CN111755835A - 一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构，属于电子材料技术领域。本发明的吸波结构包括上下两层磁性材料层，以及设置在两层磁性材料层支架的电阻膜周期层构成吸波体。上、下两层磁性材料层均为柔性的磁性吸波胶板，且上层磁性材料层的介电常数和磁导率均低于下层磁性材料层。本发明所提供的基于磁性基板的宽带周期吸波结构，在实现宽带吸波材料的薄型化的同时，也提升了低频宽带吸波效果。由于其结构和制备工艺简单，因而制作成本低，可操作性强。

Description

一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构。

背景技术

二战中，雷达作为先进的远距离探测工具的广泛使用，催生了雷达隐身技术的出现。而现代战争中电磁环境越来越复杂，雷达吸波材料作为提高武器装备隐身突防能力的有效手段，也愈发的受到各军事强国的重视。另外，随着手机、微波炉等以电磁波为媒介的技术产品在现实生活各领域的广泛使用，其附带的电磁辐射等电磁污染也对人类的生存健康构成了威胁。因此雷达吸波材料也在信息传输、微波辐射防护等民用领域有着广泛的应用。随着各种电磁设备工作频带的扩展，人们对宽带吸波材料的需求也越来越迫切。

在宽带吸波材料中，多层电介质吸波材料具有频带宽、质量轻、工艺简单和可批量化生产等特点,因而获得了生产商和使用者的青睐。目前常用的轻质宽带吸波结构有：Jaumann吸波体，非均匀吸波体，几何渐变吸波体，蜂窝结构等。这些吸波体都有一个共同的缺点：虽然可通过增大厚度，增加谐振频点，达到谐振叠加宽带吸波的效果，但是其工作带宽受限于厚度，宽带吸波的结果是厚度很大，占用空间。而单层材料的吸波结构虽然降低了结构厚度，但是在低频段很难实现宽频吸波的效果。典型的如：Salisbury吸波屏，Salisbury吸波屏由泡沫表面加载电阻膜构成，它的厚度为中心频率的四分之一波长，将其表面做成频率选择表面图案，则可以调节其工作频带。频率选择表面图案通常所用的图案有方形、十字形和方环等，这些图案受限于本身特点，当厚度小于四分之一波长的频带时，只有一个吸收峰，因而很难实现低频宽带的吸收效果。因此要在降低结构厚度的前提下，如何拓宽雷达吸波体吸收频带带宽成了当前电磁波吸收技术领域的一个亟待解决的问题。

现有技术中公开了一种应用人工电磁介质设计的吸波材料的吸波结构，其结构为上下两层介质板，中间放置一层电阻膜，底层为金属背板。通过上下两层介质板的电损耗耗散一部分电磁能量，中间层电阻膜会产生欧姆损耗，实现宽带吸波。该吸波结构虽然突破了传统的单层吸波材料四分之一波长的限制，能够在实现吸波材料设计的超薄化的同时，通过调节材料内部结构尺寸大小实现吸收频带的拓展。但是该结构在实际应用中仍然存在着缺陷，主要表现为：在低频吸收带宽过窄而达不到应用要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，为解决现有吸波材料在降低结构厚度后，低频宽带吸波效果达不到应用要求的问题，提供了一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构，实现了宽带吸波材料的薄型化,同时也提升了低频宽带吸波效果。

本发明的具体技术方案为：

一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构，包括金属背板和设置在金属背板上表面的吸波体结构；

所述吸波体结构由上层磁性材料层、下层磁性材料层以及设置在上层和下层磁性材料层之间的电阻膜周期层组成；

所述上层磁性材料上层和下层磁性材料层均为柔性的磁性吸波胶板，且上层磁性材料层的介电常数和磁导率均低于下层磁性材料层；其中，上层磁性材料层的介电常数实部为20-12(频散)，虚部为：3-1(频散)；下层磁性材料层的介电常数实部为40-25(频散)，虚部范围：8-1(频散)；

