CN115832715A - 基于ITO薄膜和PMI泡沫的-10dB带宽覆盖S-Ku波段的超宽带吸波材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于ITO薄膜和PMI泡沫的S‑Ku波段的超宽带吸波器，属于磁隐身吸波技术领域。该吸波器为周期性结构的吸波器，由两种吸波结构交叉堆叠而成，第一种吸波结构是在PMI泡沫上加装有ITO薄膜图案的PET贴片，图案为四个互不相交，中心对称的正方形相交于一个位于对称中心的正方形，第二种吸波结构是在PMI泡沫上加装有ITO薄膜图案的PET贴片，图案为两个相同尺寸，垂直相交的长方形。本发明所提出的基于ITO薄膜和PMI泡沫的S‑Ku波段的超宽带吸波器通过良好的设计，可以在S‑Ku波段内实现‑20dB以上的电磁波衰减，在较大角度的TE波入射时，该吸波材料仍然可以获得高吸收率，具有良好的吸波效果。
Description
技术领域
本发明涉及电磁隐身吸波技术领域，尤其涉及一种兼具极化不敏感与宽角度稳定的超宽带吸波材料。
现有技术
在电子信息领域中，电磁辐射常常会引发各种各样的问题，因吸波材料能够将电磁波能量转化为其他形式的能量而备受关注，它可以防止电磁波辐射对设备系统造成干扰，减轻电磁波对人体健康的伤害等。通常所用的电磁吸波材料是碳系吸波材料、铁系吸波材料、陶瓷系吸波材料等。铁系吸波材料质量较重，不适合用于对重量有严格要求的应用领域，而且其存在吸收率低、耐高温性差、高频性能不理想等缺点。陶瓷系吸波材料对热处理时间、粒径等因素影响极其敏感，故而电阻率影响非常大，其随机性就导致无法达到所希望的结果。碳系材料的易团聚的特性使得碳系吸波材料表面的电磁参数难以调节，阻碍了其应用与发展。随着研究者们对微波段吸波材料的研究日益增多，现有的吸波材料已实现了单频吸波、多频吸波以及宽带吸波等多种吸波效果，然而对具有质量轻、吸收频带宽、吸收率高、偏振不敏感、宽角度稳定等优良性能的吸波材料的研究还有所欠缺。
综上所述，现有技术存在的问题包括但不限于以下几个方面：
(1)现有的铁系电磁吸波材料质量密度较大，适用范围受到限制。
(2)现有的陶瓷系、碳系吸波材料由于受到工艺技术方法的因素导致制备困难。
(3)现有吸波材料在兼具厚度薄、质量轻、频带宽、吸收能力强等性能方面还有所欠缺。
发明的目的
电磁吸波材料在军事、民用领域中都具有非常广泛的应用，尤其是超宽带的吸波材料对电磁吸波隐身领域具有重要意义。本专利的目的是提出一种吸收频带宽、吸收能力强、对极化不敏感、宽角度稳定的高效吸波材料，且具有对比重小、抗腐蚀、力学性能良好、制备简便等优点，能够在一定程度上解决上述现有技术所存在的一系列问题。
本发明所提出的基于氧化铟锡(ITO，Indium tin oxide)薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料具有优秀的吸波性能、机械性能以及良好的耐高温性能，采用这种材料进行高效微波吸收的明显优点是可以同时实现电磁、机械和化学的一体化设计。通过这种简单结构宽带吸波材料，可以很容易地达到机械和化学要求，在不改变结构形式的情况下，达到微波吸收效果，得到一种高效微波吸收的超宽带吸波材料。
发明的结构：
该吸波器为周期性结构的吸波器，由两种吸波结构交叉堆叠而成，每种吸波结构数量一致，依次排列，交换位置对结果无显著影响。第一种吸波结构是在PMI泡沫上加装有ITO薄膜图案的PET贴片，图案为四个互不相交，中心对称的正方形相交于一个位于对称中心的正方形，位于对称中心的正方形的边长小于图案总边长。第二种吸波结构是在PMI泡沫上加装有ITO薄膜图案的PET贴片，图案为两个相同尺寸，垂直相交的长方形。PET贴片的厚度无要求，这里选择工业上制作最薄的0.05mm贴片。PMI泡沫厚度视优化结果而定。
本发明所提出的基于ITO薄膜和PMI泡沫的S-Ku波段的超宽带吸波器通过良好的设计，可以在S-Ku波段内实现-20dB以上的电磁波衰减，在较大角度的TE波入射时，该吸波材料仍然可以获得高吸收率，具有良好的吸波效果。
附图说明
图1是本发明实施例中第一种结构的结构示意图。
