CN113394570A - 一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，包括介质基板、印刷在介质基板正面的由有耗频率选择单元排布组成的二维平面周期阵列、金属背板；有耗频率选择单元由边缘交指化的电阻性方环贴片以及金属方贴片嵌套而成。本发明能够在工作频段内达到90％以上的吸波率，同时对于TE、TM极化，俯仰入射角在0～40°范围以及任意方位入射角的入射电磁波，保持较好的性能稳定性。相比于现有技术，本发明的优点是剖面极其低，重量轻，加工较方便，在工作频带内吸波率高，极化稳定性和角稳定性较好，有很好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，涉及一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面及其制作工艺。
背景技术
吸波材料是指能够衰减、损耗、吸收电磁波的电磁材料与电磁结构，通过材料的损耗使得微波频段电磁波能量转换为热能或者其他形式的能量，被广泛应用于雷达隐身、电磁兼容/屏蔽、天线设计等领域。根据吸波体的工作原理可知，通过提高相邻贴片之间的电容可以降低吸波体的谐振频率，若想要将吸波体谐振频率修正至原来的位置，即需要降低介质基板的厚度，因此降低了吸波体的剖面高度。由吸波体工作原理可知，吸波体工作的极化稳定性与角度稳定性与其单元结构有密切关系，因此结构轻便、低剖面的高性能吸波体一直是吸波材料研究重点方向之一。
电路模拟吸波体最早是基于Salisbury屏提出的，Salisbury屏是用于雷达吸波材料的最早一批材料，设计的初期是用于屏蔽敌对雷达对军用飞行器和军用舰艇的探测，即减少飞行器或舰艇表面的雷达散射截面值。但Salisbury屏吸波带宽较窄，作为改进，设计出了Jaumann吸波体，这使得吸波带宽增加，但吸波体剖面高度也随之增加。
Filippo Costa和Agostino Monorchio等人公开了一种具有宽带吸收特性的频率选择天线罩(Filippo Costa and Agostino Monorchio,"A Frequency Selective RadomeWith Wideband Absorbing Properties,"in IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION vol.60,no.6,pp.2740-2747)，通过在5mm厚的介质基板上均匀排布方环电阻薄膜结构的频率选择表面一定程度上有利于解决天线罩工作带宽较窄的问题，但该设计的单元周期较大且剖面较高，极化稳定性与角稳定性较差，满足不了高性能工程应用需求。
可见传统的电路模拟吸波表面剖面高度较高，极大限制了吸波体的使用场景，另外吸波表面对不同入射角维持较好的吸波性能也是各种应用场景所需要的，因此设计出一款低剖面低入射角度敏感性的吸波表面具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面及其制作工艺，在确保吸波体工作性能的同时，解决吸波材料剖面过高以及对于入射角度较为敏感的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，包括介质基板、印制在介质基板正面的二维平面周期阵列、印制在介质基板反面的金属地板，整体结构从上至下依次为二维平面周期阵列、介质基板、金属地板。
进一步地，所述二维平面周期阵列由有耗频率选择单元沿x轴和y轴两个方向周期排布而成。
进一步地，所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元是由一个边缘交指化的电阻性方环贴片和一个金属方贴片组成的嵌套结构，且金属方贴片嵌在电阻性方环贴片左下方的区域。
进一步地，所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元中的电阻性方环贴片每条边的边缘均设有周期性凸起，即交指，相邻两凸起之间形成凹槽，相邻电阻性方环贴片的凸起均互相插入彼此的凹槽中，且凸起与凹槽之间设有缝隙，即交指缝隙。
进一步地，所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元的边缘交指化电阻性方环贴片为有限电导率的均匀电阻性材料制成。
进一步地，所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元的金属方贴片为金属材料制成。
进一步地，所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元的排布周期沿x和y方向均为8.25mm。
进一步地，所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元的边缘交指化电阻性方环贴片的边长为6.4mm，每条边的交指数目为8，宽度为0.2mm，长度为1.6mm，交指缝隙为0.2mm；所述电阻性方环贴片的方阻阻值为8Ω/sq；所述二维平面周期阵列的有耗频率选择单元的金属方贴片边长为6mm，金属厚度为0.035mm。
进一步地，所述介质基板为FR4材料，厚度为1.5mm。
