CN110707435A - 一种l频段宽带吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超材料吸波器领域，公开了一种L频段宽带吸波器，包括：第一介质板材，具有设定的介电常数和电损耗正切角；第二介质板材，具有设定的介电常数和电损耗正切角；高损电磁材料基板，位于所述第一介质板材与第二介质板材之间；周期性结构层，成型在所述第一介质板材上，以产生电抗效用于增强所述高损电磁材料基板的吸波率；以及反射层，成型在所述第二介质板材上。本发明吸波器，解决了L频段吸波器厚度较厚，带宽较窄，极化敏感和不能弯曲的问题。

Description

一种L频段宽带吸波器

技术领域

本发明涉及超材料吸波器领域，尤其涉及一种基于电磁损耗材料基板的L频段宽带吸波器技术。

背景技术

2008年美国杜克大学Smith教授课题组的Landy博士首次提出的新型超材料吸波器，即负介电常数电谐振环结构已经具有很好的窄带吸波特性，其在2009年又提出了对于极化不敏感的十字型电谐振环结构吸波器结构。此后，超材料吸波器获得广泛关注。但是，十年来吸波器技术的发展主要集中在C频段及以上频段，适用于L频段的吸波器具有厚度较厚，带宽较窄的弊端。吸波器可以用于降低雷达散射面积，实现雷达隐身等功能，因此要求其具有可弯折性以适应复杂的电磁环境。因此设计适用于L频段的宽频段，易于加工，可弯折，性能稳定的吸波器在具有重要意义。

专利CN108493623采用四个环状频率选择表面，介质层和铁氧体组成的复合型吸波器，该吸波器可工作于L频段，但是其厚度为25 mm，较厚的厚度限制了其在很多实际工程中的应用。专利CN201910490624.9采用频率选择表面加载电阻并与空气介质相结合的组合方式，实现宽带吸波，但是其厚度大于6.75 mm，且其使用的最低频率为3.9 GHz，若将此方法应用于L频段的吸波器设计中，其厚度要再增大4倍，约为25mm。上述两个专利中提出的吸波器均不能弯折，难以适应复杂环境的电磁应用中。

发明内容

本发明的目的是提供一种L频段宽带吸波器，解决了L频段吸波器厚度厚，带宽窄，极化敏感的技术问题。

本发明采用的技术方案为：

一种L频段宽带吸波器，其特征在于，包括：

第一介质板材，具有设定的介电常数和电损耗正切角；

第二介质板材，具有设定的介电常数和电损耗正切角；

高损电磁材料基板，位于所述第一介质板材与第二介质板材之间；高损电磁材料基板在0.8 GHz-2.0 GHz频段内的介电常数实部在28-30范围内，虚部在3.7-4.4范围内，电损耗角正切在0.135-0.143范围内；高损电磁材料基板在0.8 GHz-2.0 GHz频段内的磁导率实部在5.8-7.9范围内，虚部在2.3-3.9范围内，磁损耗角正切在0.3-0.67范围内；

周期性结构层，成型在所述第一介质板材上，以产生电抗效应用于增强所述高损电磁材料基板的吸波率；

反射层，成型在所述第二介质板材上。

所述周期性结构层由成阵列布置的缺陷单元构成，所述缺陷单元为关于轴中心对称结构，包括金属基板及设置在金属基板上的缺陷槽缝。周期性结构由相同的缺陷单元构成，缺陷单元关于轴中心对称，所以对于从不同方位角入射的电磁波都可以吸收，具有极化不敏感特性，同时，这种周期性结构也能起到增加电抗，提高吸波器的吸波率，降低吸波器的厚度三个作用。

