CN109167181B - 一种图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构 - Google Patents

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    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

Abstract

本发明属于电子材料技术领域，特别涉及电磁吸波结构及其设计方法。本发明将充分固化的蜂窝孔选择性浸渍吸波浆料，不仅扩大了导电通道的最大通道半径，使其与入射波波长相当，避免入射波在该导电通道内产生高阶谐振模式，增加入射波在蜂窝孔中的传播，提高结构对入射波能量的谐振吸收，大幅增强低频的吸收性能，同时也将高频的吸收性能进一步降低；而且减少了吸波浆料的使用，较之传统蜂窝吸波结构，实现相同的吸收强度，图形化蜂窝吸波结构的重量更轻，带宽为2～18GHz。

Description

一种图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，特别涉及电磁吸波结构及其设计方法。
背景技术
第二次世界大战期间，雷达技术的应用给战争进程带来了重大的变化。随后，为了增强武器装备的突防性能，雷达隐身技术也应运而生。而现代战场环境下，电磁辐射越来越复杂，电磁吸波结构作为一种提高武器装备隐身能力的有效手段，也愈发受到各军事强国的重视，相关的研究成果也频频见诸各大军事和科技媒体。
另外，随着智能手机、4G移动通信的快速普及和超级WiFi、通信基站的搭建，以及微波炉、电磁炉等以电磁波为媒介的技术产品在人们生活中的广泛使用，它们所产生的各种电磁辐射等电磁污染也对人类的生存健康构成了“隐形”的威胁。因此电磁吸波结构在信息传输、微波辐射防护等民用领域也有着重要的应用价值。
当前，随着各种电磁波收发设备工作频带的扩展，人们对高效、宽带吸波结构的需求也越来越迫切。传统吸波结构，如微波暗室普遍采用的尖锥形吸波泡绵。虽然制备工艺简单、可批量化生产，但其良好的吸收效能却带来了结构厚度的急剧增加，并且缺乏力学性能。通常这类宽带吸波结构的厚度一般都在400mm以上，甚至600～750mm。而多层导电膜和介质叠加构成的Jaumann吸波体，由于其发生谐振吸收时要使各层层间距满足中心工作频率对应波长四分之一的匹配条件，因此随着其中心工作频点的降低层间距也相应增大，其工作频段的拓展则带来结构厚度的线性增加，一般都在30-40mm以上。
虽然上述结构都能较好地吸收入射的电磁波，但其结构厚度较大，且机械性能也较差，无法满足一些特殊场合的使用标准及要求。因此，在降低结构厚度的前提下，如何拓宽雷达波吸收体的吸波带宽并同时增强结构的机械强度已成为当前电磁波吸收技术领域一个亟待解决的问题。
发明内容
针对上述存在的问题或不足，为解决现有吸波结构在保证结构厚度和机械强度的同时，其吸收带宽不足的问题；本发明提供了一种图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，该结构在2～18GHz的宽带范围内对入射的电磁波实现大于90％的有效吸收。其主体结构芳纶纸蜂窝满足《飞机结构用芳纶纸基蜂窝芯材规范(GJB 1874-94)》，具备规定的力学性能。
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构包括底层金属平板和设置于其上方的带有吸波涂层的蜂窝结构。
所述蜂窝结构的吸波涂层为周期性排布，其周期单元为单个蜂窝孔以及其相邻的6个蜂窝孔，各周期单元间通过涂覆吸波材料的单列蜂窝孔连接，构成整个图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构。即周期单元外围相邻的12个蜂窝孔均为涂覆吸波材料的蜂窝孔，各周期单元间通过涂覆吸波材料的单列蜂窝孔隔离。
所述蜂窝孔单元的横截面为正六边形，采用芳纶纤维纸制成，其等效相对介电常数实部为1.23≤εr'≤1.29，损耗角正切为0.02≤tanδε≤0.05；等效相对磁导率实部为0.945≤μr'≤1.005，损耗角正切为0.01≤tanδμ≤0.05。如图2所示，r0为空白蜂窝正六边形蜂窝孔内边长，t0为相邻两蜂窝孔之间芳纶纤维纸和固化树脂的厚度；吸波涂层在蜂窝孔内沿六棱柱的轴向呈梯度分布，其中远离金属底板的上表面涂层厚度为t1，紧贴金属底板的下表面涂层厚度为t2，整个图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构的高度为h。其中，1.68≤r0≤3.48，t0＝0.2，0.1≤t1≤0.5，0.1≤t2≤1，5≤h≤25，单位mm。
该图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构的设计原理在于：传统的吸波蜂窝结构将所有的孔洞均浸渍有吸波浆料，其吸波浆料为导电媒质。相较于工作频段(0.5～18GHz)入射电磁波的最小波长λ＝16.67mm，传统吸波蜂窝结构的导电通道过于密集，最大通道半径小于蜂窝孔内边长，不到入射波最小波长的1/6，不利于入射波在蜂窝孔中的继续传播。本发明(如图1和2所示)将充分固化的蜂窝孔选择性浸渍吸波浆料，不仅扩大了导电通道的最大通道半径，使其与入射波波长相当，避免入射波在该导电通道内产生高阶谐振模式，增加入射波在蜂窝孔中的传播，提高结构对入射波能量的谐振吸收，大幅增强低频的吸收性能，同时也将高频的吸收性能进一步降低，如图3所示；而且减少了吸波浆料的使用，较之传统蜂窝吸波结构，实现相同的吸收强度，图形化蜂窝吸波结构的厚度更薄，重量更轻，2～18GHz的宽带范围带宽更宽。
本发明具有如下突出优点：
1、电磁波垂直入射时，在与入射波相垂直的面上，周期单元的排列方式为正六边形，因此整体结构具有面内各向同性的优势，对入射波方位角(如图2所示，入射电场与x轴的夹角)的变化不敏感，全方位的吸收性能完全一致，如图4所示；
2、扩大的导电通道允许更多不同频率的入射波进入到结构内部，从而产生更多的谐振频点，在更宽的频带(2～18GHz)上实现对入射波能量超过90％的吸收，如图3和4所示。
附图说明
图1为图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构阵列示意图；
图2为图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构周期单元尺寸参数示意图；
图3为均匀平面波垂直入射时，实施例1和传统蜂窝吸波结构吸波效能对比；
图4为均匀平面波垂直入射时，实施例1对入射波方位角的敏感性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝2.63，t0＝0.2，t1＝0.1，t2＝0.2，h＝23.8。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在1.5～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中2.05～6.85GHz频段具有-10dB以下的反射系数，6.85～12.7GHz频段具有-15dB以下的反射系数，12.7～18GHz频段具有-20dB以下的反射系数，如图4所示。
图3为本实施例在均匀平面波垂直入射时和传统蜂窝吸波结构吸波效能的对比；图4为均匀平面波垂直入射时，图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构对入射波方位角的敏感性。
实施例2：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝3.18，t0＝0.2，t1＝0.1，t2＝0.2，h＝23.8。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在1.71～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中2.28～7.15GHz频段具有-10dB以下的反射系数，7.15～13GHz频段具有-15dB以下的反射系数，13～18GHz频段具有-20dB以下的反射系数。
实施例3：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝2.63，t0＝0.2，t1＝0.2，t2＝0.2，h＝23.8。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在1.3～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中1.57～5.6GHz频段具有-8.5dB以下的反射系数，5.6～11.5GHz频段具有-10dB以下的反射系数，11.5～18GHz频段具有-15dB以下的反射系数。
实施例4：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝2.63，t0＝0.2，t1＝0.1，t2＝0.3，h＝23.8。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在1.44～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中1.87～6.36GHz频段具有-10dB以下的反射系数，6.36～12.5GHz频段具有-15dB以下的反射系数，12.5～18GHz频段具有-20dB以下的反射系数。
实施例5：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝2.63，t0＝0.2，t1＝0.2，t2＝0.5，h＝23.8。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在1.1～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中1.37～4.5GHz频段具有-9dB以下的反射系数，4.5～10.46GHz频段具有-10dB以下的反射系数，10.46～18GHz频段具有-15dB以下的反射系数。
实施例6：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝2.63，t0＝0.2，t1＝0.1，t2＝0.2，h＝19。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在2.12～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中2.7～8.8GHz频段具有-9dB以下的反射系数，8.8～16.12GHz频段具有-15dB以下的反射系数，16.12～18GHz频段具有-20dB以下的反射系数。
实施例7：
图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r0＝2.63，t0＝0.2，t1＝0.1，t2＝0.2，h＝15。
通过设计得到的电磁吸波体，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对入射方位角不敏感，全方位吸收性能完全一致。在2.86～18GHz的全频段具有至少-5dB以下的反射系数，其中3.7～11.5GHz频段具有-9dB以下的反射系数，11.5～15GHz频段具有-15dB以下的反射系数。
综上可见，本发明提供的吸波结构在结构厚度和机械强度相当的情况下，在2～18GHz的宽带范围内对入射的电磁波实现大于90％的有效吸收。

