CN108957603A - 一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，包括金属板衬底，多个中间介质层和亚波长结构层。其中，亚波长结构由具有几何图案的结构化电阻膜周期性排列组成，并且亚波长结构层为具有预定的电阻值和尺寸参数，中间介质层均为具有预定厚度的低介电常数介质，优选聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或蜂窝介质。本发明结构可设计性强，能依据实际需求设计满足相应的宽带范围；能够保证宽带高吸收性能，同时具有轻质的特性。适用于宽波段电磁吸收的微波暗室、电磁屏蔽和电磁兼容等领域。

Description

一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的 超宽带电磁吸收材料
技术领域
本发明涉及电磁吸收材料的技术领域，具体涉及一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料。
背景技术
1860年，基尔霍夫提出了理想黑体的概念：“一种无限薄的材料，电磁波入射之后，既没有反射，也没有透射，所有能量被完全吸收”。普朗克随即指出：“理想的黑体在物理上不能存在，所有电磁吸收材料必须具备一定的厚度”。2000年，俄罗斯科学院科学家Rozanov进一步从Kramer-Kronig关系出发，严格推导得到在一定吸收率条件下，带宽与厚度的对应关系[IEEE Trans.Antennas Propagat.48,1230，(2000)]。“电磁吸收材料必须具备一定的厚度”成为该领域内的普遍共识。因此，现代物理对黑体的定义也舍弃了无限薄这一限定。电磁吸收体的厚度限制严重制约了其实际应用，特别是在射频、微波频段，所需要的厚度达到数十毫米。
近年来，受到亚波长结构新奇特性的启发，国际上开始研究基于亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的近完美电磁吸收现象，在微波、太赫兹、红外以及光波等不同波段验证了各式结构的吸收特性。由于亚波长结构的谐振特性，其吸收频率与其结构密切相关，表现为大多数结构均为窄带吸收，相对带宽不超过3％。2009年以来，一种广为使用的带宽拓展方法即混合尺寸亚波长结构，其通过平面内大小周期的嵌套，使得不同结构对应于不同的谐振频率，从而能将带宽拓展3倍以上。尽管如此，拓展之后的整体相对带宽仍不足，尤其是低频0.3-1.0GHz频段内的电磁吸收效果较差。因此，是否能够进一步降低吸收材料厚度，厚度薄、重量轻、频带宽、吸收强的吸收材料研究，成为本领域面临的关键科学技术问题。
传统电磁吸收材料包括电磁吸收涂层和电磁吸收结构两类，电磁吸收涂层是指在物体表面涂覆具有电磁吸收功能的涂料以达到损耗电磁波的目的，电磁吸收结构则是赋予材料吸波和承载双重性能。
电磁吸收涂层的有效频带为1-20GHz，很难达到P波段。涂层厚度与波长成正比(约为波长的1/10-1/4)，在0.3GHz频率情况，通常涂层厚度在100mm左右，严重限制了其应用范围。
目前基于超材料或频率选择表面结构的宽带电磁吸收材料主要针对1-18GHz，但是P波段(0.3-1GHz)的吸收效果不理想。发明专利(CN201510894877)提出基于磁性吸收材料和四层电阻膜结构在4-18GHz范围具有较好电磁吸收效果，虽然磁性吸收材料可增加低频吸收，但在P和L波段效果依然并不理想。另一发明专利(CN106329150A)提出一种包括金属板、吸波涂层、七层蜂窝结构层、七层电阻结构层的电磁吸收超材料，在1-18GHz范围有比较好的吸收效果，但是结构层数多，加工工艺复杂，成本高，而且在P波段效果同样不理想。另外上述专利主要采用阻值较高(大于100欧姆)的薄膜电阻，要求将膜层厚度控制在纳米量级，在实际大面积加工时存在较大难度，实际阻值与设计值偏差较大，导致材料电磁吸收效果变差。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，通过选择合适的介质材料和优化设计多层亚波长结构，使该电磁吸收材料阻抗与空气阻抗匹配，进而实现低频超宽带电磁吸收的效果。
本发明提供的技术方案如下：一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，包括金属板衬底，多个中间介质层和多个亚波长结构层，亚波长结构层依次间隔排布在中间介质层之间，其中中间介质层均为具有预定厚度的低介电常数介质，每个亚波长结构层具有预定的电阻值和尺寸参数。
其中，亚波长结构层为环形、矩形贴片、十字形中的一种或多种电阻膜结构。
其中，通过改变所述中间介质层的几何尺寸、材料组成以及介电性能和亚波长结构层的几何尺寸、结构以及阻值，使该吸收材料阻抗与空气阻抗匹配，进而实现低频超宽带的效果。