本发明还提供一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面的制作工艺，包括以下步骤：
(1)选取覆铜板的介质芯层用作介质基板，下层金属层用作金属地板；
(2)运用PCB工艺或者雕刻技术在所得覆铜板的上金属层沿x轴和y轴两个方向周期地刻蚀出金属方贴片；
(3)运用丝网印刷或激光雕刻工艺将所设计的边缘交指化的电阻性方环贴片按交指制作标准沿x轴和y轴方向周期地贴覆在介质基板的上表面，在这一步骤应使每一个边缘交指化的电阻性方环贴片无缝包围一个上一步制作出的金属方贴片，即将金属方贴片无缝嵌入电阻性方环贴片的中空区域内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明采用边缘交指化的电阻性方环贴片构成吸波体所必需的有耗频率选择单元，这使得本发明较之传统的吸波体具有剖面低、重量轻、加工和装贴简便的优点；
(2)本发明所采用的二维平面阵列具有一定的旋转对称性，因此本发明的吸波性能对极化方式不敏感，有较好的极化稳定性；
(3)本发明所采用的二维平面周期阵列的单元排布周期较小，因此本发明的吸波性能随不同入射角度的稳定性较好。
本发明的目的、特征及优点将结合实例，参照附图做如下进一步的说明。
附图说明
图1是本发明低剖面低入射角度敏感性的吸波表面的总体结构分解示意图；
图2是本发明的有耗频率选择单元及其背衬介质基板、金属地板的分解示意图；
图3是本发明的有耗频率选择单元的俯视图；
图4是本发明的有耗频率选择单元及其背衬介质基板、金属地板的结构侧视图；
图5是本发明在0°方位入射角、不同俯仰入射角的TE极化波激励下的反射系数幅度频响仿真曲线；
图6是本发明在45°方位入射角、不同俯仰入射角的TE极化波激励下的反射系数幅度频响仿真曲线；
图7是本发明在0°方位入射角、不同俯仰入射角的TM极化波激励下的反射系数幅度频响仿真曲线；
图8是本发明在45°方位入射角、不同俯仰入射角的TM极化波激励下的反射系数幅度频响仿真曲线。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，包括介质基板1、印制在介质基板1正面的二维平面周期阵列2、印制在介质基板1反面的金属地板3。整体结构从上至下依次为二维平面周期阵列2、介质基板1、金属地板3。
所述二维平面周期阵列(2)由有耗频率选择单元沿x轴和y轴两个方向周期排布而成。
所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元是由一个边缘交指化的电阻性方环贴片和一个金属方贴片组成的嵌套结构，且金属方贴片嵌在电阻性方环贴片左下方的区域。
所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元中的电阻性方环贴片每条边的边缘均设有周期性凸起(即交指)，相邻两凸起之间形成凹槽，相邻电阻性方环贴片的凸起均互相插入彼此的凹槽中，且凸起与凹槽之间设有缝隙，即交指缝隙。
所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元的边缘交指化电阻性方环贴片为有限电导率的均匀电阻性材料制成。
所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元的金属方贴片为金属材料制成。
所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元的排布周期沿x和y方向均为8.25mm。
所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元的边缘交指化电阻性方环贴片的边长为6.4mm，每条边的交指20数目为8，宽度为0.2mm，长度为1.6mm，交指缝隙为0.2mm；所述电阻性方环贴片的方阻阻值为8Ω/sq；所述二维平面周期阵列2的有耗频率选择单元的金属方贴片21边长为6mm，金属厚度为0.035mm。
所述介质基板1为FR4材料，厚度为1.5mm。
本发明的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面的制作工艺如下：首先选取介质芯层厚度为1.5mm的双面环氧树脂(FR4)介质基板；所得覆铜板的介质芯层用作介质基板1，下层金属层用作金属地板3；然后运用PCB工艺或者雕刻技术在所得覆铜板的上金属层沿x轴和y轴两个方向周期地刻蚀出边长为6mm的金属方贴片21，周期为8.25mm；最后运用丝网印刷或激光雕刻工艺将所设计的边缘交指化的电阻性方环贴片按交指20宽度为0.2mm、长度为1.6mm，交指缝隙为0.2mm，方阻阻值为8Ω/sq的制作标准沿x轴和y轴方向周期地贴覆在介质基板1的上表面，且排布周期亦为8.25mm，在这一步应使每一个边缘交指化的电阻性方环贴片无缝包围一个上一步制作出的金属方贴片，即将金属方贴片无缝嵌入电阻性方环贴片的中空区域内。
图5、6为本发明在不同角度TE极化波照射下的性能变化情况，当入射波频率在3.55GHz到3.65GHz频段内时，对于0°～360°的全范围方位入射角和0°～40°范围内的俯仰入射角，反射系数幅度均在-10dB以下。图7、8为本发明在不同角度TM极化波照射下的性能变化情况，当入射波频率在3.55GHz到3.65GHz频段内时，对于0°～360°的全范围方位入射角和0°～40°范围内的俯仰入射角，反射系数幅度均在-10dB以下。
