CN109037963B - 一种频率选择表面的可调x波段吸波材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种频率选择表面的可调X波段吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过金属连接线连接；每一个吸波结构单元包括底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形状为切口的耶路撒冷十字图案，所述PIN二极管焊接在所述切口耶路撒冷十字图案对称的两处缝隙，并且单一缝隙处不焊接PIN二极管。本发明提出一种通过调节电压实现对X波段可调吸收的吸波材料，克服了传统吸波材料调节费时费力，效果不明显的问题。

Description

一种频率选择表面的可调X波段吸波材料
技术领域
本发明属于电磁吸收材料领域，尤其涉及一种可调节对X波段吸收的材料。
背景技术
随着科学发展的日新月异，以电磁波为媒介的技术、各种产品越来越多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大。比如无线电波可能对机场环境造成干扰，导致飞机航班无法正常起飞而误点；移动电话信号可能会干扰各种精密电子医疗器械的工作；计算机会辐射携带信息的电磁波，它可能在几公里外被接收和破解，造成国防、政治、经济、科学技术等方面情报的泄漏。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体也会造成直接和间接的伤害。因此治理电磁污染、消除电磁波干扰、提高电磁兼容的吸收屏蔽，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。
雷达探测技术的日益先进，对吸波材料的要求越来越高，不仅要求吸波材料“薄”、“轻”、“宽”、“强”，而且要求“智能化”，传统的雷达吸波材料一旦制作出来，其电磁特性就已固定，难以满足日益变化的应用需求。如何实现吸波材料反射特性智能改变成为吸波材料研究的热点。
频率选择表面对电磁波具有选择透过性，这使它广泛应用于雷达罩、空间电磁滤波器、对吸波材料改性等领域，AFSS是在传统FSS单元图形间加载一系列阻抗元件(如电阻、电感、电容)构成的新型FSS，调节AFSS阻抗元件阻抗大小可以实现AFSS等效阻抗的改变，因此，将其与吸波材料复合式制作“智能”吸波材料的有效途径之一。
目前为止，现有的复合吸波材料多在X波段8～12GHz有较好的吸波效果，如中国专利申请公布号CN103490171A，名称为“一种复合宽频吸波材料”，该发明公开的复合宽频吸波材料包括地板、介质板、频率选择表面和基体材料层，频率选择表面和地板分别设于介质的上下表面，基体材料层涂覆于频率选择表面上，频率选择表面设有若干周期排列的无源谐振单元，无源谐振单元采用耶路撒冷十字型结构；该发明在4.6～14.8GHz频带内反射系数小于-10dB，在一个相对较宽的频带范围内具有良好的吸波特性。但该发明的吸收频率固定，无法在不同的频带切换，也无法选择是否开启吸波功能。
中国专利申请公布号CN20171297856.X，名称为“一种介质基宽带可调超材料吸波体”，该发明公开了一种介质基宽带可调超材料吸波体，涉及吸波材料以及超材料领域，利用土体材料与粘贴导电薄膜的介质板结合，形成电磁吸波单元，与自由空间实现阻抗匹配达到较好的吸波效果。超材料吸波体由周期排列的吸波单元组成，包括介质板、土体材料和紧贴介质板的导电薄膜。该发明利用土体材料在微波频段内随含水量的变化而具有高介电损耗的特性，通过改变土体材料的含水量就可以调节超材料吸波体的吸收效果。然而对土体材料含水量的调节存在一定困难，且难以通过较为简单的方式精确调节。且需要附加庞大的含水量调节器件组，不利于吸波体的小型化，且吸收带宽较窄。
中国专利申请公布号CN107623191A，名称为“一种频率可调的低频化超材料吸波体”，该发明提出通过调节频率选择表面的线宽来改变吸收频率，然后一旦完成加工，金属线的宽度显然无法轻易改变，因此无法在实际应用中实现吸收频率调节。而一些将半导体材料，如PIN二极管或变容二极管引入频率选择表面的吸波材料设计，未能在实际加工上，尤其是控制电路的设计上，提出满足实际加工需求的方案，而是采用了单个波导模拟进行测试。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料用于解决现有吸波材料开关吸收功能、切换吸收频带的问题，实现X波段内开关吸波功能，在X波段内不同频率吸波。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过金属连接线连接；每一个吸波结构单元包括底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形状为切口的耶路撒冷十字图案，所述PIN二极管焊接在所述切口耶路撒冷十字图案对称的两处缝隙，并且单一缝隙处不焊接PIN二极管。
本发明进一步的技术方案是，所述切口的耶路撒冷十字型图案可以分成四部分，中间为开口的十字环，四部分旋转对称的十字开口环。
