CN115360528B - 加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面，包括聚酰亚胺薄膜、位于聚酰亚胺薄膜两侧的栅格电极、位于两个栅格电极外侧的离子液态电解质层、位于两个离子液态电解质层外侧的掺杂聚苯胺材料层、位于两个掺杂聚苯胺材料层外侧的阻抗匹配电介质层和位于两个阻抗匹配电介质层外侧的电容性周期表面层，两个栅格电极正交形成电感性周期表面层。本发明将聚苯胺作为一种功能开关材料，加载到有源FSS结构，将两层栅格切换电极组合设计为一种电感性周期表面，并与电容性周期表面组合，构成一种基于耦合机制的有源FSS结构，形成一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面，它将在抗电磁干扰、隐身，甚至高能微波电磁防护领域都将具有巨大应用价值。

Description

加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面。
背景技术
有源频率选择表面（Active Frequence Selective Surfaces，简称AFSS）通常是由金属结构表面与电子元器件（例如，变容二极管、PIN二极管）或功能开关材料（例如，聚苯胺、液晶材料）或等离子体等复合而成，利用电控、光控或磁控等方式，实现电磁波传输特性的调控。
雷达开关频率选择表面能够实现飞机、导弹、舰船等武器装备电磁窗口时分复用，在天线/导引头工作时，其呈现透波状态，能够正常收发雷达波信号，在天线/导引头不工作时，雷达开关频率选择表面呈现屏蔽状态，威胁雷达波无法透光电磁窗口而产生“腔体效应”，实现了电磁窗口的金属化效果，不仅能够借助电磁窗口的外形达到了降低其雷达散射截面积（RCS），实现了隐身目标，而且还能够提高天线/导引头电磁抗干扰能力。
聚苯胺（PANI）是主链由苯二胺和醌二亚胺两个单元组成的一类长链共轭高分子，它不仅具有良好的导电性能，而且还具有独特的氧化还原可逆性，即不同氧化程度的本征态和掺杂态聚苯胺之间可通过相应的氧化还原反应进行可逆转化。本征态PANI属于一种绝缘态，掺杂态PANI是一种导电态，通过控制氧化还原电位可实现PANI电导率的调控目标。
聚苯胺成为优良的雷达开关器件，一是要求雷达开关不仅可逆而且速度要快，二是要求雷达开关两个状态之间的透波率差值尽可能地高，也就是透波态透过率足够高，屏蔽态透过率尽可能低，三是要求雷达开关启动电压尽可能低。目前公开报道的文献资料大多局限于掺杂聚苯胺的屏蔽态，透波态与屏蔽态的可逆快速切换，使得透波与屏蔽成为掺杂聚苯胺的固有矛盾。
目前，国内外学者基于聚苯胺开发的雷达开关器件均是采用优化掺杂PANI工艺以及切换电极间隔的方法，在掺杂PANI厚度1μm、电导率104S/m、驱动电压10～16.67V/cm时切换速度能够达到5s，逆向变化时间达到7s，显然无法满足工程应用快速切换的要求（<1s）。不仅如此，现有聚苯胺可逆变换次数有限，透波与屏蔽之间的矛盾更加突出，例如，-20dB的电磁屏蔽会使得的透波下降到-1dB以下。
在优化掺杂PANI合成工艺将其电导率提升到105S/m前提下，优化聚苯胺切换电极成为唯一技术途径，现有聚苯胺的切换电极基本是采用栅格电极，如图1所示，栅格电极的间隔越小，切换速度越快，可逆性变化越好，所需驱动电压越低，然后，栅格电极间隔减小的同时，对透波影响较大，如图2所示，不仅如此，电场振动方向与栅格电极平行时，电子会吸收电磁能量，使其对应的极化方向透波进一步降低，而且随着角度的增加，透波损失更大，如图2所示，60°照射下的电磁波透波仅有-20dB，如何解决聚苯胺切换电极极化问题、角度问题成为研制加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面关键技术之一。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，本发明从有源FSS角度出发，创新的提出将聚苯胺作为有源FSS的功能材料，再基于电容性周期表面与电感性周期表面耦合的方法设计雷达开关频率选择表面，其中采用正交的两层栅格电极设计电感性周期表面，最终得到一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面，包括聚酰亚胺薄膜、位于聚酰亚胺薄膜两侧的栅格电极、位于两个栅格电极外侧的离子液态电解质层、位于两个离子液态电解质层外侧的掺杂聚苯胺材料层、位于两个掺杂聚苯胺材料层外侧的阻抗匹配电介质层和位于两个阻抗匹配电介质层外侧的电容性周期表面层，两个栅格电极正交形成电感性周期表面层。