所述电阻膜周期层为m×n个尺寸相同的方形电阻膜单元，按照m行×n列阵列而成，m和n均为大于等于1的整数；阵列过程中，各方形电阻膜单元间保持相同的间距g，且间距g应当满足0＜g＜方形电阻膜单元的边长。

进一步的，所述电阻膜周期层厚度为0.25-0.08mm，方阻R＝250-377Ω；组成电阻膜周期层的方形电阻膜单元为正方形，边长为1.8-2.4mm。

进一步的，所述磁性吸波胶板材料为微米级羰基铁球形颗粒-环氧树脂磁性复合吸波材料。

进一步的，所述上层磁性材料层厚度为1mm，下层磁性材料层的厚度为2mm。

本发明提供的基于磁性基板的宽带周期吸波结构，是基于磁性材料同时具有磁损耗和介电损耗的特性，能够耗散部分电磁波能量。当电磁波入射到本发明的吸波结构后，通过上层磁性材料层的磁损耗和介电损耗，耗散一部分电磁波能量；透过上层磁性材料层的部分电磁在电阻膜周期层形成谐振，将一部分电磁波能量集中透过进入下层磁性材料层中，同时电阻膜周期层也会有部分欧姆损耗。电阻膜周期层、以及构成电阻膜周期层中阵列的方形电阻膜单元的尺寸可调节。通过调节电阻膜周期层和方形电阻膜单元尺寸，可以改变磁性材料层的电磁参数，从而改变进入到材料中电磁波的反射折射波相位。入射电磁波传播过程中部分被材料损耗，部分是由电阻膜带来的欧姆损耗，剩余部分入射波与反射波相消，改变电磁波的入射角度从而达到电磁波被本发明的吸波结构吸收，实现宽带吸波材料的薄型化。

综上所述，本发明所提供的基于磁性基板的宽带周期吸波结构，在实现宽带吸波材料薄型化的同时，也提升了低频宽带吸波效果；由于其结构和制备工艺简单，因而制作成本低，可操作性强。

附图说明

图1是本发明的立体透视图；

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是上、下两层磁性材料层的电磁参数曲线图；

图4是实施例1磁性吸波超材料结构入射角0°时TE和TM仿真结果示意图；

图5是实施例2磁性吸波超材料结构入射角30°时TE和TM仿真结果示意图；

图6是实施例3磁性吸波超材料结构入射角45°时TE和TM仿真结果示意图；

图7是实施例4磁性吸波超材料结构入射角60°时TE和TM仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构，如图1和图2所示，包括：从下向上依次设置的金属背板、下层磁性材料层、电阻膜周期层和上层磁性材料层。所述下层磁性材料层、电阻膜周期层和上层磁性材料层共同构成吸波体。电阻膜周期层为3*6个正方形电阻膜单元，按照3行×6列排列而成。排列过程中，各方形电阻膜单元间保持相同的间距g。本实施方式中，制作该基于磁性基板的宽带周期吸波结构的采用的具体尺寸参数为：电阻膜周期层方阻R＝275Ω，上层磁性材料层的厚度t₂＝1mm,下层磁性材料层厚度t₁＝2mm，方形电阻膜单元边长a＝1.8mm，电阻膜周期层Z轴方向厚度d＝0.08mm，各方形电阻膜单元之间间距g＝0.2mm，电阻膜周期层y轴方向长度l＝12mm，电阻膜周期层x轴方向长度h＝6mm。

所述上、下两层磁性材料层均为微米级羰基铁球形颗粒-环氧树脂磁性制成的柔性吸波胶板，且上层磁性材料层的介电常数和磁导率都低于下层磁性材料层。上下两层磁性材料层的介电常数实部为20-12(频散)，虚部为：3-1(频散)；下层磁性材料层的介电常数实部为40-25(频散)，虚部范围：8-1(频散)。具体的如图3所示，在1-12GHz之间，上层磁性材料层磁导率实部均为3左右，虚部均为1.5左右。在0.5-18GHz之间，上层磁性材料层介电常数实部由17.5逐渐降低到12，虚部由2.7逐渐降低到0.7；下层磁性材料磁导率实部由7.5逐渐降低到0.5，虚部先增加后降低；介电常数实部由40逐渐降低到26，虚部由8逐渐降低到1。