Claims (2)

1.一种图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，包括底层金属平板和设置于其上的带有吸波涂层的蜂窝结构，其特征在于：
所述蜂窝结构的吸波涂层为周期性排布，蜂窝结构的周期单元为单个蜂窝孔以及其相邻的6个蜂窝孔，各周期单元间通过涂覆吸波材料的单列蜂窝孔连接，构成整个图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构；即周期单元外围相邻的12个蜂窝孔均为涂覆吸波材料的蜂窝孔，各周期单元间通过涂覆吸波材料的单列蜂窝孔隔离。
2.如权利要求1所述图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构，其特征在于：
所述蜂窝孔单元的横截面为正六边形，采用芳纶纤维纸制成，其等效相对介电常数实部为1.23≤ε r '≤1.29，损耗角正切为0.02≤tanδ ε ≤0.05；等效相对磁导率实部为0.945≤μ r '≤1.005，损耗角正切为0.01≤tanδ μ ≤0.05；r 0为空白蜂窝正六边形蜂窝孔内边长，t 0为相邻两蜂窝孔之间芳纶纤维纸和固化树脂的厚度；吸波涂层在蜂窝孔内沿六棱柱的轴向呈梯度分布，其中远离金属底板的上表面涂层厚度为t 1，紧贴金属底板的下表面涂层厚度为t 2，h为整个图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构的高度；1.68≤r 0≤3.48，t 0=0.2，0.1≤t 1≤0.5，0.1≤t 2≤1，5≤h≤25，单位mm。
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