CN111180839A - 基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，结构包括介质层，以及设置在介质层两侧的第一频率选择表面结构和第二频率选择表面结构，第一频率选择表面结构由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第一缝隙型单元构成，任意第一缝隙型单元与其相邻的第一缝隙型单元均相接；第二频率选择表面结构由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第二缝隙型单元构成；且第一、二频率选择表面结构的蜂窝栅格中心间距相等；第一缝隙型单元采用具有特定方阻的电阻材料制成，第二缝隙型单元采用金属材料制成，所述第一、二缝隙型单元的形状相同且第一缝隙型单元的外周长大于第二缝隙型单元的外周长。该电磁波吸收结构能够在L～U波段的宽频带范围内实现连续吸波特性。

Description

基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构

技术领域

本发明提供一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，属于电磁场与微波技术领域。

背景技术

频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构。频率选择表面单元结构可分为两种类型：贴片型单元结构和缝隙型单元结构，两种类型在图案上是互补的，且两者的频率响应特性是相反的。贴片型单元结构是在介质板上按照一定周期排布贴上一些互不相连的金属图案，缝隙型单元结构是在一块完整的金属层面上按照一定周期排布开一些缝隙图案。通过合理设计频率选择表面可以实现电磁波吸收，是雷达隐身技术中非常重要的一种方法。

目前，利用基于频率选择表面的吸波结构实现C、X波段宽频吸波已有相关研究，但由于从L波段到U波段的超宽频带长达59GHz，目前还未见能够实现从L波段到U波段的超宽频带吸波结构。因此，在上述如此宽频带范围内实现吸波特性的吸波结构是雷达隐身技术的研究难点，也是该领域亟待解决的问题。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于提供一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，本发明提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构能够在L、S、C、X、Ku、K、Ka、U波段(即从L波段到U波段)的宽频带范围内实现优异的吸波特性。

技术解决方案如下：

提供一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，包括介质层，以及设置在所述介质层两侧的第一频率选择表面结构和第二频率选择表面结构，其中：第一频率选择表面结构由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第一缝隙型单元构成，且任意所述第一缝隙型单元与其相邻的第一缝隙型单元均相接；所述第二频率选择表面结构由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第二缝隙型单元构成；且所述第一频率选择表面结构的蜂窝栅格中心间距与所述第二频率选择表面结构的蜂窝栅格中心间距相等；所述第一缝隙型单元采用具有特定方阻的电阻材料制成，所述第二缝隙型单元采用金属材料制成，所述第一缝隙型单元和所述第二缝隙型单元的形状相同且所述第一缝隙型单元的外周长大于所述第二缝隙型单元的外周长。

进一步地，所述介质层的厚度为a，a＝1～15mm，优选a＝1～12mm。

进一步地，所述第一缝隙型单元和所述第二缝隙型单元均为正多边形环或圆环。

进一步地，所述第一缝隙型单元和所述第二缝隙型单元均为正六边形环。

进一步地，对于任意所述第一缝隙型单元：正六边形环的内边长为b，外边长为c，蜂窝栅格中心间距为f₁，其中，c＝1.4～3mm，b＝(c-0.1)～(c-0.3)mm，

进一步地，对于任意所述第二缝隙型单元：正六边形环的内边长为d，外边长为e，蜂窝栅格中心间距为f₂，蜂窝栅格夹角为α，其中，e＝0.3～0.7mm，d＝(e-0.1)～0mm，

α＝60°。

进一步地，对于任意所述第二缝隙型单元，均存在一个第一缝隙型单元使两者之间满足：所述第二缝隙型单元的中心与所述第一缝隙型单元的中心同轴设置。

进一步地，所述电阻材料的方阻为p，且p＝100～350Ω/□。

进一步地，所述第一频率选择表面结构采用丝网印刷工艺将具有特定方阻的浆料印制于所述介质层上制得；所述第二频率选择表面结构通过掩膜刻蚀工艺在聚酰亚胺或FR-4薄膜上形成。