图2是本发明实施例中第二种结构的结构示意图。
图3是本发明实施例中由第一种结构和第二种结构自下而上进行多次堆叠，所得到的基本单元构造。
图 4 是本发明实施例的PMI 介质层示意图，由四层基本单元堆叠而成。
图5是本发明实施例中基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料设计，在TE波、TM波照射下1GHz-18GHz波段内的吸波效果图。
图6是本发明实施例中基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料，TE波垂直入射时， 1GHz-18GHz波段内的仿真结果与实验结果对比图。
图7是本发明实施例中基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料设计，在TE极化波入射角度为0°、30°以及45°时，1GHz-18GHz波段内的仿真与实验结果对比图。
图8是本发明实施例中基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料设计，在TM极化波入射角度为0°、30°以及45°时，1GHz-18GHz波段内的仿真与实验结果对比图。
实施实例
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加明白，以下结合附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。
本发明所提出的基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料通过良好的设计，可以在 C-Ku波段以及部分S波段(3.2GHz-18GHz)内实现超宽频高效电磁吸波。
第1层结构由薄介质层以及其上分布的十字形状的ITO薄膜组成，第2层结构由厚介质层以及其上分布的谐振片形状的ITO薄膜组成。对此2层结构自下而上进行多次堆叠，完成吸波材料的基本单元构造。
基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料是由10*10个基本单元组成，基本单元由多层结构构成，每层结构是由ITO薄膜和PMI泡沫构成。
每层中，PMI泡沫板作为基底材料，其上分布有ITO薄膜。
在第1层中，薄PMI泡沫板作为基底材料，其上分布有十字形状的ITO薄膜，ITO薄膜的基底材料为PET，PET为薄膜结构。详见图1。
在第2层中，厚PMI泡沫板作为基底材料，其上分布有谐振片形状的ITO薄膜，ITO薄膜的基底材料为PET。详见图2。
图1与图2所示的吸波结构堆叠在一起形成一个2层吸波结构，详见图3。
第1层结构的设计参数为：薄泡沫板的厚度为1.2mm，宽度为30mm。十字形状总宽度为30mm，十字形状是由2个矩形组成，矩形的长度为30mm，宽度为7mm。
第2层结构的设计参数为：厚泡沫板单层板的厚度为2.1mm，宽度为30mm。谐振片形状外部正方形宽度为30mm，内部正方形宽度为25mm，4个矩形的长度为12mm，宽度为6mm。
该2层吸波结构的电磁设计参数为：PMI泡沫的相对介电常数为1.08，PMI泡沫的损耗正切角为0.005，PMI泡沫的密度为50kg/m3，ITO薄膜的表面阻抗为300Ω/cm2，PET基底材料的相对介电常数为3.0，PET基底材料的损耗正切为0.06，PET基底材料的电导率为0S/m。
本发明实施例中设计完成的超宽带吸波材料是由4个具有相同结构的2层吸波单元堆叠而成，详见图4。
针对基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料，电磁波为垂直入射，频率区间选定为 1GHz-18GHz。分别进行仿真计算和实际测试，测试系统为弓形架，并利用矢量网络分析仪进行测试。
仿真计算：
基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料，在结构底部设置金属边界条件，电磁波为在TE波、TM波垂直入射下的电磁吸波效果图如图5所示。