所述金属基板为圆形，所述缺陷槽缝为均布在圆形金属基板上的扇形槽缝。

所述金属基板为方形，所述缺陷槽缝呈十字形，且十字形的两条线位于方形的两条对角线上。这样是在方形金属基板单元的有限尺寸的基础上，最大限度的增加电抗。

所述金属基板为方形，所述缺陷缝隙为两个，一个为居于所述方形基板中心的多边形孔，另一个为等间距包裹所述多边形孔的多边形环形槽。

所述第一介质板材和第二介质板材通过粘贴固定于所述高损电磁材料基板的上下两面。

所述第一介质板材和第二介质板材通过3M双面胶粘贴固定于所述高损电磁材料基板的上下表面并在第一介质板材和第二介质板材与所述高损电磁材料基板的上下表面之间形成3M双面胶层。

所述周期性结构层覆刻于第一介质板材上表面；所述反射层覆刻于第二介质板材下表面；所述第一介质板材和第二介质板材均为罗杰斯介质板材。

所述高损电磁材料基板为以聚酯橡胶为基体的柔性基板。

所述高损电磁材料基板厚度为2.0 mm±0.05 mm；所述第一罗杰斯介质板材和第二罗杰斯介质板材厚度为0.254 mm±0.005 mm，所述周期性结构层和反射板层厚度均为0.017 mm，所述双面胶层为0.1 mm±0.005 mm。采用这样范围内的介电常数和磁导率能够在L频段使得基板材料在背覆金属（反射层）的情况下具有超过50%的吸波率。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于电磁损耗材料基板的L频段宽带吸波器，提出了一种在罗杰斯介质板材层上刻蚀金属结构并通过3M双面胶层粘合到电磁损耗材料基板上的组合方式，代替传统的直接在电磁损耗材料基板刻蚀金属的加工方式。并设计了三种不同结构的周期性结构层以适应不同的工程应用。

与现有技术相比，本发明的吸波器具有以下优点：

1、本发明提出的组合方式避免了电磁损耗材料基板在高温刻蚀下的电磁性能变化，以及金属层均匀度不够，附着力不够与易折断及脱落的现象。

2、本发明提出的吸波器具有一定的可弯折性，可适用于多种工程应用。

3、本发明提出的吸波器在较薄的厚度下，通过使用基于有限元算法的商用软件HFSS调整周期性结构的尺寸和电磁损耗材料的电磁参数和厚度，可实现较宽的吸波带宽。

4、本发明提出的吸波器对入射电磁波的极化方式不敏感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例所述的一种基于电磁损耗材料基板的宽带吸波器的结构示意图；

图2为本发明具体实施例所述的一种基于电磁损耗材料基板的宽带吸波器在弯折情况下的结构示意图；

图3为本发明具体实施例所述的一种基于电磁损耗材料基板的宽带吸波器应用于微带天线阵，降低阵元之间互耦的结构示意图；

图4为本发明具体实施例所述的一种基于电磁损耗材料基板的宽带吸波器应用于微带天线阵，降低天线阵雷达散射截面的结构示意图；

图5为本发明具体实施例所述的车轮形周期性结构层应用于吸波器的结构示意图；

图6为本发明具体实施例所述的十字形缺陷周期性结构层应用于吸波器的结构示意图；

图7为本发明具体实施例所述的多边形缺陷周期性结构层应用于吸波器的结构示意图；

图8为本发明所述吸波器中高损电磁材料基板的电磁参数曲线图；图a为高损电磁材料基板4的介电常数实部和虚部的范围；图b为电损耗角正切0.135-0.143的范围；图c为高损电磁材料基板4的磁导率实部和虚部的范围；图d为磁损耗角正切的范围；

图9为本发明所述车轮形周期性结构层应用于吸波器的反射系数曲线图；

图10为本发明所述车轮形周期性结构层应用于吸波器的吸波率曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所提供的一种基于电磁损耗材料基板的L频段宽带吸波器，包括反射板层1，第一罗杰斯介质板材（RogersRT/duroid 5880）层2，第一3M双面胶层3，高损电磁材料基板4，第二3M双面胶层5，第二罗杰斯介质板材（RogersRT/duroid 5880）层6，周期性结构层7。其中反射板层1覆刻于第二罗杰斯介质板材层2下表面，第二罗杰斯介质板材层2上表面涂覆第二3M双面胶层3与高损电磁材料基板4下表面相连。周期性结构层7覆刻于第一罗杰斯介质板材层6上表面，第一罗杰斯介质板材层6下表面涂覆第一3M双面胶层5与高损电磁材料基板4上表面相连。