依据本实施方式内容制作的基于磁性基基板的宽带周期吸波结构，对其进行实施验证，当电磁波的入射角分别为0°、30°、45°、60°时，具体验证结果如下：

实施例1

如图4所示，当TE波或者TM波垂直入射的时，利用上述内容制作的基于磁性基板的宽带周期吸波结构进行仿真，仿真结果为：在0.5-18GHz的全频段具有至少-6dB以下的反射系数，其中1-5GHz频段具有-10dB以下的反射系数。

实施例2

如图5所示，当TE波和TM波30°入射的时，利用上述内容制作的基于磁性基胶板的宽带周期吸波结构进行仿真，仿真结果为：在1-18GHz的全频段两种模式都有至少-4dB以下的反射系数，其中1-10GHz频段TM模式具有-6dB以下的反射系数，1-8GHz频段TE模式具有-10dB以下的反射系数。

实施例3

如图6所示，当TE波和TM波45°入射的时，利用上述内容制作的基于磁性基胶板的宽带周期吸波结构进行仿真，仿真结果为：在1-18GHz频段TE波都具有至少-8dB以下的反射系数，在1-18GHz频段TM波具有-4dB以下的反射系数。

实施例4

如图7所示，当TE波和TM波60°入射的时，利用上述内容制作的基于磁性基胶板的宽带周期吸波结构进行仿真，仿真结果为：在0.5-18GHz频段内TM波具有-4dB以下的反射系数，TE波在1-13GHz频段具有-10dB以下的反射系数，实现了宽带吸收效果。

由上所述实施例可知，本发明提供的基于磁性基胶板的宽带周期吸波结构具有极化不敏感的特性，相比现有技术中的吸波结构厚度要薄，两层磁性材料层总厚度控制在3mm，在磁性材料中间层引入周期电阻膜，电磁波在大角度60°入射时本发明的吸波体结构能实现1-13GHz宽频带-10dB以下的大吸收效果，该吸波结构在电磁波吸收以及雷达隐身等领域具有潜在的应用价值。

Claims (4)

1.一种基于磁性基板的宽带周期吸波结构，包括金属背板和设置在金属背板上表面的吸波体结构，其特征在于：

所述吸波体结构由上层磁性材料层、下层磁性材料层以及设置在上层和下层磁性材料层之间的电阻膜周期层组成；

所述上层磁性材料上层和下层磁性材料层均为柔性的磁性吸波胶板，且上层磁性材料层的介电常数和磁导率均低于下层磁性材料层；其中，上层磁性材料层的介电常数实部为20-12频散，虚部为：3-1频散；下层磁性材料层的介电常数实部为40-25频散，虚部范围：8-1频散；

所述电阻膜周期层为m×n个尺寸相同的方形电阻膜单元，按照m行×n列阵列而成，m和n均为大于等于1的整数；阵列过程中，各方形电阻膜单元间设有间距g，且间距g应当满足0＜g＜方形电阻膜单元的边长。

2.根据权利要求1所述的基于磁性基板的宽带周期吸波结构，其特征在于：所述磁性吸波胶板材料为微米级羰基铁球形颗粒-环氧树脂磁性复合吸波材料。

3.根据权利要求1所述的基于磁性基板的宽带周期吸波结构，其特征在于：所述电阻膜周期层厚度为0.25-0.08mm，方阻R＝250-377Ω；组成电阻膜周期层的方形电阻膜单元为正方形，边长为1.8-2.4mm。

4.根据权利要求1所述的基于磁性基板的宽带周期吸波结构，其特征在于：进一步的，所述上层磁性材料层厚度为1mm，下层磁性材料层的厚度为2mm。

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