本发明更进一步的技术方案是，四部分中的任意一个部分为通过金属线连通，与其对称的一部分保持开口状态，剩余两部分开口处通过焊接PIN二极管。
本发明更进一步的技术方案是，耶路撒冷十字型图案的长度为10.2mm，其中四部分的任意一部分长度为4.6mm。
本发明更进一步的技术方案是，中间开口的十字环，其宽度为0.9mm。
本发明更进一步的技术方案是，四部分旋转对称的十字开口环长度是2.8mm，宽度是0.8mm。
本发明更进一步的技术方案是，四部分中通过金属线连通部分金属线长度为2.8mm，与其对称的一部分保持开口状态部分离出口处的长度为0.9mm，剩余两部分焊接PIN二极管的长度是0.8mm。
本发明更进一步的的技术方案是，耶路撒冷十字型图案离有源频率选择表面样板边缘距离是2.1mm。
本发明更进一步的技术方案是，金属连接线用于连接相邻两个吸波结构单元，若干金属连接线从吸波结构单元焊接二极管处引出，并且串联连接在一起。
本发明更进一步的技术方案是，贴片型频率选择表面包括衬底和附着于所述衬底上的金属涂覆层，优选的是衬底采用有机高聚物基底，更优的是选用RO4350B。
本发明更优选的技术方案是，在衬底上涂覆的金属为铜、铝、银、金的一种。
本发明更优选的技术方案是，所述PIN二极管为贴片型PIN二极管。
本发明的有益效果：
1.本发明的吸收模式是精确而便捷的改变二极管两端电压，通过改变二极管两端电压实现，从而可以得到多种频率的吸收状态。
2.与中国专利申请公布号为CN201711297856.X，名称为“这一种介质基宽带可调超材料吸波体”使用含水量调节的方法相比，本发明是通过调节直流电源的电压，从而达到调整吸波体吸收频率的效果。
3.根据偏执电压的不同，可以实现三种状态：
a.不吸收电磁波能量
b.高效率吸收X波段内不同频率的电磁波能量(吸收率大于99％)。
c.吸收整个x波段内的电磁波能量(吸收率大于90％)。
附图说明
图1为本发明的耶路撒冷十字图案结构示意图；
图2为实施例1在关闭吸收模式状态下的反射率曲线图；
图3为实施例1在主高频(高频率吸收X波段内相对较低的频段内的电磁能量)吸收状态下的反射率曲线图；
图4为实施例1在主高频吸收状态(高效率吸收X波段内相对较高频段内电磁能量)下的反射率曲线图；
图5为实施例1在宽频吸收模式(吸收整个x波段内的电磁波能量)下的反射率曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
术语
优选频率选择表面：
是通过印制电路板工艺在单面RO4350覆铜板上腐蚀而成，该频率选择表面单元排成12列，每列含12单元，每个单元焊接有两只贴片PIN二极管，每个单元PIN二极管正负极取相相反，不同单元PIN二极管彼此取相相同。
在样板的左右两端分别通过金属线引出一条偏置控制线路，该偏置线路用于对PIN二极管施加直流控制信号。
该覆铜板RO4350衬底厚度为0.762mm，介电常数E＝3.2，损耗角tan8＝0.02.该有源频率选择表面样板的面积为180mm×180mm。
该有源频率选择表面金属面向下放置于芳纶蜂窝纸隔离板上，隔离板厚度为3mm，其介电常数为εr＝1.07，损耗角tan＝0.02.第三层的金属基板为平整铝板，用于反射率测试，铝板厚度为1mm。
为了改变吸波材料的吸收频率，本发明在传统的耶路撒冷十字型频率选择表面上进行开口，在开口处加载PIN二极管，从而达到改变吸收体吸收频率的效果。
同时，通过调节电压，可以使吸收体不再具有吸收效果，起到开关的作用。
本发明通过将耶路撒冷十字型(学术上的统称)环进行重新设计，将传统的对称结构改为不对称结构，从而将直流信号隔离开来，将频率选择表面和馈电线一同形成单一回路。并且通过调整结构尺寸，合理的排布直流馈电线的位置和极化方向，使得直流馈线对吸收效果的劣化降到最小。
本发明属于含有源频率选择表面的结构吸波材料，采用PIN二极管记载的有源频率选择表面设计来制作吸波性能可调的结构吸波材料，可动态调节工作状态的PIN二极管，可主动开关并调节结构吸波材料的吸波性能，同时该结构吸波材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽的特点。
如图1所示，为实现上述目的，本发明提供一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过金属连接线连接；每一个吸波结构单元包括底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形状为切口的耶路撒冷十字图案，所述PIN二极管焊接在所述切口耶路撒冷十字图案对称的两处缝隙，并且单一缝隙处不焊接PIN二极管。
如上吸波结构单元的底层为金属层，可以任意设定其厚度，因此吸波结构单元可以覆盖在任何金属表面上。
如上吸波结构单元的中间层为芳纶蜂窝纸或者聚乙烯泡沫板，厚度为4mm。
本发明进一步的技术方案是，所述切口的耶路撒冷十字型图案可以分成四部分，中间为开口的十字环，四部分旋转对称的十字开口环。