优选地，离子液态电解质层的介电常数在1-6之间，离子液态电解质层的损耗角正切值tanδ≤0.01，离子液态电解质层的厚度为5μm~10μm。
优选地，掺杂聚苯胺材料层的电导率≥106S/m，掺杂聚苯胺材料层的介电损耗在1-3之间，掺杂聚苯胺材料层的厚度为2~3μm。
优选地，阻抗匹配电介质层的相对介电常数εr≤3，低损耗角正切值tanδ≤0.005。
优选地，电容性周期表面层的表面图案为方环形金属贴片。
本发明能够取得以下技术效果：
1、本发明克服了现有围绕聚苯胺开发雷达开关器件或微波快门的约束，即栅格电极严重衰减透波，切换速度慢、聚苯胺屏蔽与透波之间存在固有矛盾等一系列问题；
2、本发明将栅格电极设计为正交两层并置于聚酰亚胺薄膜两侧形成电感性周期结构，恰好作为基于电容性周期表面与电感性周期表面耦合的FSS结构一部分，将大角度照射下垂直栅格电极极化方向的电磁波透波率从-15dB提升到-0.2dB，切换速度从5s缩短到1s；
3、本发明充分结合了FSS、聚苯胺的屏蔽功能，加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面屏蔽态透波率低于-33dB，克服了聚苯胺屏蔽与透波之间存在固有矛盾的问题。
附图说明
图1是传统的聚苯胺微波快门器件的结构示意图；
图2是传统的栅格电极对透波的影响曲线示意图；
图3是本发明提供的加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面的分体结构图；
图4是本发明提供的加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面的合体结构图；
图5是本发明提供的第一电容性周期表面层的结构示意图；
图6是本发明提供的第一栅格电极的结构示意图；
图7是本发明提供的第二栅格电极的结构示意图；
图8是本发明提供的第一栅格电极与第二栅格电极的加电方法示意图；
图9是本发明提供的加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面的仿真曲线示意图；
图10是本发明提供的离子液体电解质的化学结构示意图。
其中的附图标记包括：第一电容性周期表面层1、第一阻抗匹配电介质层2、第一掺杂聚苯胺材料层3、第一离子液态电解质层4、第一栅格电极5、聚酰亚胺薄膜6、第二栅格电极7、第二离子液态电解质层8、第二掺杂聚苯胺材料层9、第二阻抗匹配电介质层10和第二电容性周期表面层11。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明的目的是解决聚苯胺基雷达开关器件或微波快门中，切换电极角度问题、极化问题，抑制聚苯胺透波与屏蔽之间的矛盾，提升聚苯胺基雷达开关切换速度，综合提升聚苯胺基雷达开关器件透波与屏蔽性能。
如图1所示，现有聚苯胺基雷达开关器件基本组成部分都是“掺杂聚苯胺-电解质-栅格电极”三部分组成，栅格电极必然存在极化问题、角度问题，如果将栅格电极利用起来，并作为透波结构的一部分，栅格电极的极化问题、角度问题自然消除，如果将聚苯胺的透波、屏蔽功能分离，由不同结构完成，聚苯胺的透波与屏蔽之间的固有矛盾也将得到缓解。
因此，本发明提出将聚苯胺看作一种功能材料，并采用电容性周期表面、电感性周期表面耦合的方法，设计雷达开关频率选择表面，其基本组成部分是“电容性周期表面-阻抗匹配电介质-聚苯胺-电解质-栅格电极-聚酰亚胺薄膜或聚乙烯薄膜（厚度为50μm以内）-栅格电极”构成，考虑的有源FSS物理与结构对称性，一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面由“电容性周期表面-阻抗匹配电介质-聚苯胺-电解质-栅格电极-聚酰亚胺薄膜或聚乙烯薄膜-栅格电极-电解质-聚苯胺-阻抗匹配电介质-电容性周期表面”11层结构组成。
图3和4分别示出了本发明提供的加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面的分体结构与合体结构。
