CN113285242A - 基于耶路撒冷十字图案的电阻性fss宽带吸波结构及其fss单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构及其FSS单元，其中，FSS单元包括自上而下依次层叠的外蒙皮、FSS导电膜、有机高分子衬底、介质层和金属衬底，所述FSS导电膜和有机高分子衬底组合构成FSS电阻层，所述外蒙皮的上端面为电磁波入射分界面。通过对外蒙皮、FSS导电膜的几何图案和面电阻值、介质层的优化设计，使宽频带范围的入射电磁波在吸波结构的表面形成匹配，在结构内部产生损耗。该吸波结构能够实现宽频带吸收，同时具有较薄的厚度、较轻的重量和较好的力学强度。

Description

基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS宽带吸波结构及其FSS 单元

技术领域

本发明涉及电磁隐身技术领域，尤其涉及一种对C、X和Ku波段的电磁波进行吸收，并基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构。

背景技术

随着高分辨率和高可靠性先进探测技术的发展，各种电磁干扰信号不断增强，对于宽带且低反射率的材料要求越来越高。吸波结构是一类通过叠层设计从而有效吸收表面入射电磁波，显著降低目标反射率的功能材料，传统吸波结构主要类型有Salisbury屏、Jaumann吸波结构和磁性吸波结构等，存在吸收频带窄、厚、重、稳定性差的等缺点，在一定应用范围受到了限制。新型FSS吸波结构的出现，克服了衍射效应给传统吸波结构带来的厚度限制，具有吸收频带宽、厚度薄、质量轻、反射率低等优点。FSS是频率选择表面的简称，是一种特定几何形状的周期单元。通过调节FSS结构的形状、尺寸和分布可以调控吸波结构的谐振特性。FSS吸波结构能有效的吸收、衰减入射电磁波而广泛应用于在雷达隐身、电磁屏蔽等电磁防护方面。

目前基于FSS的吸波结构发展迅速，各种几何形状的FSS吸波结构不断被提出，但对于单层耶路撒冷十字单元FSS吸波结构，同时在C、X和Ku波段内的研究目前相对较少，C、X和Ku波段本身有很多应用，包括卫星通信、雷达和信号情报(SIGINT)等的许多航空航天和防务电子系统领域。而现有的FSS吸波结构大多应对单点或多点频率，吸收频段较窄，并且缺乏表层保护，导致实际应用受限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的缺陷，提供一种基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构，用于实现吸波结构在C、X和Ku波段内吸收频带宽、厚度薄、质量轻、反射率低的特性。通过合理的选择材料，优化FSS几何结构和各层的厚度参数，通过丝网印刷工艺控制电阻膜的阻值的大小和均匀性，设计出优良吸收特性的基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构。

有鉴于此，本发明提供了一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，包括：

自上而下依次层叠的外蒙皮、FSS导电膜、有机高分子衬底、介质层和金属衬底，其中FSS导电膜和有机高分子衬底组合构成FSS电阻层，外蒙皮的上端面为电磁波入射分界面。

可选地，外蒙皮的介电常数为ε1，厚度为H1，有机高分子衬底的介电常数为ε3，厚度为H3，介质层的介电常数为ε4，厚度为H4，所述金属衬底的厚度为H5，且1≤ε4≤ε3≤1.5，1≤ε4≤ε1≤5，0≤H3≤H1≤H4≤10mm，H5＝0.2mm。

可选地，FSS导电膜的一个耶路撒冷十字单元边长为D，图案由等宽的十字线和加载的四个短偶极子组成，且十字线的长度为L1，短偶极子的长度为L2，宽度均为W。

可选地，外蒙皮中的材料是石英纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、高硼纤维、氰酸酯树脂CE、环氧树脂EP、聚酰亚胺PI、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的一种或多种复合体；

导电膜中的导电材料是碳纳米管、石墨烯、碳纳米颗粒、碳纤维、银纳米线、氧化锌ZnO、氧化锌锡ZTO、氧化铟锡ITO中的一种或多种复合体；

有机高分子衬底的材质为合成纤维、聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚丙烯PP、聚酰亚胺PI、、聚碳酸酯PC中的一种或多种复合体；