从图5中可以看出，在部分S波段(3.2GHz-4GHz)、C波段(4GHz-8GHz)、X波段(8GHz-12GHz)以及在Ku波段(12GHz-18GHz)范围内，吸波材料的功率反射系数达到了 -10dB以下。综合上述波段，在3.2GHz-18GHz的电磁波入射到基于ITO薄膜的吸波材料时，电磁能量会发生-10dB以下的反射，无透射情况。
在电磁波垂直入射情况下，基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料对3.2GHz-18GHz 超宽频段的电磁波可以起到极为高效的电磁吸波效果。
实际测试：
针对基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料，TE波垂直入射时，1GHz-18GHz波段内的仿真结果与实验结果对比图如图6所示。
从图6中可以看出，在X-Ku波段以及部分S波段(3.2GHz-18GHz)，实测结果与仿真结果的数值十分接近，两者的功率反射系数军接近于-10dB。
实施例中的实测结果充分证明了该吸波材料在3.2GHz-18GHz频段内具有优良的电磁吸波特性，吸收效果优异，验证了本发明的正确性。
针对基于ITO薄膜和PMI泡沫的超宽带吸波材料，测试TE波在0°、30°以及45°入射下，1GHz-18GHz波段内的仿真结果与实验结果对比图如图7所示。
从图7可以看出，当入射角度为0°时，在C-Ku波段以及部分S波段(3GHz-18GHz) 范围内，两者功率反射系数达到了-9dB以下。当入射角度为30°时，在3.8GHz-18GHz频段内，两者的功率反射系数达到-10dB以下，吸收效果更好。角度继续增大至45°时，实测结果与仿真结果十分接近，在5.6GHz-18GHz频段范围内，两者的功率反射系数达到-10dB以下。一个有趣的现象是，最小功率反射系数是在角度为45°的情况下得到的，而不是垂直入射情况下得到的。这主要是波以特定的角度照射结构时，周期结构可以引导波沿周期性方向传播，这将增加波的吸收。
实施例中的实测结果充分证明了该吸波材料在3GHz-18GHz频段内，在较大角度的TE 波入射时，该吸波材料仍然可以获得高吸收率，具有良好的吸波效果，验证了发明的正确性。
针对基于PMI泡沫板和ITO薄膜的超宽带吸波超材料，测试TM波在0°、30°以及45°入射下，1GHz-18GHz波段内的仿真结果与实验结果对比图如图8所示。
从图8可以看出，当入射角度为0°时，在C-Ku波段以及部分S波段(3GHz-18GHz) 范围内，两者功率反射系数达到了-9dB以下。当入射角度为30°时，在3.3GHz-18GHz频段内，两者的功率反射系数达到-9.5dB以下，吸波效果更好。角度继续增大至45°时，在 4GHz-18GHz频段内，实测的功率反射系数比仿真的功率反射系数小，即吸收率高，实测结果较好。
实施例中的实测结果充分证明了该吸波材料在3GHz-18GHz频段内具有宽角度稳定性质，吸波性能优异。
Claims (2)
1.基于ITO薄膜和PMI泡沫的S-Ku波段的超宽带吸波器，由两种吸波结构交叉堆叠而成，每种吸波结构数量一致，依次排列，其特征在于，所述两种吸波结构中的第一种吸波结构，是在PMI泡沫上加装有ITO薄膜图案的PET贴片，图案为四个互不相交，中心对称的正方形相交于一个位于对称中心的正方形；所述两种吸波结构中的第二种吸波结构是在PMI泡沫上加装有ITO薄膜图案的PET贴片，图案为两个相同尺寸，垂直相交的长方形。
2.如权利要求1所述的基于ITO薄膜和PMI泡沫的S-Ku波段的超宽带吸波器，其特征在于，所述PET贴片的厚度为0.05mm。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116940093A (zh) * | 2023-05-23 | 2023-10-24 | 安徽大学 | 一种宽频带微波吸波体 |
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2022
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