如图3和图4所示，本发明提供的加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面包括依次排列的第一电容性周期表面层1、第一阻抗匹配电介质层2、第一掺杂聚苯胺材料层3、第一离子液态电解质层4、第一栅格电极5、聚酰亚胺薄膜6、第二栅格电极7、第二离子液态电解质层8、第二掺杂聚苯胺材料层9、第二阻抗匹配电介质层10和第二电容性周期表面层11。
第一电容性周期表面层1和第二电容性周期表面层11的表面图案相同，推荐但不仅限于第一电容性周期表面层1和第二电容性周期表面层11的表面图案为方环形金属贴片。
图5示出了本发明提供的第一电容性周期表面层的结构。
如图5所示，第一电容性周期表面层的周期间隔为T，方环形金属贴片距离周期边缘为s/2，方环形金属贴片边长为L，金属线宽为w，其尺寸需要采用采用电磁仿真软件CST、HFSS、Feko等优化分析加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面周期单元透波性能确定。
第一阻抗匹配电介质层2和第二阻抗匹配电介质层10的相对介电常数εr≤3，低损耗角正切值tanδ≤0.005，厚度需要采用采用电磁仿真软件CST、HFSS、Feko等优化分析加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面周期单元透波性能确定。
第一掺杂聚苯胺材料层3和第二掺杂聚苯胺材料层9中掺杂的聚苯胺的电导率≥106S/m，聚苯胺的介电损耗在1-3之间（0.5-50GHz），聚苯胺的厚度为2~3μm；采用超声波喷涂工艺依次层后用聚酰亚胺膜或聚烯烃膜封装。
第一离子液态电解质层4与第二离子液态电解质层8的介电常数在1-6之间（0.5-50GHz），损耗角正切值tanδ≤0.01，厚度为5μm~10μm。
第一离子液态电解质层4与第二离子液态电解质层8推荐使用的电解质是一种离子液体形式。
图10示出了本发明提供的离子液体电解质的化学结构。
如图10所示，阳离子上碳链长度增加，介电损耗减小，根据电解质相对介电常数低、损耗角正切值小的要求，阳离子推荐使用1-乙基-3-甲基咪唑阳离子（Emim+），阴离子推荐使用Tf2N-、TfO-、PF6 -和BF4 -的离子液体。
图6和图7分别示出了本发明提供的第一栅格电极的结构和第二栅格电极的结构。
如图6和图7所示，第一栅格电极5与第二栅格电极7为正交设置，第一栅格电极5与第二栅格电极7的周期间隔均为T，第一栅格电极5与第二栅格电极7的金属宽度均为2a。第一栅格电极5与第二栅格电极7的具体尺寸需要采用采用电磁仿真软件CST、HFSS、Feko等优化分析加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面周期单元透波性能确定，正交的第一栅格电极5与第二栅格电极7的馈电方式如图8所示。
在本发明中聚酰亚胺薄膜6可以替换成聚乙烯薄膜。
以X波段~Ku波段（8GHz~18GHz）的雷达开关频率选择表面为例：
首选，根据图4所示的雷达开关频率选择表面，在电磁仿真软件中建立一个周期单元模型，其中，
1）电容性周期图案推荐（但不限于）使用方环金属贴片单元，其特征几何尺寸如图5所示，分别是周期间隔为T，金属贴片距离周期边缘为s/2，金属贴片边长为L，金属线宽为w；
2）正交的栅格电极的几何特征尺寸如图6、图7所示，周期间隔为T，金属线宽为2a；
3）阻抗匹配电介质推荐（但不限于）使用聚酰亚胺板材，其相对介电常数εr=3，低损耗角正切值tanδ=0.005；
4）采用图10所示的离子液体化学结构作为离子液态电解质，其相对介电常数εr=4，低损耗角正切值tanδ=0.008，厚度为10μm；
5）采用樟脑磺酸掺杂的聚苯胺作为掺杂聚苯胺材料，其相对介电常数εr=3，低损耗角正切值tanδ=0.005，厚度为3μm；
6）正交的栅格电极之间的薄膜推荐（但不限于）使用聚酰亚胺薄膜，其相对介电常数εr=3，低损耗角正切值tanδ=0.005，厚度为25.4μm。
然后，采用电磁仿真软件CST优化设计加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面，其优化目标是透波态时透过率≥-0.46dB（≥90%），屏蔽态是透波率≤-0.46dB（≤0.1%），利用CST扫参功能，寻找最佳的几何特征，最终获得雷达开关频率选择表面几何特征尺寸为：
