s|yi|-t))；
变形后图形：pi+1＝pi∪T1(pi)∪T2(pi)∪……∪Tk(pi)；
其中，s表示比例缩放系数，t表示平移系数，pi+1是第i+1次迭代变形后产生的坐标点，pi是第i次迭代变形后产生的坐标点，k为第i次迭代后产生坐标点的个数，T1到TK是第i+1次迭代变形的整个过程，将基本坐标点p1按照分形数学关系式T(pi)进行迭代计算，经过u次比例缩放、平移自适应变形操作，得到变形之后的最终图形样式，依此加工频选功能层。
优选地，所述基本图形为正十字形。
优选地，所述第一蒙皮层和第二蒙皮层均为石英玻璃纤维布增强氰酸树脂复合材料制成；所述第一蒙皮层和第二蒙皮层的厚度0.1mm～0.4mm。
优选地，所述第一蒙皮层和第二蒙皮层所使用的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂复合材料的介电常数小于3.6，介电损耗小于0.006。
优选地，所述第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层的材料为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成。
优选地，所述第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层的厚度为3mm～12mm，密度为40kg/m3～100kg/m3。
优选地，所述第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层所使用的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料介电常数小于1.13，损耗角正切小于0.004。
优选地，所述频选功能层中铜箔的厚度为6μm～20μm。
本发明进一步提出一种基于上述的双波段频率选择复合材料夹层结构的制造方法，包括以下步骤：
采用聚酰亚胺单面覆铜板刻蚀频选图案作为频选功能层；
将第一蒙皮层的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂预浸料和第一泡沫夹芯层粘接在一起；
将频选功能层通过树脂与第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层粘结在一起；
通过树脂将第二蒙皮层的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂预浸料与第二泡沫夹芯层粘结，得到双波段频率选择复合材料夹层结构。
本发明提出的双波段频率选择复合材料夹层结构，在保证高刚度的同时，泡沫芯材和频选功能载体采用介电性能优异的材料，通过对频选功能层结构尺寸、形状的参数设计，实现在2.45～3.62GHZ、7.77～10.79GHZ波段范围内实现带通，频段内透波率大于90％。
附图说明
图1为本发明双波段频率选择复合材料夹层结构的结构示意图；
图2为本发明双波段频率选择复合材料夹层结构中一阶正十字形贴片的示意图；
图3为本发明双波段频率选择复合材料夹层结构中二阶正十字分形贴片的示意图；
图4为本发明双波段频率选择复合材料夹层结构中三阶十字单元铜箔贴片的示意图；
图5为本发明双波段频率选择复合材料夹层结构的透波性能测试图。
图中，1-第一蒙皮层，2-第一泡沫夹芯层，3-频选功能层，4-第二泡沫夹芯层，5-第二蒙皮层。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1至图5，本优选实施例中，一种双波段频率选择复合材料夹层结构，包括依次设置的第一蒙皮层1、第一泡沫夹芯层2、频选功能层3、第二泡沫夹芯层4以及第二蒙皮层5，五者呈紧贴的层状结构，其中，
频选功能层3为周期性排列的三阶十字单元铜箔贴片，由二阶正十字分形贴片旋转45°而成。
具体地，频选功能层3中的图形样式采用以下过程得到：
(1)对双波段的中心工作频点fj(j＝1、2、…、n)进行分析，归一化处理后得到不同中心工作频点fj与初始中心工作频点f1之间的线性拟合关系式：
fj＝af1+b(j＝1、2、…、n)；
(2)根据极化敏感性选择基本图形，同时在栅格理论的基础上，结合初始中心工作频点f1估算基本图形的几何周长尺寸D，二者遵循如下关系式：
f1＝c/(D·sinθ)；
其中，c＝3×108m/s为电磁波传播速度，θ为入射电磁波的入射角；
通过线性拟合关系式确定分形变形所需要的迭代次数u；
(3)在基本图形的基础上，通过几何周长尺寸D确定初始图形的基本坐标点p1，同时根据(1)中的线性拟合关系式确定分形数学变形关系式：
初始图形：pi＝(xi,yi)；
变形关系式：T(pi)＝(xi±(s|xi|-t),yi±(s|yi|-t))；
变形后图形：pi+1＝pi∪T1(pi)∪T2(pi)∪……∪Tk(pi)；
其中，s表示比例缩放系数，t表示平移系数，pi+1是第i+1次迭代变形后产生的坐标点，pi是第i次迭代变形后产生的坐标点，k为第i次迭代后产生坐标点的个数，T1到TK是第i+1次迭代变形的整个过程，将基本坐标点p1按照分形数学关系式T(pi)进行迭代计算，经过u次比例缩放、平移自适应变形操作，得到变形之后的最终图形样式，依此加工频选功能层3。
本实施例中选择基本图形为正十字形，正十字形具有图形简单、极化不敏感以及易于加工制作等优点。
另外，第一蒙皮层1和第二蒙皮层5均为石英玻璃纤维布增强氰酸树脂复合材料制成，强度高。第一蒙皮层1和第二蒙皮层5的厚度0.1mm～0.4mm，蒙皮厚度薄。第一蒙皮层1和第二蒙皮层5所使用的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂复合材料的介电常数小于3.6，介电损耗小于0.006，蒙皮对电磁波的透波率高、损耗小。
第一泡沫夹芯层2和第二泡沫夹芯层4的材料为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)制成。第一泡沫夹芯层2和第二泡沫夹芯层4的厚度为3mm～12mm，密度为40kg/m3～100kg/m3，芯层密度低、重量轻。第一泡沫夹芯层2和第二泡沫夹芯层4所使用的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料介电常数小于1.13，损耗角正切小于0.004，芯层对电磁波的透波率高、损耗小。
频选功能层3中铜箔的厚度为6μm～20μm。