所得低剖面低入射角度敏感性的吸波表面单元周期较小且具有一定的旋转对称性，在实现在3.6GHz工作频段附近吸波的同时，也确保了吸波频段内的吸波性能有较好的极化稳定性和角稳定性。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1、本发明采用边缘交指化的电阻性方环贴片构成吸波体所必需的有耗频率选择单元，这使得本发明较之传统的吸波体具有剖面低、重量轻、加工和装贴简便的优点；
2、本发明所采用的二维平面阵列具有一定的旋转对称性，因此本发明的吸波性能对极化方式不敏感，有较好的极化稳定性；
3、本发明所采用的二维平面周期阵列的单元排布周期较小，因此本发明的吸波性能随不同入射角度的稳定性较好。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：包括介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面的二维平面周期阵列(2)、印制在介质基板(1)反面的金属地板(3)，整体结构从上至下依次为二维平面周期阵列(2)、介质基板(1)、金属地板(3)。
2.根据权利要求1所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面。其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)由有耗频率选择单元沿x轴和y轴两个方向周期排布而成。
3.根据权利要求2所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元是由一个边缘交指化的电阻性方环贴片和一个金属方贴片组成的嵌套结构，且金属方贴片嵌在电阻性方环贴片左下方的区域。
4.根据权利要求3所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元中的电阻性方环贴片每条边的边缘均设有周期性凸起，即交指，相邻两凸起之间形成凹槽，相邻电阻性方环贴片的凸起均互相插入彼此的凹槽中，且凸起与凹槽之间设有缝隙，即交指缝隙。
5.根据权利要求4所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元的边缘交指化电阻性方环贴片为有限电导率的均匀电阻性材料制成。
6.根据根据权利要求5所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元的金属方贴片为金属材料制成。
7.根据权利要求6所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元的排布周期沿x和y方向均为8.25mm。
8.根据权利要求7所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元的边缘交指化电阻性方环贴片的边长为6.4mm，每条边的交指(20)数目为8，宽度为0.2mm，长度为1.6mm，交指缝隙为0.2mm；所述电阻性方环贴片的方阻阻值为8Ω/sq；所述二维平面周期阵列(2)的有耗频率选择单元的金属方贴片(21)边长为6mm，金属厚度为0.035mm。
9.根据权利要求1所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面，其特征在于：所述介质基板(1)为FR4材料，厚度为1.5mm。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的低剖面低入射角度敏感性的吸波表面的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取覆铜板的介质芯层用作介质基板(1)，下层金属层用作金属地板(3)；
(2)运用PCB工艺或者雕刻技术在所得覆铜板的上金属层沿x轴和y轴两个方向周期地刻蚀出金属方贴片(21)；
(3)运用丝网印刷或激光雕刻工艺将所设计的边缘交指化的电阻性方环贴片按交指制作标准沿x轴和y轴方向周期地贴覆在介质基板(1)的上表面，在这一步骤应使每一个边缘交指化的电阻性方环贴片无缝包围一个上一步制作出的金属方贴片，即将金属方贴片无缝嵌入电阻性方环贴片的中空区域内。
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| CN114614266A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-06-10 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种x波段带通的吸透一体频率选择表面结构 |
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2021
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