CN111478050A - 一种柔性电磁散射调控结构及其制作方法 - Google Patents

一种柔性电磁散射调控结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔性电磁散射调控结构，包括柔性介质层和设置在柔性介质层上的导电图案，所述导电图案包括阵列排布的导电单元，纵向相邻的两个导电单元间通过变容二极管相连，横向相邻的两个导电单元间通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置。本发明还提供了该电磁散射调控结构的制作方法。利用该柔性电磁散射调控结构可以实现柔性共形覆盖，在电子对抗中发挥更大的作用，大大降低武器装备被侦测到的概率，提高其生存能力。

Description

一种柔性电磁散射调控结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽技术领域，特别地，涉及一种柔性电磁散射调控结构及其制作方法。
背景技术
电磁散射特征控制材料具有控制入射电磁波反射特性的能力，通常用频率选择表面来实现。可调的频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是具有控制入射波透射、反射特性并且能够调节该特性的一种结构，其功能相当于传输特性可调的空间滤波器。在调频通信抗干扰、智能雷达罩、电子对抗等领域得到了应用。
但是，传统电磁散射调控结构主要采用印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)工艺来加工制作，存在尺寸受限、成本较高、难以共形等缺陷，限制了其实际应用性，无法满足装备电磁兼容与防护中对大面积、轻质、低成本、柔性共形FSS的迫切需求。而现有基于增材工艺的FSS都集中在传统无源FSS的设计，如在柔性织布或PET基材上加工无源FSS结构，其频率特性是固定的，难以应用于电磁散射调控。
Syed Abdullah Nauroze等人在纤维素纸上加工了全喷墨打印的柔性可调频率选择表面，使用Miura折纸结构得到FSS结构的工作频率可调性，但该结构需通过折叠实现频率调谐，无法做到共形，且实际操作困难。
国内的崔铁军团队研发了一种电磁编码超材料，每个编码单元可通过二极管的开和关来获得不同的相位响应，结合FPGA可以实现电磁波的散射控制。但是，这种超材料需要采用PCB工艺加工到基材之上，并且需要设计通孔供电网络，结构复杂，成本较高，无法大面积生产应用。另外，该结构需要对FPGA和二极管进行正向电压供电，功耗高。
本发明利用新型的加工工艺--增材工艺设计谐振频率可调的柔性电磁散射调控结构，来实现电磁散射调控特性。这种新型的增材工艺，例如丝网印刷(Screen Printing)和电流体打印技术，具有非接触、大面积、复杂曲面打印、高分辨率的特点，不但可以在平面上印刷，也可以在曲面、球面及凹凸面的承印物上进行打印，突破了传统PCB工艺尺寸受限、基材单一、成本高的局限。
发明内容
本发明目的在于提供一种柔性电磁散射调控结构，采用增材工艺技术直接将金属材料加工到基材之上，不需要刻蚀等处理，其不但可以在平面上印刷，也可以在曲面、球面及凹凸面的承印物上进行打印，而且具有非接触、大面积、复杂曲面打印、高分辨率的特点，突破了传统PCB工艺尺寸受限、基材单一、成本高的局限。
为实现上述目的，本发明提供了一种柔性电磁散射调控结构，包括柔性介质层和设置在柔性介质层上的导电图案，所述导电图案包括阵列排布的导电单元，纵向相邻的两个导电单元间通过变容二极管相连，横向相邻的两个导电单元间通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置。
进一步的，所述导电图案通过丝网印刷工艺印刷在柔性介质层上。
进一步的，所述柔性介质层的材质为PET、PI膜或者织布。
进一步的，所述柔性电磁散射调控结构具有两个谐振频率，一个是由导电单元结构产生的固定谐振频率，另一个是由变容二极管控制的可调谐振频率，所述由导电单元结构产生的固定谐振频率大于由变容二极管控制的可调谐振频率的最大值。
进一步的，所述导电单元为中心对称结构。
进一步的，所述柔性电磁散射调控结构整体为单层结构。