本实施例中，第一蒙皮层1和第二蒙皮层5厚度约为0.2mm，介电常数均为3.5，介电损耗均为0.005。第一泡沫夹芯层2和第二泡沫夹芯层4的介电常数为1.10，介电损耗为0.0038，厚度为5mm。
通过仿真及实验测试，当基本图形为正十字形时，确定频选功能层3为由二阶正十字分形贴片旋转45°而成的周期性排列的三阶十字单元铜箔贴片，厚度为12μm，如图3所示。参照图4，周期性排列的三阶十字单元的一阶长度为19.14mm，二阶长度为8.38mm，三阶长度为2.31mm，每一阶宽度为0.77mm，三阶与二阶的距离沿中心方向分别为2.4mm和1.63mm，垂直方向为2.23mm，单元与边框的距离为1.46mm。正方形边框边长为17mm，边框宽度30μm。本夹层结构的谐振频率为5.30GHZ、14.68GHZ，可以有效的控制入射电磁波的频带宽度和透波率，实现在2.45～3.62GHZ、7.77～10.79GHZ波段范围内实现带通，频段内透波率大于90％。
本发明提出的双波段频率选择复合材料夹层结构，在保证高刚度的同时，泡沫芯材和频选功能载体采用介电性能优异的材料，通过对频选功能层3结构尺寸、形状的参数设计，实现在2.45～3.62GHZ、7.77～10.79GHZ波段范围内实现带通，频段内透波率大于90％。
本发明进一步提出一种双波段频率选择复合材料夹层结构的制造方法。
本优选实施例中，一种基于上述的双波段频率选择复合材料夹层结构的制造方法，包括以下步骤：
采用聚酰亚胺单面覆铜板刻蚀频选图案作为频选功能层(即采用化学刻蚀的方式加工出频选图案)；
将第一蒙皮层的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂预浸料和第一泡沫夹芯层粘接在一起；
将频选功能层通过树脂与第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层粘结在一起；
通过树脂将第二蒙皮层的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂预浸料与第二泡沫夹芯层粘结，得到双波段频率选择复合材料夹层结构。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，包括依次设置的第一蒙皮层、第一泡沫夹芯层、频选功能层、第二泡沫夹芯层以及第二蒙皮层，五者呈紧贴的层状结构，其中，
所述频选功能层为周期性排列的三阶十字单元铜箔贴片，由二阶正十字分形贴片旋转45°而成。
2.如权利要求1所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述频选功能层中的图形样式采用以下过程得到：
(1)对双波段的中心工作频点fj(j＝1、2、…、n)进行分析，归一化处理后得到不同中心工作频点fj与初始中心工作频点f1之间的线性拟合关系式：
fj＝af1+b(j＝1、2、…、n)；
(2)根据极化敏感性选择基本图形，同时在栅格理论的基础上，结合初始中心工作频点f1估算基本图形的几何周长尺寸D，二者遵循如下关系式：
f1＝c/(D·sinθ)；
其中，c＝3×108m/s为电磁波传播速度，θ为入射电磁波的入射角；
通过线性拟合关系式确定分形变形所需要的迭代次数u；
(3)在基本图形的基础上，通过几何周长尺寸D确定初始图形的基本坐标点p1，同时根据(1)中的线性拟合关系式确定分形数学变形关系式：
初始图形：pi＝(xi,yi)；
变形关系式：T(pi)＝(xi±(s|xi|-t),yi±(s|yi|-t))；
变形后图形：pi+1＝piT1(pi)T2(pi)∪Tk(pi)；
其中，s表示比例缩放系数，t表示平移系数，pi+1是第i+1次迭代变形后产生的坐标点，pi是第i次迭代变形后产生的坐标点，k为第i次迭代后产生坐标点的个数，T1到TK是第i+1次迭代变形的整个过程，将基本坐标点p1按照分形数学关系式T(pi)进行迭代计算，经过u次比例缩放、平移自适应变形操作，得到变形之后的最终图形样式，依此加工频选功能层。
3.如权利要求1所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述基本图形为正十字形。
4.如权利要求1所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述第一蒙皮层和第二蒙皮层均为石英玻璃纤维布增强氰酸树脂复合材料制成；所述第一蒙皮层和第二蒙皮层的厚度0.1mm～0.4mm。
5.如权利要求4所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述第一蒙皮层和第二蒙皮层所使用的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂复合材料的介电常数小于3.6，介电损耗小于0.006。
6.如权利要求1所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层的材料为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成。
7.如权利要求6所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层的厚度为3mm～12mm，密度为40kg/m3～100kg/m3。
8.如权利要求6所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层所使用的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料介电常数小于1.13，损耗角正切小于0.004。
9.如权利要求1所述的双波段频率选择复合材料夹层结构，其特征在于，所述频选功能层中铜箔的厚度为6μm～20μm。
10.一种基于权利要求1至9中任意一项所述的双波段频率选择复合材料夹层结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用聚酰亚胺单面覆铜板刻蚀频选图案作为频选功能层；
将第一蒙皮层的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂预浸料和第一泡沫夹芯层粘接在一起；
将频选功能层通过树脂与第一泡沫夹芯层和第二泡沫夹芯层粘结在一起；
通过树脂将第二蒙皮层的石英玻璃纤维布增强氰酸树脂预浸料与第二泡沫夹芯层粘结，得到双波段频率选择复合材料夹层结构。
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