CN109509989A - 一种基于水的热可调型频率选择吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水的热可调型频率选择吸波体，属于隐身领域。包括上层容器(1)、中间水层(2)及下层基板(4)，所述下层基板(4)上表面周期排布十字形金属缝隙(3)，所述上层容器(1)与下层基板上表面排布的十字形金属缝隙(3)保持结构一致，二者构成密闭结构；所述中间水层(2)则填充在该密闭结构中。本发明通过将频率选择表面与水这种电磁波高损耗介质结合起来，构建了吸波/透波一体化结构，并实现良好阻抗匹配，达到透射窗口插损小的性能指标。本发明以水的色散特性为研究基础，通过对水的温度调控，获得电磁波吸收频带的热可调谐性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于水的热可调型频率选择吸波体，具体来说，是一种高损耗介质组成的可调谐频率选择吸波体，属于隐身技术领域。
背景技术
随着隐身技术的发展与进步，隐身飞行器平台上的雷达天线系统以及各种射频传感器成为雷达散射截面(RCS)的主要贡献源，其隐身技术对于飞行器整体的隐身性能至关重要。但是雷达天线作为信息交互的最前端，必须保证自身正常收发电磁波，不能直接应用外形隐身技术或者涂覆雷达吸波材料等方法来实现其隐身技术。而目前，国内外采用最广泛的隐身技术是频率选择表面(FSS)技术。
FSS是一种周期性排列的贴片或者缝隙阵列，一般为无耗结构，它与电磁波相互作用会表现出带通、带阻等滤波响应，就其本质而言是一个空间滤波器，被广泛应用在隐身雷达天线罩的设计中，用来减小系统的RCS。其中基于带通型FSS设计的天线罩，往往通过共形技术，将带外传输的电磁波反射到其他方向，减小后向散射；这往往导致目标单站RCS的缩减，而不能有效缩减双站RCS，达不到真正隐身的目的。为了改善这一缺点，减少带外的反射特性，电磁超材料吸波体的概念被引入天线罩的设计中，形成具有频率选择特性的吸波体。这一类对某些频带吸收而对某些频带透明的周期结构，称之为有透射窗口的吸波体。这种频率选择吸波体实现了频带透明和隐身的双重功能，因此具有广阔的应用前景。
随着现有技术的不断发展，研究可调谐带外吸收型电磁超材料频选结构对于吸波、隐身以及极化转换等应用来说具有更高的实用价值，它也是未来电磁超常媒质频率选择吸波体研究的一个重要热点。传统的频率选择吸波体多以电阻元器件或者高阻表面等多层复杂结构来实现吸波/透波一体化设计，并且传统的可调谐频率选择吸波体更多以搭载pin二极管为主，但带来结构复杂、加工难度大、走线繁琐等问题。因此，本发明通过地球上分布最为广泛的资源---水，提供一种高损耗介质组成的可调谐频率选择吸波体；相对于传统结构来说，其更大程度地节约成本，制备方便且结构简易，更具独特性地实现了电磁波吸收频带的可调谐性能。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术，本发明旨在提供一种新颖、电磁性能优异的可调谐型频率选择吸波体，克服上述现有技术中存在的问题。
为了解决上述技术问题，本发明设计一种基于水的热可调型频率选择吸波体，所述单元结构包括上层容器(1)、中间水层(2)、下层基板(4)以及下层基板上表面周期排布十字缝隙型频率选择表面(3)，所述上层容器(1)与排布的缝隙型频率选择表面(3)保持结构一致性，同时上层容器(1)的下表面突出十字形隔板，延伸至缝隙型频率选择表面(3)处，进而构成密闭结构，所述中间水层(2)则填充在该密闭结构中。
本发明通过对所述基于水的频率选择吸波进行横、纵向的周期性排布，保证了所述单元结构的中间水层(2)内部处处连通，更恰当地利用水的流动特性；同时，由于密闭结构的形状，中间水层(2)在填充时被集中性分布成左上、右上、左下、右下等四个矩形方块；每个矩形方块均与相邻三个单元结构中的矩形方块相连接，构成高损耗谐振腔体，实现了基于水的电磁波宽频段吸收性能。
本发明通过下层基板(4)及其正表面刻蚀的十字型金属缝隙，实现了频率选择的功能：满足某特定频段无损耗的透射，从而产生低损耗的透射窗口；但对通带外的频段起到金属背板作用，从而使得入射电磁能量更好地被具有电磁波高损耗性能的水所损耗掉，进而构建出吸波/透波一体化结构设计。
本发明的有益效果在于：
(1)、本发明通过水的高损耗性能，提供了一种多层介质组成的可调谐型频率选择吸波体；相对于传统的频率选择吸波体加载电阻、电感等集总元器件来说，本发明观点新颖，极具创新且结构更为简单，制备更为方便；
(2)、本发明通过将水与频率选择表面相结合，在保证良好阻抗匹配的前提下，通过调整结构参数，减少入射波的反射，实现了性能优异的吸波/透波一体化结构设计；