其中，具体由下至上依次包括金属板衬底、第一介质层、第一层亚波长结构、第二介质层、第二层亚波长结构、第三介质层、第三层亚波长结构；所述第一亚波长结构层、第二亚波长结构层、第三亚波长结构层的材料均为环形结构电阻膜层；所述金属板衬底为正方形金属板，其边长为低频超宽带吸收材料的单元周期p。
其中，所述第一介质层的厚度为13～19mm。
其中，所述第二介质层的厚度为13～19mm。
其中，所述第三介质层的厚度为10～17mm。
其中，所述第一结构层、第二结构层、第三结构层的外环边长尺寸均为0.8p～0.999p范围，线宽均为0.01p～0.3p范围。
其中，所述介质层是低介电常数介质、电磁吸收蜂窝、空白蜂窝中的一种或多种，低介电常数介质为：介电常数εri小于4。
其中，所述介质层为聚甲基丙烯酰亚胺或蜂窝结构。
本发明与现有技术相比，有益效果为：本发明采用了三层亚波长结构，亚波长结构由具有几何图案的电阻膜周期性排列组成；使得电磁吸收材料保证宽带高吸收性能的同时降低材料件的重量，这种轻质超宽带电磁吸收材料有望应用于宽频段电磁吸收，或用来降低环境中日益增加的电磁干扰及电磁辐射。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例1中三层介质层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的反射率仿真与实验结果示意图；
图3为实施例2中三层介质层为蜂窝介质的反射率曲线实验结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示，该电磁吸收材料的单元结构由下至上依次包括金属板衬底1、第一介质层2、第一层亚波长结构3、第二介质层4、第二层亚波长结构5、第三介质层6、第三层亚波长结构7；其中，亚波长结构由具有几何图案的电阻膜周期性排列组成。整个结构的厚度为d，单元结构周期为p，第一介质层2厚度为d1，第二介质层4厚度为d2，第三介质层6厚度为d3。第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6的材料为低介电常数介质或蜂窝介质的一种或多种。其中，几何图案为环行、贴片或十字形中的一种或多种；第一、第二介质层的厚度为13～19mm；第三介质层6的厚度为10～17mm；所述亚波长结构中相邻几何图案间的最小缝隙，其取值范围为0.002p～0.4p其中，p为超宽带电磁吸收材料的单元周期；亚波长结构采用环形结构时，外环边长尺寸取值范围均为0.8p～0.999p，线宽取值范围均为0.01p～0.3p，其中，p为超宽带电磁吸收材料的单元周期；介质层是低介电常数介质(介电常数小于4)、电磁吸收蜂窝、空白蜂窝中的一种或多种；介质层的优选方案为聚甲基丙烯酰亚胺或蜂窝结构。
我们利用电磁仿真软件对电磁吸收材料进行仿真设计，通过选择多层介质层的材料和优化设计多层亚波长结构，使该电磁吸收材料阻抗与空气阻抗匹配，进而实现超宽带电磁吸收的效果。
以下提供两种不同的实施例来阐述本发明：
实施例1
本实施例中，第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6的材料均为聚甲基丙烯酰亚胺，其介电常数为1.05。本实施例中，第一亚波长结构3、第二亚波长结构5、第三亚波长结构7均采用方环结构。第一亚波长结构的单元外边长为l1，线宽为w1，第二亚波长结构5外边长为l2，线宽为w2，第三亚波长结构7外边长为l3，线宽为w3。
亚波长结构的电阻膜阻值设定为：第一亚波长结构3的电阻膜阻值：20欧姆；第二亚波长结构5的电阻膜阻值：20欧姆；第三亚波长结构7的电阻膜阻值：30欧姆。
本实施例中，电磁吸收材料经过CST软件仿真，在TE波垂直入射情况下，随频率变化的吸收率计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2，式中|S11|为随频率变化的反射系数幅值，|S21|为随频率变化的透射系数幅值。通过合理优化设计电磁吸收材料结构几何参数和材料电磁参数，使其在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配，此时，由于电磁吸收材料结构底层为金属基板，空间电磁波进入电磁吸收材料结构而几乎不被透射，则透射率T＝|S21|2接近于零；这样，吸收率计算公式为A＝1-|S11|2，减少电磁吸收结构的反射率|S11|2，则可以提高电磁吸收材料结构的吸收率。
利用电磁仿真软件对本发明单元结构进行仿真设计，优化后的一组数据为：p＝30mm，d＝49mm，d1＝18.3mm，d2＝18.4mm，d3＝12.3mm，l1＝l2＝l3＝29.8mm，w1＝1.5mm，w2＝w3＝1mm。
在上述结构参数下，该电磁吸收材料的仿真结果是在0.65-6.2GHz的反射率在-10dB下，在0.48GHz的反射率为-5dB，在0.65GHz的反射率为-10dB。另外，由于该结构是几何对称的，因此对入射的电磁波是极化不敏感的。