如图1所示的高损电磁材料基板4主要是以聚酯橡胶为基体，融合羰基铁粉，另外为保持材料的稳定性，加入硫化剂和增塑剂等。由于高损电磁材料基板4中聚酯橡胶和硫化剂等的不耐温性与材料的硬度不够，若直接在高损电磁材料基板4的上下表面刻蚀金属结构，则会出现金属层均匀度不够，附着力不够与易折断及脱落的现象，并且高温会影响高损电磁材料基板4的电磁参数，从而影响设计精度。因此在本发明中，通过将反射板层1和周期性结构层7分别刻蚀于第二罗杰斯介质板材层2和第一罗杰斯介质板材6上，再通过第二3M双面胶层3和第一3M双面胶层5与高损电磁材料基板4相连弥补了传统覆铜工艺的不足。其中反射板层1与周期性结构层7的厚度约为0.017 mm， 第二罗杰斯介质板材层2与第一罗杰斯介质板材层6的厚度约为0.254 mm，第二3M双面胶层3与第一3M双面胶层5的厚度约为0.1mm， 高损电磁材料基板4的厚度约为2 mm。因此，本发明中提出的吸波器的总厚度约为2.742 mm。

如图1所示，吸波器中的以聚酯橡胶为基体的高损电磁材料基板4具有一定的可弯曲性，0.254 mm的第二罗杰斯介质板材层2与第一罗杰斯介质板材层6也可弯折。因此，如图2所示，本发明中提出的吸波器可弯折，从而适用于多种实际工程应用。如图3所示，将吸波器200置于天线100的阵元之间可以降低天线阵元之间的互耦。如图4所示，将吸波器200置于天线100的下方，并360°围绕天线则会降低天线阵的雷达散射面积，提高天线阵列的抗多径能力。

如图5，图6，图7所示，本发明中为特定的高损电磁材料基板4及特定的超材料吸波器组合方式设计了三种不同的周期性结构层。图6中的十字形缺陷周期性结构层8与图7中多边形缺陷周期性结构层9都可以代替图5中的车轮形周期性结构层7刻蚀于图1中的第一罗杰斯介质板材层6上表面，形成具有优异吸波效果的吸波器。如图5所示，车轮形周期性结构层7主要包括外圆环71，内圆72和十字交叉矩形73。其中，外圆环71和十字交叉矩形可产生感性效应，可视为电感。外圆环71和内圆72之间可产生容性效应，相邻的间距为d1（0.614mm，通过软件仿真得到）的车轮形周期性结构7之间也会产生容性效应，可视为电容。因此，车轮形周期性结构层7产生的电抗效应可以增强高损电磁材料基板4的吸波率，并且降低高损电磁材料基板4的厚度。如图6所示，十字形缺陷周期性结构层8主要包括矩形金属结构81和十字形缺陷结构82。矩形金属结构81本身具有感性效应，十字形缺陷结构82相对的边会产生电容效应，相邻的间距为d2（0.27mm，通过软件仿真得到）的矩形金属结构81之间也会产生电容效应。组合的电抗效应可以增强高损电磁材料基板4的吸波率，并且降低高损电磁材料基板4的厚度。上述分析同样适用于图7中多边形缺陷周期性结构层9，其主要由多边缺陷金属结构91，缺陷带92，多边金属带93和多边缺陷结构94组成。多边缺陷金属结构91本身具有的感性效应，多边缺陷金属结构91与多边金属带93之间的电容效应以及相邻的间距为d3（0.27mm，通过软件仿真得到）的多边缺陷金属结构91之间也会产生电容效应。组合的电抗效应可以增强高损电磁材料基板4的吸波率，并且降低高损电磁材料基板4的厚度。