介质层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫PMI、聚氨酯泡沫PU、聚苯乙烯泡沫PS、聚苯乙烯泡沫PS和低密度蜂窝状材料的一种。

金属衬底是由铜、铝、铁中的任意一种与其他金属或非金属掺杂和合金组成。

可选地，低密度蜂窝状材料是石墨纤维、玻璃纤维织物、凯夫拉纤维和芳香族纤维纸等经过树脂浸渍而成的正六边形结构。

可选地，有耶路撒冷十字图案的导电膜是导电油墨经过丝网印刷的工艺印刷在有机高分子衬底上的。

可选地，导电膜的面电阻值为R，且R符合40Ω/□≤R≤70Ω/□。

可选地，各层之间均由压敏干胶粘结。

本发明还提供了一种由矩形周期排列的宽带吸波结构，包括M×N个上述的基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其中各个基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元在二维平面内周期性排列，M≥10，N≥10。

本发明的有益效果：

本发明是一种基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，对于本发明的吸波结构最外层，采用了力学性能较强的复合材料作为外蒙皮，能有效保护FSS导电膜和其他内部结构，有效抵御外界自然环境(如曝晒、风化、雨蚀、盐雾)的影响和免受力学冲击的破坏。

第二，本发明的吸波结构中，在有机高分子层的上表面印制有耶路撒冷十字图案导电膜，提供了一个谐振频率，仿真结果表明，本发明在反射率小于-10dB的情况下，可以达到较宽的频带，并且能够在8.3GHz～16.8GHz频带范围内反射率小于-20dB。

第三，本发明的吸波结构中的导电膜是导电油墨经过丝网印刷工艺印刷而成，能很好地控制面电阻的均匀性和阻值，无需刻蚀加工，易于制备和批量生产。

附图说明

图1为本发明FSS吸波结构的立体结构示意图。

图2为本发明耶路撒冷十字图案导电膜的结构示意图。

图3为本发明实例1所对应的反射率曲线。

图4为本发明实例1所对应的吸收率曲线。

图5为本发明实例2所对应的反射率曲线。

图6为本发明实例2所对应的吸收率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细描述。

本发明的宽带吸波结构包括M×N个在二维平面内周期性排列的FSS单元，其中M≥10，N≥10，其特征在于包括自上而下依次层叠的外蒙皮1、FSS导电膜2、有机高分子衬底3、介质层4和金属衬底5，印制面电阻值为R的耶路撒冷十字形导电膜1和有机高分子衬底2共同组成电阻层。外蒙皮1的上端面为电磁波入射分界面。

外蒙皮1的介电常数为ε1，厚度为H1，有机高分子衬底3的介电常数为ε3，厚度为H3，介质层4的介电常数为ε4，厚度为H4，所述金属衬底5的厚度为H5，且1≤ε4≤ε3≤1.5，1≤ε4≤ε1≤5，0≤H3≤H1≤H4≤10mm，H5＝0.2mm。

FSS导电膜2的一个耶路撒冷十字单元边长为D，图案由等宽的十字线和加载的四个短偶极子组成，且十字线的长度为L1，短偶极子的长度为L2，宽度均为W。

外蒙皮1中的材料是石英纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、高硼纤维、氰酸酯树脂CE、环氧树脂EP、聚酰亚胺PI、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的一种或多种复合体；

导电膜2中的导电材料是碳纳米管、石墨烯、碳纳米颗粒、碳纤维、银纳米线、氧化锌ZnO、氧化锌锡ZTO、氧化铟锡ITO中的一种或多种复合体；

有机高分子衬底3的材质为合成纤维、聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚丙烯PP、聚酰亚胺PI、、聚碳酸酯PC中的一种或多种复合体；

介质层4为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫PMI、聚氨酯泡沫PU、聚苯乙烯泡沫PS、聚苯乙烯泡沫PS和低密度蜂窝状材料的一种。