本发明还提供了一种上述柔性电磁散射调控结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、首先选取尺寸和间距均与所需调节的谐振频率相匹配的导电单元；
步骤二、采用丝网印刷工艺将导电单元以阵列排布的形式加工到柔性介质层上，同时采用丝网印刷工艺将横向相邻的两个导电单元通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；
步骤三、在纵向相邻的两个导电单元之间设置变容二极管，通过供电网络为变容二极管提供反向直流偏置电压，实现变容二极管电容参数的变化，从而改变谐振频率。
进一步的，步骤一中，通过仿真软件设计导电单元结构的形状、尺寸和间距。
进一步的，步骤二中，利用卷对卷印刷机将导电银浆印刷到柔性基材上以形成阵列排布的导电单元及供电网络。
进一步的，步骤三中，变容二极管的两端通过导电胶分别与纵向相邻的两个导电单元连接，同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的两个变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明为使用增材工艺制作大面积、低成本、高效率、复杂曲面的可调柔性电磁散射调控结构提供了依据。利用该柔性电磁散射调控结构可以实现柔性共形覆盖，大大降低武器装备被侦测到的概率，提高其生存能力。总之，该柔性共形可调电磁散射调控结构可以在电子对抗中发挥更大的作用。
2、与崔铁军团队提出的电磁编码超材料相比，本发明采用的增材工艺技术可以直接将金属材料加工到基材之上，不需要刻蚀等处理，其不但可以在平面上印刷，也可以在曲面、球面及凹凸面的承印物上进行印刷，而且具有非接触、大面积、复杂曲面打印、高分辨率的特点，突破了传统PCB工艺尺寸受限、基材单一、成本高的局限，且具有功耗低的优点。
3、本发明采用平面并联馈电网络结构，制作难度低，并且可以利用简单的直流电源进行馈电，避免了串联电路高电压的潜在隐患，操作安全，可获取性高。且所有二极管处于截至状态，整套系统的功耗很低。通过控制变容二极管的反向偏置电压，该结构的谐振频率可以在3.5GHz到6.0GHz连续变化，随电压改变。
4、本发明设计的基于增材工艺的电磁散射调控结构相比基于PCB工艺的电磁散射调控结构，成本为三分之一，真正具有低成本的特点。并且，基于PCB工艺的电磁散射调控结构尺寸有限，无法大面积制作，限制了电磁散射调控结构的大面积应用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1的导电单元的俯视图；
图2是本发明实施例1的导电单元的侧视图；
图3是本发明实施例1的电磁散射调控结构的整体结构示意图；
其中，1、介质层，2、导电单元，3、变容二极管，4、横向直流偏置线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
一种柔性电磁散射调控结构，包括柔性介质层1和设置在柔性介质层上的导电图案，所述导电图案包括阵列排布的导电单元2，纵向相邻的两个导电单元2间通过变容二极管3相连，横向相邻的两个导电单元2间通过横向直流偏置线4相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；同一横列设置的变容二极管3极性相同，纵向相邻设置的变容二极管极性3相反，所有变容二极管3并联设置。
所述导电图案通过丝网印刷工艺印刷在柔性介质层上。所述柔性电磁散射调控结构的整体结构为单层结构。
优选的，所述柔性介质层的材质为PET、PI膜(聚酰亚胺)或者织布等柔性基材。
所述导电单元为中心对称结构，所述导电单元结构为中心连接型导电单元结构、环形导电单元结构或者由中心连接型和环形导电组成的组合导电单元结构，其形状结构可以根据实际应用方向来选择。
所述导电单元的尺寸大小以及相邻单元之间的间距与所需调节的频段相关。所述柔性电磁散射调控结构具有两个谐振频率，一个是由导电单元结构产生的固定谐振频率，另一个是由变容二极管控制的可调谐振频率，所述由导电单元结构产生的固定谐振频率大于由变容二极管控制的可调谐振频率的最大值，以不影响变容二极管对谐振频率的调节。