如图8所示，在0.8 GHz-2.0 GHz频率范围内，高损电磁材料基板4的介电常数实部在在28-30范围内，虚部在3.7-4.4范围内（图a）；电损耗角正切在0.135-0.143范围内（图b）。高损电磁材料基板4的磁导率实部在5.8-7.9范围内，虚部在2.3-3.9范围内（图c），磁损耗角正切在0.3-0.67范围内（图d）。因此，所述高损电磁材料基板4具有较好的电磁损耗能力。

本发明中的基于高损电磁材料的在L频段实现较宽吸波带宽的吸波器是在电磁仿真软件HFSS. 15建模仿真得出。图9和图10分别为车轮形周期性结构层7应用于吸波器时的反射系数和吸波率。仿真结果表明，所述吸波器在1.0 GHz-1.46 GHz频率范围内的吸波率大于90%。在L频段实现吸波率0.8以上640 MHz的带宽。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种L频段宽带吸波器，其特征在于，包括：

第一介质板材，具有设定的介电常数和电损耗正切角；

第二介质板材，具有设定的介电常数和电损耗正切角；

高损电磁材料基板，位于所述第一介质板材与第二介质板材之间；高损电磁材料基板在0.8 GHz-2.0 GHz频段内的介电常数实部在28-30范围内，虚部在3.7-4.4范围内，电损耗角正切在0.135-0.143范围内；高损电磁材料基板在0.8 GHz-2.0 GHz频段内的磁导率实部在5.8-7.9范围内，虚部在2.3-3.9范围内，磁损耗角正切在0.3-0.67范围内；

周期性结构层，成型在所述第一介质板材上，以产生电抗效用于增强所述高损电磁材料基板的吸波率；

反射层，成型在所述第二介质板材上。

2.根据权利要求1所述的吸波器，其特征在于：所述周期性结构层由成阵列布置的缺陷单元构成，所述缺陷单元为关于轴中心对称结构，包括金属基板及设置在金属基板上的缺陷槽缝。

3.根据权利要求2所述的吸波器，其特征在于：所述金属基板为圆形，所述缺陷槽缝为均布在圆形金属基板上的扇形槽缝。

4.根据权利要求2所述的吸波器，其特征在于：所述金属基板为方形，所述缺陷槽缝呈十字形，且十字形的两条线位于方形的两条对角线上。

5.根据权利要求2所述的吸波器，其特征在于：所述金属基板为方形，所述缺陷缝隙为两个，一个为居于所述方形基板中心的多边形孔，另一个为等间距包裹所述多边形孔的多边形环形槽。

6.根据权利要求1-5任一所述的吸波器，其特征在于：所述第一介质板材和第二介质板材通过粘贴固定于所述高损电磁材料基板的上下两面。

7.根据权利要求6所述的吸波器，其特征在于：所述第一介质板材和第二介质板材通过3M双面胶粘贴固定于所述高损电磁材料基板的上下表面并在第一介质板材和第二介质板材与所述高损电磁材料基板的上下表面之间形成3M双面胶层。

8.根据权利要求1-5任一所述的吸波器，其特征在于：所述周期性结构层覆刻于第一介质板材上表面；所述反射层覆刻于第二介质板材下表面；所述第一介质板材和第二介质板材均为罗杰斯介质板材；罗杰斯介质板材的介电常数为2.2，电损耗正切角为0.0009。

9.根据权利要求8所述的吸波器，其特征在于：所述高损电磁材料基板为以聚酯橡胶为基体的柔性基板。

10.根据权利要求9所述的吸波器，其特征在于： 所述高损电磁材料基板厚度为2.0 mm±0.05 mm；所述第一罗杰斯介质板材和第二罗杰斯介质板材厚度为0.254 mm±0.005 mm，所述周期性结构层和反射板层厚度均为0.017 mm，所述双面胶层为0.1 mm±0.005 mm。

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