本发明更进一步的技术方案是，四部分中的任意一个部分为通过金属线连通，与其对称的一部分保持开口状态，剩余两部分开口处通过焊接PIN二极管。
本发明更进一步的技术方案是，耶路撒冷十字型图案的长度为10.2mm，其中四部分的任意一部分长度为4.6mm。
本发明更进一步的技术方案是，中间开口的十字环，其宽度为0.9mm。
本发明更进一步的技术方案是，四部分旋转对称的十字开口环长度是2.8mm，宽度是0.8mm。
本发明更进一步的技术方案是，四部分中通过金属线连通部分金属线长度为2.8mm，与其对称的一部分保持开口状态部分离出口处的长度为0.9mm，剩余两部分焊接PIN二极管的长度是0.8mm。
本发明更进一步的的技术方案是，耶路撒冷十字型图案离有源频率选择表面样板边缘距离是2.1mm。
本发明更进一步的技术方案是，金属连接线用于连接相邻两个吸波结构单元，若干金属连接线从吸波结构单元焊接二极管处引出，并且串联连接在一起。
如前串联连接为，同一排的吸波结构单元采用金属线连接，并与焊接老状态二极管串联连接。
本发明更进一步的技术方案是，贴片型频率选择表面包括衬底和附着于所述衬底上的金属涂覆层，优选的是衬底采用有机高聚物基底，更优的是选用RO4350B。
本发明更优选的技术方案是，在衬底上涂覆的金属为铜、铝、银、金的一种。
本发明更优选的技术方案是，所述PIN二极管为贴片型PIN二极管。
实施例
实验材料
吸波结构单元的材料层间采用固体胶粘接，形成平整方块状测试样品。
实验条件
将激励信号源接入制作的结构吸波材料偏置线上，即构成了完整的可调结构吸波材料。
该吸波结构样品在矢量网络分析仪搭建的微波暗室进行测试，样品的激励信号采用直流信号源，直流偏置电压范围为0-18V。
在典型直流偏置电压下反射率曲线如下图所示，可以分为四种不同的吸收模式：如图2-5。
以上实验证明本发明的新型吸波结构单元结构体，该结构通过偏执电压调节，能够在8.0GHz～9.1GHz、10.2GHz～12GHz频段内，可控的达到对电磁能量大于95％的吸收，并且通过调节，可以达到在7.6GHz～12.6GHz宽频段内，对电磁波达到大于90％的吸收。通过调节贴片PIN二极管的偏置电压，实现了吸收频段在7.6GHz～12.6GHz范围内可调的有源频率选择表面。
现有的技术可以做到在一个较宽的频带范围内实现较好的吸波特性，但吸收频率一旦制作完成，就已经固定，无法实现频率调节和开关吸收功能。本发明提出了一种可以开关吸收功能，调节吸收频率的装置。
同时，控制方法的选择也是关键点，直流电控是一种原理简单，易于工程实现的方法，但满足实际加工需求的直流控制电路设计一直是一个难点。但很多可调频率选择表面的设计，只考虑了加载器件参数变化得到不同的吸收效果，而没有考虑实际加工中，如何对这些加载器件进行控制，有的虽然考虑了控制方法，却没有设计实际加工中适用的馈电电路。本发明通过将馈电电路和频率选择表面本身相结合，设计了一种便于加工，对吸波性能影响小的馈电电路。

Claims (7)

1.一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过金属连接线连接；每一个吸波结构单元包括底层、附着于所述底层上的中间层以及附着于所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成，所述贴片型频率选择表面的形状为开口的耶路撒冷十字图案，所述PIN二极管焊接在所述开口的耶路撒冷十字图案对称的两处开口，并且单一开口处不焊接PIN二极管；
所述开口的耶路撒冷十字图案可以分成中间和四部分，中间为开口的十字环，四部分为旋转对称的十字开口环；
四部分中的任意一个部分的开口通过金属线连通，与其对称的一部分保持开口状态，剩余两部分开口处通过焊接PIN二极管。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，金属连接线用于连接相邻两个吸波结构单元，若干金属连接线从吸波结构单元焊接二极管处引出，并且串联连接在一起。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，贴片型频率选择表面包括衬底和附着于所述衬底上的金属涂覆层。
4.根据权利要求3所述的一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，衬底采用有机高聚物基底。
5.根据权利要求4所述的一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，机高聚物基底是选用RO4350B。
6.根据权利要求4所述的一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，在衬底上涂覆的金属为铜、铝、银、金中的一种。
7.据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的可调X波段吸波材料，其特征在于，所述PIN二极管为贴片型PIN二极管。
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