进一步地，所述介质层采用聚酰亚胺或FR-4制成。

上述技术方案通过在宽带电磁波吸收结构的介质层的两侧分别设置电阻材质第一频率选择表面结构的和金属材质的第二频率选择表面结构，一方面利用了电阻材质优良的吸波特性和金属频率选择表面结构由于谐振产生的优良的宽频特性，另一方面，通过介质层将频率选择表面结构隔离形成立体的单元结构，有利于电阻材质的第一频率选择表面结构实现高频吸波特性，此外，作为另一项重要之处在于：在上述所形成的立体单元结构基础上，设计多个第一缝隙型单元呈蜂窝型栅格周期排列且任意所述第一缝隙型单元与其相邻的第一缝隙型单元均相接；多个第二缝隙型单元呈蜂窝型栅格周期排列；同时两者蜂窝栅格中心间距相等；以及第一缝隙型单元和第二缝隙型单元的形状相同且第一缝隙型单元的外周长大于第二缝隙型单元的外周长。此种设计使得多个第一缝隙型单元呈无缝隙密集排列，多个第二缝隙型单元呈间隔排列且两者形状相同但尺寸不同，此种特定比例关系和空间构造实现了电磁波吸收结构的低频吸波特性，由于吸波特性在低频和高频两个方向的波段扩展，即通过本发明所设计的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构实现了从L波段至U波段的超宽频带连续吸波特性，突破了超材料超宽频带吸波技术的研究难点。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为根据本发明实施例提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构的侧视图；

图2为根据本发明实施例提供的第一缝隙型单元周期排列的结构示意图；

图3为根据本发明实施例提供的第二缝隙型单元周期排列的结构示意图；

图4为根据本发明实施例1提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构的吸波特性仿真结果；

图5为根据本发明实施例2提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构的吸波特性仿真结果。

上述附图中：

1、第一频率选择表面结构；2、介质层；3、第二频率选择表面结构；4、第一缝隙型单元；5、第二缝隙型单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

正如背景技术所提到的，为了解决现有基于频率选择表面的吸波结构在从L波段至U波段超宽频带范围内无法实现连续吸波的问题，本发明实施例提供一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，如图1-3所示，该结构包括介质层2，以及设置在所述介质层2两侧的第一频率选择表面结构1和第二频率选择表面结构3，其中：第一频率选择表面结构1由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第一缝隙型单元4构成，且任意所述第一缝隙型单元4与其相邻的第一缝隙型单元4均相接；所述第二频率选择表面结构3由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第二缝隙型单元5构成；且所述第一频率选择表面结构1的蜂窝栅格中心间距与所述第二频率选择表面结构3的蜂窝栅格中心间距相等；所述第一缝隙型单元4采用具有特定方阻的电阻材料制成，所述第二缝隙型单元5采用金属材料制成，所述第一缝隙型单元4和所述第二缝隙型单元5的形状相同且所述第一缝隙型单元4的外周长大于所述第二缝隙型单元5的外周长。

本发明实施例提供的宽带电磁波吸收结构，通过在介质层2的两侧分别设置电阻材质第一频率选择表面结构1的和金属材质的第二频率选择表面结构3，一方面利用了电阻材质优良的吸波特性和金属频率选择表面结构由于谐振产生的优良的宽频特性，另一方面，通过介质层2将频率选择表面结构隔离形成立体的单元结构，有利于电阻材质的第一频率选择表面结构1实现高频吸波特性，此外，作为另一项重要之处在于：在上述所形成的立体单元结构基础上，设计多个第一缝隙型单元4呈蜂窝型栅格周期排列且任意所述第一缝隙型单元4与其相邻的第一缝隙型单元4均相接；多个第二缝隙型单元5呈蜂窝型栅格周期排列；同时两者蜂窝栅格中心间距相等；以及第一缝隙型单元4和第二缝隙型单元5的形状相同且第一缝隙型单元4的外周长大于第二缝隙型单元5的外周长。此种特定比例关系的设计和空间构造实现了电磁波吸收结构的低频吸波特性，由于吸波特性在低频和高频两个方向的波段扩展，本发明实施例的宽带电磁波吸收结构实现了从L波段至U波段的超宽频带连续吸波特性。

本实施例中，如图2和3所示，任意所述第一缝隙型单元4与其相邻的第一缝隙型单元4均相接即表明任意所述第一缝隙型单元4之间为无缝隙排列，而由于第一频率选择表面结构1的蜂窝栅格中心间距与所述第二频率选择表面结构3的蜂窝栅格中心间距相等，且第一缝隙型单元4和第二缝隙型单元5的形状相同，第一缝隙型单元4的外周长大于所述第二缝隙型单元5的外周长。可见若要满足该条件，多个第二缝隙型单元5必须为间隔周期排列。这样设计将会在介质层2一侧面形成无缝隙的且尺寸大的频率选择表面结构，同时在与该侧面相背的另一侧面形成单元间隔排列的且尺寸小的频率选择表面结构，这样的空间立体构造和特定比例关系的设计使得电磁波吸收结构的实现了低频吸波特性。