上述的一种柔性电磁散射调控结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、首先在CST仿真软件中设计导电单元结构，选取与实际应用相匹配的导电单元的形状、尺寸和间距；
步骤二、采用丝网印刷工艺，通过全自动卷对卷印刷机将导电银浆印刷直接印刷到柔性介质层上，并将导电单元结构以阵列排布的形式加工到柔性介质层上，同时采用丝网印刷工艺将横向相邻的两个导电单元通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；
步骤三、在纵向相邻的两个导电单元之间设置变容二极管，变容二极管的两端通过导电胶分别与纵向相邻的两个导电单元连接，同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的两个变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置；同时通过供电网络为变容二极管提供反向直流偏置电压，实现变容二极管电容参数的变化，从而改变谐振频率。
实施例1：
参见图1至图3，本实施例在简单十字形结构和纳粹十字型结构的基础上，通过弯曲两端的金属臂，设计了中心连接的方形螺旋单元作为导电单元2。根据Ben A.Munk教授的推论，该导电单元为中心对称结构，模式互作用零点相对较高，从而有很好的角度和极化稳定性。并且该柔性电磁散射调控结构的导电单元尺寸很小，阵元间距更小，由栅瓣公式可知，减小导电单元间距可以提高栅瓣出现的频率，角度和极化稳定性更高。
该导电单元结构详细的尺寸如下表1所示，其中w表示金属线宽，s表示金属到单元边界的距离，a表示单元尺寸，t表示金属厚度，h表示介质层厚度，分别对应图1和图2中各参数。
表1中心连接型单元具体尺寸
参数 w s a t h
参数值/mm 0.4 0.8 6 0.028 0.12
本实施例设计的整体结构如图3所示，一种柔性电磁散射调控结构，包括柔性介质层和设置在柔性介质层上的导电图案，所述导电图案包括阵列排布的导电单元，纵向相邻的两个导电单元间通过变容二极管相连，横向相邻的两个导电单元间通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置。本实施例中选择SMV-2020变容二极管作为对象，其封装电感Ls为0.7nH，半导体材料的电阻Rs为2.5Ω，反向漏电流最大为50nA。随着电压从0V升高到20V，SMV-2020的电容可以从3.20pF变化到0.35pF。
本发明利用丝网印刷这一增材工艺在PET介质基材上加工导电图案，选择其厚度为0.12mm，介电常数为3.9。首先根据电磁散射调控结构制作出网板，通过全自动卷对卷丝网印刷机，将导电银浆印刷到柔性基材上，加工出柔柔性电磁散射调控结构样件，其网板参数如表2所示。并利用导电胶绑定的方式将SMV-2020变容二极管绑定到柔性可调的电磁散射调控结构样件上。
表2用于加工柔性电磁散射调控结构的网板参数
Figure BDA0002453607180000051
利用矢量网络分析仪和吸波腔对上述方法制备的柔性电磁散射调控结构样件进行测试。吸波腔两头放置工作频率为1GHz-18GHz的喇叭天线，连接到矢量网络分析仪的两个端口，测量样件的传输系数S21。本次实验用到的吸波腔由多块块状吸波材料搭载而成，中间切割出矩形通道，吸波材料采用AEMI公司生产的AEL-9.0层压式吸波材料，工作频段为400MHz至18.0GHz；矢量网络分析仪型号为AV3672E三维矢量网络分析仪，工作范围为10MHz-67GHz；所使用的喇叭天线工作频带为1GHz到18GHz；使用IT6333A直流电源对样件进行供电，其可输出直流电压范围为0-60V，可输出最大电流为3A，可同时三路输出。
通过调节直流电源的电压，将其从0V调节到20V，进行谐振频率可调性的测试。通过调整承重板倾斜角度的方式测试柔性可调柔性电磁散射调控样件的角度稳定性，将其分别沿柔性电磁散射调控结构的窄边倾斜0°、30°、60°，沿宽边倾斜0°、30°、60°，进行角度稳定性测试。
通过测试，该柔性电磁散射调控结构的谐振频率可在3.5GHz到6.1GHz的范围内连续变化，并且在60°入射角范围内具有良好的角度稳定性，验证了本发明的可行性。