金属衬底5是由铜、铝、铁中的任意一种与其他金属或非金属掺杂和合金组成。

低密度蜂窝状材料是石墨纤维、玻璃纤维织物、凯夫拉纤维和芳香族纤维纸等经过树脂浸渍而成的正六边形结构。

耶路撒冷十字图案的导电膜(2)是导电油墨经过丝网印刷的工艺印刷在有机高分子衬底3上的，导电膜厚度H2由所需面电阻值确定。导电膜(2)的面电阻值为R，且R符合40Ω/□≤R≤70Ω/□。

各层之间均由压敏干胶粘结，以保证各层之间的良好的附着力和厚度均匀性。

本发明的有益效果：

本发明是一种基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，对于本发明的吸波结构最外层，采用了力学性能较强的复合材料作为外蒙皮，能有效保护FSS导电膜和其他内部结构，并能在一定程度上抵抗外界环境的破坏，延长该结构的使用寿命。

第二，本发明的吸波结构中，在有机高分子层的上表面印制有耶路撒冷十字型导电膜，提供了一个谐振频率，仿真结果表明，本发明在反射率小于-10dB的情况下，可以达到较宽的频带，并且能够在8.3GHz～16.8GHz频带范围内反射率小于-20dB。

第三，本发明的吸波结构中的导电膜是通过丝网印刷工艺印刷而成，能很好地控制面电阻的均匀性和阻值，无需刻蚀加工，易于制备和批量生产。

实施例1：

如图1、2所示的一种基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构，包括M×N个在二维平面内周期性排列的FSS，其中M≥10，N≥10，其特征在于包括自上而下依次层叠的外蒙皮、FSS导电膜、有机高分子衬底、介质层和金属衬底，印制面电阻值为R的耶路撒冷十字形导电膜和有机高分子衬底共同组成电阻层。外蒙皮的上端面为电磁波入射分界面。

在此实施例中，对于材料的选择，外蒙皮采用了石英纤维/氰酸酯树脂复合材料，所对应的介电常数为4.3*(1-j0.002)，导电膜采用导电油墨，控制面电阻值为40Ω/□，有机高分子层采用了聚对苯二甲酸乙二酯PET，所对应的介电常数为2.4*(1-j0.003)，介质层采用高发泡的聚聚氨酯PU泡沫，所对应的介电常数为1.03*(1-j0.007)，采用铝板作为金属衬底，中间粘接层的压敏干胶介电常数为3.0*(1-j0.003)。设定单元个数M＝N＝20，单元的边长D为10mm，外蒙皮的厚度H1为0.2mm，有机高分子层的厚度H3为0.02mm，介质层厚度H4为8mm。对于耶路撒冷十字图案的几何尺寸，L1＝6.2mm，L2＝3.6mm，W＝1.8mm。

实施例2：

实施例2与实施例1的结构相同，仅如下参数做了调整：

外蒙皮和介质层均采用了用高发泡的聚甲基丙烯酰亚胺PMI泡沫材料，所对应的介电常数为1.03*(1-j0.007)，导电膜的面电阻为50Ω/□，有机高分子层聚碳酸酯PC，所对应的介电常数为3.0*(1-j0.003)。单元个数M＝N＝25，外蒙皮的厚度H1为3mm，有机高分子层的厚度H3为0.03mm，介质层厚度H4为5mm，整体单元的边长D为8mm。耶路撒冷十字图案的几何尺寸中，L1＝5.2mm，L2＝2.6mm，W＝1.3mm。

以上实例对本发明的吸波结构进行了证明，该结构通过以下仿真试验，可对本发明的技术效果作进一步说明:

1、仿真条件和内容:

利用商业仿真软件CST-2019对现有技术和本发明在2～20GHz频段内入射电磁波的反射率进行仿真计算，结果如图3～5所示。图3和图4分别为实例1所对应的基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构的反射率曲线和吸收率曲线，图5和图6分别为实例2所对应的基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构的反射率曲线和吸收率曲线。