本实施中，多个第一缝隙型单元4采用蜂窝型栅格周期排列且周期尺寸相等；多个第二缝隙型单元5采用蜂窝型栅格周期排列且周期尺寸相等。

作为本发明一种实施例，为了实现第一频率选择表面结构1和第二频率选择表面结构3制备，第一频率选择表面结构1可以采用丝网印刷工艺将具有特定方阻的浆料印制于介质层2上；第二频率选择表面结构3可通过掩膜刻蚀工艺在聚酰亚胺或FR-4薄膜上形成。由此可见，第一频率选择表面结构1即为一层薄膜电阻层，第二频率选择表面结构3即为一层金属层。

本实施例中，为了实现金属层与介质层2的连接，可采用粘接等方式将金属层设置到介质层2上。

作为本发明一种实施例，为了保证吸收结构从L波段到U波段的宽频带范围内的吸波特性，电阻材料的方阻为p，且p＝100～350Ω/□。通过将电阻材料的方阻限定在特定范围，由于频率选择表面结构具有谐振特性，超出所述方阻p的取值范围，吸波特性的频段可能发生变化。

作为本发明一种实施例，为了便于与第一频率选择表面结构1和第二频率选择表面结构3连接，介质层2可以采用聚酰亚胺或FR-4制成。

作为本发明一种实施例，为了便于仿真试验中缝隙型单元中各参数的调节，所述第一缝隙型单元4和所述第二缝隙型单元5均为正多边形环或圆环，但不限于此。

本实施例中，如图2-3所示，为了更好的实现超宽频带连续吸波特性，所述第一缝隙型单元4和所述第二缝隙型单元5均为正六边形环。

在本实施例中，为了更好的实现超宽频带连续吸波特性，如图2所示，对于任意所述第一缝隙型单元4：正六边形环的内边长为b，外边长为c，蜂窝栅格中心间距为f₁，其中，c＝1.4～3mm，b＝(c-0.1)～(c-0.3)mm，

该实施例中，b＝(c-0.1)～(c-0.3)，即当c取1.4～3中的任意值时，例如去1.4时，则b为1.3～1.1，也即b可以根据效果需要在这个范围任意取值。

同时，如图3所示，对于任意所述第二缝隙型单元5：正六边形环的内边长为d，外边长为e，蜂窝栅格中心间距为f₂，蜂窝栅格夹角为α，其中，e＝0.3～0.7mm，d＝(e-0.1)～0mm，

α＝60°。

此外，本领域技术人员应当理解，上述各个参数例如a、p、b、c、d、e的具体值可以在所述值域内根据仿真进行调整以获取最优的效果。

作为本发明一种实施例，为了获取宽频带范围内的更好的吸波特性，对于任意所述第二缝隙型单元5，均存在一个第一缝隙型单元4使两者之间满足：所述第二缝隙型单元5的中心与所述第一缝隙型单元4的中心同轴设置(也即共中心轴设置)。通过此种配置方式，对于所述的第一缝隙型单元4和第二缝隙型单元5来说，呈一一对应设置，且对应设置的第一缝隙型单元4和第二缝隙型单元5的中心同轴设置，这时，当第二缝隙型单元5投影到对应的第一缝隙型单元4上时，正好处于第一缝隙型单元4内，这是的第二缝隙型单元5可看作花朵的“花蕊”。通过此种设计方式，能够使得吸收结构具有在宽频带范围内更优异的吸波特性。

作为本发明一种实施例，所述介质层2的厚度为a，a＝1～15mm。本发明实施例通过将介质层2的厚度限定在特定范围，通过限定介质层2厚度可以第一缝隙型单元4与第二缝隙型单元5在不满足上述中心同轴设置的条件下，仍具备宽带电磁波吸收特性，当厚度太大时，此时，若第一缝隙型单元4与第二缝隙型单元5若不是中心共轴单元可能会导致电磁波吸收频段带宽降低；当厚度太小时，不便于介质层2的加工制造。

本实施例中，优选a＝1～12mm。通过将介质层2的厚度限定在该优选范围内，无论第一缝隙型单元4与其对应的第二缝隙型单元5是否为中心同轴设置，本发明实施例提供的吸收结构均能实现即从L波段到U波段的宽频带范围内的吸波特性，且吸波特性更为优异。