综上所述，本发明为使用增材工艺制作大面积、低成本、高效率、复杂曲面的可调柔性电磁散射调控结构提供了依据。利用该柔性共形柔性电磁散射调控结构可以实现柔性共形覆盖，大大降低武器装备被侦测到的概率，提高其生存能力。总之，该柔性共形可调柔性电磁散射调控可以在电子对抗中发挥更大的作用。
而且，与崔铁军团队提出的电磁编码超材料相比，本发明采用的增材工艺技术可以直接将金属材料加工到基材之上，不需要刻蚀等处理，其不但可以在平面上印刷，也可以在曲面、球面及凹凸面的承印物上进行打印，而且具有非接触、大面积、复杂曲面打印、高分辨率的特点，突破了传统PCB工艺尺寸受限、基材单一、成本高的局限。
本发明采用平面并联馈电网络结构，制作难度低，并且可以利用简单的直流电源进行馈电，避免了串联电路高电压的潜在隐患，操作安全，可获取性高。且所有二极管处于截至状态，整套系统的功耗很低。通过控制变容二极管的反向偏置电压，该结构的谐振频率可以在3.5GHz到6.0GHz连续变化，随电压改变。
根据实验测试，本发明设计的基于增材工艺的电磁散射调控结构相比基于PCB工艺的电磁散射调控结构，成本为三分之一，真正具有低成本的特点。并且，基于PCB工艺的电磁散射调控结构尺寸有限，无法大面积制作，限制了可调FSS的大面积应用。
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。

Claims (10)

1.一种柔性电磁散射调控结构，其特征在于，包括柔性介质层和设置在柔性介质层上的导电图案，所述导电图案包括阵列排布的导电单元，纵向相邻的两个导电单元间通过变容二极管相连，横向相邻的两个导电单元间通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置。
2.根据权利要求1所述的一种柔性电磁散射调控结构，其特征在于，所述导电图案通过丝网印刷工艺印刷在柔性介质层上。
3.根据权利要求1所述的一种柔性电磁散射调控结构，其特征在于，所述柔性介质层的材质为PET、PI膜或者织布。
4.根据权利要求1所述的一种柔性电磁散射调控结构，其特征在于，所述柔性电磁散射调控结构具有两个谐振频率，一个是由导电单元结构产生的固定谐振频率，另一个是由变容二极管控制的可调谐振频率，所述由导电单元结构产生的固定谐振频率大于由变容二极管控制的可调谐振频率的最大值。
5.根据权利要求1所述的一种柔性电磁散射调控结构，其特征在于，所述导电单元为中心对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种柔性电磁散射调控结构，其特征在于，所述柔性电磁散射调控结构为单层结构。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的一种柔性电磁散射调控结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、首先选取尺寸和间距均与所需调节的谐振频率相匹配的导电单元；
步骤二、采用丝网印刷工艺将导电单元以阵列排布的形式加工到柔性介质层上，同时采用丝网印刷工艺将横向相邻的两个导电单元通过横向直流偏置线相连，并在每一横列的两侧设置正负电压供电总线形成供电网络；
步骤三、在纵向相邻的两个导电单元之间设置变容二极管，通过供电网络为变容二极管提供反向直流偏置电压，实现变容二极管电容参数的变化，从而改变谐振频率。
8.根据权利要求7所述的一种柔性电磁散射调控结构的制作方法，其特征在于，步骤一中，通过仿真软件设计导电单元结构的形状、尺寸和间距。
9.根据权利要求7所述的一种柔性电磁散射调控结构的制作方法，其特征在于，步骤二中，利用卷对卷印刷机将导电银浆印刷到柔性基材上以形成阵列排布的导电单元及供电网络。
10.根据权利要求7所述的一种柔性电磁散射调控结构的制作方法，其特征在于，步骤三中，变容二极管的两端通过导电胶分别与纵向相邻的两个导电单元连接，同一横列设置的变容二极管极性相同，纵向相邻设置的两个变容二极管极性相反，所有变容二极管并联设置。
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