2、仿真结果分析:

由图3和图4可知，吸波结构在4.1GHz和11.1GHz两个频点处产生了吸收零点，并且在3.3GHz～13GHz频段内反射率低于-10dB，即对电磁波能量的吸收超过90％。通过优化调节，可得到如图5和图6的实验结果，由图中可知，吸波结构在9.5GHz和15.0GHz两个频点处产生了吸收零点，在6.4GHz～19.8GHz频段内反射率低于-10dB，即吸收超过90％，并且在8.3GHz～16.8GHz宽频段内反射率可以达到-20dB以下，即对电磁波能量达到超过99％的吸收。

以上仿真结果说明,本发明在C、X、Ku频段内实现了低反射率和宽频带的吸波特性。

以上描述的仅为本发明的两个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，具体材料的选择、各层材料的厚度、单元图案的尺寸以及导电膜的面电阻值可根据实际需要确定，显然对于本领域的专业技术人员来说,可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种变化，但是这些基于本发明思想的变化仍落入本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，包括：

自上而下依次层叠的外蒙皮(1)、FSS导电膜(2)、有机高分子衬底(3)、介质层(4)和金属衬底(5)，所述FSS导电膜(2)和有机高分子衬底(3)组合构成FSS电阻层，所述外蒙皮(1)的上端面为电磁波入射分界面。

2.根据权利要求2所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，所述外蒙皮(1)的介电常数为ε1，厚度为H1，有机高分子衬底(3)的介电常数为ε3，厚度为H3，介质层(4)的介电常数为ε4，厚度为H4，所述金属衬底(5)的厚度为H5，且1≤ε4≤ε3≤1.5，1≤ε4≤ε1≤5，0≤H3≤H1≤H4≤10mm，H5＝0.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，所述FSS导电膜(2)的一个耶路撒冷十字单元边长为D，图案由等宽的十字线和加载的四个短偶极子组成，且十字线的长度为L1，短偶极子的长度为L2，宽度均为W。

4.根据权利要求1所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，所述外蒙皮(1)中的材料是石英纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、高硼纤维、氰酸酯树脂CE、环氧树脂EP、聚酰亚胺PI、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的一种或多种复合体；

所述FSS导电膜(2)中的导电材料是碳纳米管、石墨烯、碳纳米颗粒、碳纤维、银纳米线、氧化锌ZnO、氧化锌锡ZTO、氧化铟锡ITO中的一种或多种复合体；

所述有机高分子衬底(3)的材质为合成纤维、聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚丙烯PP、聚酰亚胺PI、、聚碳酸酯PC中的一种或多种复合体；

所述介质层(4)为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫PMI、聚氨酯泡沫PU、聚苯乙烯泡沫PS、聚苯乙烯泡沫PS和低密度蜂窝状材料的一种。

所述金属衬底(5)是由铜、铝、铁中的任意一种与其他金属或非金属掺杂和合金组成。

5.根据权利要求5所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，所述低密度蜂窝状材料是石墨纤维、玻璃纤维织物、凯夫拉纤维和芳香族纤维纸等经过树脂浸渍而成的正六边形结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，具有耶路撒冷十字图案的FSS导电膜(2)是导电油墨经过丝网印刷的工艺印刷在有机高分子衬底(3)上的，导电膜厚度H2由所需面电阻值确定。

7.根据权利要求1所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，所述FSS导电膜(2)的面电阻值为R，且R符合40Ω/□≤R≤70Ω/□。

8.根据权利要求1所述的一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其特征在于，各层之间均由压敏干胶粘结。

9.一种基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS宽带吸波结构，其特征在于，包括M×N个权利要求1至8中任意一项所述的基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元，其中各个基于耶路撒冷十字图案的电阻性FSS单元在二维平面内周期性排列，M≥10，N≥10。

10.根据权利要求9所述的基于耶路撒冷十字单元的电阻性FSS的宽带吸波结构，其特征在于，所述宽带吸波结构经结构单元矩形周期排列构成。

Images