本发明实施例相比于现有技术至少具有以下优势：

第一，本发明实施例提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构通过正多边形环结构的薄膜电阻设计实现了优异的高频吸波特性；通过金属正多边形环结构与薄膜电阻正多边形环结构的特定比例关系实现了优异的低频吸波特性，由于吸波特性在低频和高频两个方向的波段扩展，实现了从L波段至U波段的超宽频带连续吸波特性，解决了现有基于频率选择表面的吸波结构在该超宽频带范围内无法实现连续吸波的问题，突破了超材料超宽频带吸波技术的研究难点；

第二，本发明实施例提供的基于频率选择表面的吸波结构具有L波段至U波段的超宽频带吸波特性，因此，隐身武器装备可以采用本发明实施例提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，实现L、S、C、X、Ku、K、Ka、U波段的电磁波隐身，极大提高了武器装备的电磁波隐身频段范围；

第三，本发明实施例提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构可应用于通信、导航、雷达、制导等高科技领域，以满足不同领域的吸波需求，在工程上实现应用。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例1

该实施例中的频率选择表面结构在满足如图1-3所示结构的基础上进行，其中：

a＝12，p＝350，c＝1.4，e＝0.7，α＝60°，结构其余参数取为b＝(c-0.1)＝1.3，d＝(e-0.1)＝0.6，

该实施例的电性能计算结果如图4所示：图4示出了根据本发明实施例1提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构的吸波特性仿真结果，通过吸波特性曲线可以看到，在0.3GHz-63GHz的超宽频带内，该吸波结构的吸波特性≤-10dB。

实施例2

该实施例中的频率选择表面结构在满足如图1-3所示结构的基础上进行，其中：

a＝12，p＝350，c＝3，e＝0.7，α＝60°，结构其余参数取为b＝(c-0.1)＝2.9，d＝(e-0.1)＝0.6，

该实施例的电性能计算结果如图5所示：图5示出了根据本发明实施例2提供的基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构的吸波特性仿真结果，通过吸波特性曲线可以看到，在0.3GHz-63.2GHz的超宽频带内，该吸波结构的吸波特性≤-10dB。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述宽带电磁波吸收结构包括介质层，以及设置在所述介质层两侧的第一频率选择表面结构和第二频率选择表面结构，其中:

所述第一频率选择表面结构由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第一缝隙型单元构成，且任意所述第一缝隙型单元与其相邻的第一缝隙型单元均相接；所述第二频率选择表面结构由呈蜂窝型栅格周期排列的多个第二缝隙型单元构成；且所述第一频率选择表面结构的蜂窝栅格中心间距与所述第二频率选择表面结构的蜂窝栅格中心间距相等；所述第一缝隙型单元采用具有特定方阻的电阻材料制成，所述第二缝隙型单元采用金属材料制成，所述第一缝隙型单元和所述第二缝隙型单元的形状相同且所述第一缝隙型单元的外周长大于所述第二缝隙型单元的外周长。

2.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述介质层的厚度为a，a＝1～15mm，优选a＝1～12mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述第一缝隙型单元和所述第二缝隙型单元均为正多边形环或圆环。

4.根据权利要求3所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述第一缝隙型单元和所述第二缝隙型单元均为正六边形环。

5.根据权利要求4所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：对于任意所述第一缝隙型单元：正六边形环的内边长为b，外边长为c，蜂窝栅格中心间距为f₁，其中，c＝1.4～3mm，b＝(c-0.1)～(c-0.3)mm，

6.根据权利要求5所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：对于任意所述第二缝隙型单元：正六边形环的内边长为d，外边长为e，蜂窝栅格中心间距为f₂，蜂窝栅格夹角为α，其中，e＝0.3～0.7mm，d＝(e-0.1)～0mm，

α＝60°。

7.根据权利要求3-6任一项所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：对于任意所述第二缝隙型单元，均存在一个第一缝隙型单元使两者之间满足：所述第二缝隙型单元的中心与所述第一缝隙型单元的中心同轴设置。

8.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述电阻材料的方阻为p，且p＝100～350Ω/□。

9.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述第一频率选择表面结构采用丝网印刷工艺将具有特定方阻的浆料印制于所述介质层上制得；所述第二频率选择表面结构通过掩膜刻蚀工艺在聚酰亚胺或FR-4薄膜上形成。

10.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的宽带电磁波吸收结构，其特征在于：所述介质层采用聚酰亚胺或FR-4制成。

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