(3)、本发明通过水的色散特性，在水温度(0℃～100℃)发生变化时，呈现出独特地“通带不变，吸波带可调”的电磁性能，更贴合隐身系统中“智能化”选择。
(4)、本发明满足大角度性能，对于斜入射在0°～45°范围内的TE、TM电磁波，其吸波频段能保持80％的吸波率，即S11、S21均小于-10dB；其通带频段仍保持良好的透射性能；
附图说明
图1是本发明基于水设计的热可调型频率选择吸波体周期结构三维示意图；
图2是本发明基于水的热可调型频率选择吸波体一个单元的结构侧视图；
图3是本发明基于水的热可调型频率选择吸波体一个单元的分层结构示意图。
图4是本发明基于水的热可调型频率选择吸波体在室温时的吸波/透波曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例：参考图1-3描述的分别是本发明提出的频率选择吸波体周期结构三维示意图及单个结构的侧视图、分层结构图。
如图2所示，本发明所设计的结构从下往上依次为下层基板(4)、下层基板上表面周期排布的十字缝隙型频率选择表面(3)、中间水层(2)及上层容器(1)。整个单元结构的周长为20mm，整体高度为5.218mm。下层基板(4)采用相对介电常数为2.65损耗角正切为0.001的F4B介质材料，厚度是0.5mm；所述周期排布的十字缝隙型频率选择表面(3)即为十字形金属缝隙，其厚度为0.018mm，十字形缝隙的宽度为3mm，长度为18mm。上层容器(1)采用最新的3D打印技术，使用介电常数为2.88，损耗角正切为0.04的耐高温光敏树脂打印耗材，打印出所需的中心十字镂空形状；同时为了保证从下至上结构的密闭性，上层容器(1)下表面突出十字形隔板，延伸至十字形金属缝隙的表面，故十字形隔板的厚度即为中间水层的厚度，其隔板宽度为0.5mm。整个结构组成的密闭结构内填充的是Water(Debye Model)，水腔体厚度为0.9mm。如图4所示，为本发明所设计结构的电磁参数曲线，吸波率在80％以上的频段为8.33～15.2GHz，透射窗口的频段范围是5.17～6.88GHz，最小插入损耗为0.76dB；其中所使用的Water(Debye Model)工作在室温(25℃)和一个标准大气压下。
本发明中频率选择表面的结构并不仅限定于此，可以设计成圆环形、方环形、耶路撒冷十字形等缝隙型结构，也可以设计成方形、十字形等贴片型结构，也可以设计成双层或多层耦合型频率选择表面。介质基板可以用低损耗的Rogers 5880或低相对介电常数介质等，上层容器也并非必须采用光敏树脂材料，也可以是类ABS材料、尼龙、玻璃纤维材料，只要是材料电磁损耗较高，相对介电常数和厚度满足良好阻抗匹配即可。
上述对实例的描述是为了便于该领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易的对这些做出各种修改，并在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必进行创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于水的热可调型频率选择吸波体，其特征在于，包括上层容器(1)、中间水层(2)、下层基板(4)以及下层基板上表面周期排布十字缝隙型频率选择表面(3)；所述上层容器(1)与排布的缝隙型频率选择表面(3)保持结构一致性，二者构成密闭结构，所述中间水层(2)则填充在该密闭结构中；整体结构设计实现了吸波/透波一体化，同时满足良好的阻抗匹配以及透射窗口低插入损耗要求；该单元结构从上层容器(1)至十字缝隙型频率选择表面(3)均保持结构一致性，呈现中心十字形镂空形状，满足了通带和吸波带的位置相邻关系。
2.根据权利要求1所述的基于水的热可调型频率选择吸波体，其特征在于：所述中间水层(2)填充在上层容器(1)与缝隙型频率选择表面(3)之间；由于水所特有的电磁特性，在水温度(0℃～100℃)发生变化时，该频率选择吸波体呈现出独特地“通带不变，吸波带可调”的电磁性能，更贴合隐身系统中“智能化”选择。
3.根据权利要求1所述的基于水的热可调型频率选择吸波体，其特征在于：所述单元结构的上层容器(1)的长宽P均为20mm，厚度h1为3.8mm；所述中间水层(2)的长宽M均为20mm，厚度h2为0.8mm，中心十字型镂空的长度为19mm，宽度为4mm；所述下层基板(4)的厚度h3为0.5mm；所述下层基板正表面排布的十字缝隙型金属表面(3)，其缝隙宽度w为3mm，长度l为18mm；由于其单元结构的一致性，所述上层容器(1)中心十字型镂空的长度为l，宽度为w。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190322 |