1）电容周期表面方环金属贴片单元周期间隔T=2mm，金属贴片距离周期边缘s/2=0.1mm，金属贴片边长为L=1.8mm，金属线宽w=0.2mm；
2）正交的栅格电极的周期间隔T=2mm，金属线宽为2a=0.2mm；
3）两层电介质的厚度均为2mm。
接下来，按照图8所示馈电方式对雷达开关频率选择表面进行馈电，当栅格电极加电时呈现透波状态，当栅格电极不加电时呈现屏蔽态。对标现有驱动电压10～16.67V/cm时切换速度能够达到5s，逆向变化时间达到7s，本发明采用2mm间隔的切换电极，10V驱动电压将使切换速度低于1s，且正向、逆向变换时间一致。
通过仿真分析，屏蔽态的雷达开关频率选择表面透波率≤-33dB，大角度60°、65°及70°照射下，在11GHz~13GHz范围内，透波态尤雷达开关频率选择表面透波率≥-0.2dB。仿真结果如图9所示，当第一栅格电极5与第二栅格电极7未通电时，此时聚苯胺呈现屏蔽态，频率选择表面呈现关闭状态，此时屏蔽效率低于-33dB，当栅格电极通电时，此时聚苯胺作一层微波透波材料，在11GHz~13GHz范围内，在大角度60°、65°、70°照射下，频率选择表面透波率优于-0.2dB。对比现有栅格电极，60°照射下，栅格电极导致聚苯胺透波低于-15dB，如图2。
栅格电极决定了切换速度、切换电压以及聚苯胺的可逆性，所以传统聚苯胺雷达开关器件或微波开关常常加密栅格电极，本发明栅格电极间隔2mm，此时栅格电极对透波的影响非常大，大角度照射下透波率低于-15dB，0°照射下，电场沿着栅格方向振动的电磁波透波低（-10dB）。
最后，采用双面覆铜的聚酰亚胺薄膜（推荐但不限于型号：GHD051312AJB），经过标准印刷线路板（PCB）工艺获得聚酰亚胺薄膜两侧的正交栅格电极，采用单面覆铜聚酰亚胺薄膜（推荐但不限于型号：GSI13R18），经过标准印刷线路板（PCB）工艺获得电容周期表面，采用超声波喷涂工艺一层将离子液体电解质、掺杂聚苯胺涂覆在正交栅格电极两侧，将第一掺杂聚苯胺材料层3、第一离子液态电解质层4、第一栅格电极5、聚酰亚胺薄膜6、第二栅格电极7、第二离子液态电解质层8、第二掺杂聚苯胺材料层9用聚酰亚胺膜或聚烯烃膜封装，并采用聚酰亚胺双面胶（型号：5413）将第一阻抗匹配电介质层2、第一掺杂聚苯胺材料层3之间，第二掺杂聚苯胺材料层9、第二阻抗匹配电介质层10之间胶合，最后得到一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面器件。
本发明采用了一级CLC的FSS结构，C是指电容性周期表面，L是指电感性周期表面，关键是将L层的正交线栅格置于阻抗匹配电介质层的两侧，既能充当CLC的L层又能作为聚苯胺的切换电极，以解决现有的聚苯胺材料存在的双极化、大角度宽角度电磁波传输时，开启时透波率低、关闭时屏蔽效率差的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面，其特征在于，包括聚酰亚胺薄膜、位于所述聚酰亚胺薄膜两侧的栅格电极、位于两个栅格电极外侧的离子液态电解质层、位于两个离子液态电解质层外侧的掺杂聚苯胺材料层、位于两个掺杂聚苯胺材料层外侧的阻抗匹配电介质层和位于两个阻抗匹配电介质层外侧的电容性周期表面层，两个栅格电极正交形成电感性周期表面层；
正交的栅格电极的周期间隔T=2mm，金属线宽为2a=0.2mm；
第一掺杂聚苯胺材料层和第二掺杂聚苯胺材料层中掺杂的聚苯胺的电导率≥106S/m，聚苯胺的介电损耗在1-3之间，掺杂聚苯胺材料层的厚度为2~3μm；
第一离子液态电解质层与第二离子液态电解质层的介电常数在1-6之间，损耗角正切值tanδ≤0.01，所述离子液态电解质层的厚度为5μm~10μm；
第一阻抗匹配电介质层和第二阻抗匹配电介质层的相对介电常数εr≤3，低损耗角正切值tanδ≤0.005，两层电介质的厚度均为2mm；所述电容性周期表面层的表面图案为方环形金属贴片；
当第一栅格电极与第二栅格电极未通电时，此时聚苯胺呈现屏蔽态，频率选择表面呈现关闭状态，此时屏蔽效率低于-33dB，当栅格电极通电时，此时聚苯胺作一层微波透波材料，在11GHz~13GHz范围内，在大角度60°、65°、70°照射下，频率选择表面透波率优于-0.2dB。
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