本实施例中，为了验证设计的可靠性，将第一介质层2、第一亚波长结构3、第二介质层4、第二亚波长结构5、第三介质层6、第三亚波长结构7依次用环氧树脂AB胶粘合在一起，将整个粘合后的结构在微波暗室环境下测试其吸收率，测试结果如图2所示，从图2可以清楚地看到，测试结果与仿真结果有很好的一致性。
实施例2
本实施例中，发明结构与实施例1一样，不同的是第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6的选材，三层介质层至少有一种具有电磁吸收性能的蜂窝介质层。
本实施例中，具有电磁吸收性能的蜂窝介质层的型号为TGFW-180，其在4GHz～18GHz有-10dB的吸收。
本实施例中，不具有电磁吸收性能的蜂窝介质层的型号为芳纶纸空白蜂窝，其介电常数为1.05。
本实施例中，介质基板平行于电磁波传播方向。该电磁吸收材料的仿真结果是在0.58GHz的反射率为-5dB，频率范围在0.95GHz-18GHz的反射率在-10dB以下，通过与实施例1中的结果比较发现，仅采用聚甲基丙烯酰亚胺介质层的电磁吸收材料的电磁吸收范围在0.48GHz-6.2GHz，而采用电磁吸收性能蜂窝结构的介质层的亚波长结构电磁吸收材料能够实现0.58GHz-18GHz的吸收，因此，该电磁吸收材料实现了吸收低频的同时吸收高频，实验结果如图3所示。该实施例中因为购买的电磁吸收蜂窝在低频0.48GHz-1GHz约有-2dB的反射，其低频效果比实施例1中的稍差，可以通过优化设计电磁吸收蜂窝结构来进一步拓展低频的吸收带宽。
综上所示，本发明提供了一种基于多层亚波长结构的低频超宽带电磁吸收材料，包括金属板衬底1、第一介质层2、第一亚波长结构3、第二介质层4、第二亚波长结构5、第三介质层6、第三亚波长结构7，通过优化设计多层亚波长结构电阻膜结构和选择多层介质材料来实现超宽带电磁吸收材料。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：包括金属板衬底，多个中间介质层和多个亚波长结构层，亚波长结构层依次间隔排布在中间介质层之间，其中中间介质层均为具有预定厚度的低介电常数介质，每个亚波长结构层具有预定的电阻值和尺寸参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：亚波长结构层为环形、矩形贴片、十字形中的一种或多种电阻膜结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：通过改变所述中间介质层的几何尺寸、材料组成以及介电性能和亚波长结构层的几何尺寸、结构以及阻值，使该吸收材料阻抗与空气阻抗匹配，进而实现低频超宽带的效果。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：具体由下至上依次包括金属板衬底(1)、第一介质层(2)、第一层亚波长结构(3)、第二介质层(4)、第二层亚波长结构(5)、第三介质层(6)、第三层亚波长结构(7)；所述第一亚波长结构层(3)、第二亚波长结构层(5)、第三亚波长结构层(7)的材料均为环形结构电阻膜层；所述金属板衬底为正方形金属板，其边长为低频超宽带吸收材料的单元周期p。
5.根据权利要求4所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：所述第一介质层(2)的厚度为13～19mm。
6.根据权利要求4所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：所述第二介质层(4)的厚度为13～19mm。
7.根据权利要求4所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：所述第三介质层(6)的厚度为10～17mm。
8.根据权利要求4所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：所述第一亚波长结构层(3)、第二亚波长结构层(5)、第三层亚波长结构(7)的外环边长尺寸均为0.8p～0.999p范围，线宽均为0.01p～0.3p范围。
9.根据权利要求1所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：所述介质层是低介电常数介质、电磁吸收蜂窝、空白蜂窝中的一种或多种，低介电常数介质为：介电常数εri小于4。
10.根据权利要求1所述的一种基于多层亚波长结构中传播波和超构表面波互换原理的超宽带电磁吸收材料，其特征在于：所述介质层为聚甲基丙烯酰亚胺或蜂窝结构。
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