CN115882234A - 一种近全向隐身电磁吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子材料技术领域，提供一种近全向隐身电磁吸波材料，用以满足工程应用需求；本发明电磁吸波材料呈周期性结构，由若干个周期单元邻接构成，周期单元包括：上层电阻薄膜1、上层泡沫基板2、中层电阻薄膜3、下层泡沫基板4、下层电阻薄膜5与金属基板6；通过三种方阻值的上层、中层与下层电阻薄膜的结构及位置分布的创造性设计实现不同有效谐振模式的组合，最终在低剖面条件下实现超宽带范围内的TE极化和TM极化波的超大角度高效吸收；本发明能够在0.15～0.25λ₀的剖面高度下实现超过相对带宽超过50％的高效率大角度吸波，包括支持TM极化空间波在±82°入射范围内的90％吸收率，支持TE极化空间波在±75°入射范围内的90％吸收率。

Description

一种近全向隐身电磁吸波材料

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及电磁吸波结构领域，具体提供一种近全向隐身电磁吸波材料。

背景技术

现在飞速发展的一/多发多收的多基地雷达组网探测系统，大幅度加强了对隐身目标和低空突防目标的探测能力；要在多基地雷达系统的探测下仍旧实现目标隐身，极化不敏感的全向吸波材料研究成为军事隐身技术发展重点。近年来，科学家们已利用异向介质和光学变换理论等让电磁隐身成为了现实，报道了诸多电磁隐身衣、隐身地毯等；但是，这类异质隐身衣服的工程设计依赖严格的各向异性材料参数调控，样品结构庞大复杂，实际隐身区域或隐身频段十分受限。

因此，综合考虑厚度、重量、吸收带宽、环境承受力和机械强度等条件，发展具备工程实用性的全向吸波材料在军事隐身和工程应用方面均具有重要价值和迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有工程实用性的近全向隐身电磁吸波材料，该电磁吸波结构在兼顾低成本、轻质量、低剖面和宽带吸波需求的条件下，能够在超大入射角度范围内实现任意极化波的高效率吸收，吸收空间几乎涵盖整个半空域，可用于空间电磁吸波以及电磁隐身。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种近全向隐身电磁吸波材料，呈周期性结构，由若干个周期单元邻接构成；其特征在于，所述周期单元包括：上层电阻薄膜1、上层泡沫基板2、中层电阻薄膜3、下层泡沫基板4、下层电阻薄膜5与金属基板6，其中，上层泡沫基板与下层泡沫基板具有一定厚度和强度、用于支撑各层电阻薄膜，下层泡沫基板设置于上层泡沫基板的正下方，上层电阻薄膜设置于上层泡沫基板的上底面、且位于中心位置，中层电阻薄膜设置于上层泡沫基板的下底面、且位于中心位置，下层电阻薄膜包覆于下层泡沫基板的侧面，金属基板设置于下层泡沫基板的下底面、且位于中心位置。

进一步的，所述上层电阻薄膜由8个尺寸相同的上层电阻薄膜单元构成，所述8个上层电阻薄膜单元呈正方形环状排布、且相邻上层电阻薄膜单元间的间距相同。进一步的，所述中层电阻薄膜由4个尺寸相同的中层电阻薄膜单元构成，所述4个中层电阻薄膜单元呈方阵排布、且相邻中层电阻薄膜正方形单元间的间距相同。进一步的，所述上层泡沫基板的底面尺寸大于下层泡沫基板的底面尺寸。

进一步的，所述上层电阻薄膜的方阻值S1的取值范围为100～300ohm/sq，中层电阻薄膜的方阻值S2的取值范围为50～250ohm/sq，下层电阻薄膜的方阻值S3的取值范围为300～500ohm/sq；上、中、下三层电阻薄膜的方阻值满足S2<S1<S3。

进一步的，各层吸波模块均为有耗的谐振结构。

可选地，吸收特性主要由上层电阻薄膜单元、中层电阻薄膜和下层电阻薄膜的等效电尺寸、位置关系和薄膜方阻值决定；同时，吸收特性与各层电阻薄膜的外形相关，为了更好地实现方位角不敏感吸波，上层薄膜电阻单元和中层薄膜电阻单元建议采用正方形结构。

可选地，各层泡沫基板的材料可为发泡泡沫或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫等介电常数接近空气的轻质材料。

可选地，所述电阻薄膜可由ITO、炭黑浆料或石墨烯薄膜等可实现特定方阻值的材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种近全向隐身电磁吸波材料，通过三种方阻值的上层电阻薄膜、中层电阻薄膜与下层电阻薄膜的结构及位置分布的创造性设计实现不同有效谐振模式的组合；具体而言，位于下层的呈立体柱状环形结构(包覆于下层泡沫基板的侧面)的下层电阻薄膜(方阻值S3)工作在垂直金属地板的电单极子模式，可以提供大角度入射条件下的TM极化波吸收特性；位于中层的呈平面结构(设置于上层泡沫基板的下底面，由4个尺寸相同的中层电阻薄膜正方形单元呈方阵排布构成)的中层电阻薄膜(方阻值S2)可以在宽带范围内提供水平极化的电偶极子模式，提供小角度入射条件下的TE极化和TM极化波吸收；位于上层的呈平面结构(设置于上层泡沫基板的上底面，由8个尺寸相同的中层电阻薄膜正方形单元呈正方形环状排布构成)的上层电阻薄膜(方阻值S1)可以在宽带范围内提供水平的环形电流，该环形电路等效为垂直金属地板的磁偶极子模式，可以提供大角度入射条件下的TE极化波吸收特性；通过上述不同极化的偶极子叠加在低剖面条件下实现超宽带范围内的TE极化和TM极化波的超大角度高效吸收。此外，三种电阻薄膜结构均具有旋转对称和轴对称特性，因此，具有方位入射角度不敏感特性。

综合所述三种不同结构、位置及方阻值的电阻薄膜，本发明吸波材料的吸波空域可涵盖近乎半空间，在宽带范围内实现超大角度的任意入射极化波的高效率吸收；具体而言，本发明能够在0.15～0.25λ₀的剖面高度(以90％吸波带宽的下边频对用波长λ₀为参考)下实现超过相对带宽超过50％的高效率大角度吸波，包括支持TM极化空间波在±82°入射范围内的90％吸收率，支持TE极化空间波在±75°入射范围内的90％吸收率。

附图说明

图1为本发明中近全向隐身电磁吸波材料的周期结构排列示意图。

图2为本发明中近全向隐身电磁吸波材料的周期单元结构示意图，其中，阴影标注部分为电阻薄膜覆盖区域，(a)为分层说明示意图，(b)为中层电阻薄膜图形示意图，(c)为顶层电阻薄膜图形示意图；分层说明示意图中，1为上层电阻薄膜，2为上层泡沫基板，3为中层电阻薄膜，4为下层泡沫基板，5为下层电阻薄膜，6为金属基板。

图3为本发明实施例中近全向隐身电磁吸波材料的吸波特性曲线。

图4为本发明实施例中近全向隐身电磁吸波材料在2.5GHz、3.5GHz和4.5GHz处的极坐标吸波特性曲线，其中，(a)为2.5GHz处，(b)3.5GHz处，(c)4.5GHz处。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种近全向隐身电磁吸波材料，其结构如图1所示，所述近全向隐身电磁吸波材料为周期性结构，由若干个周期单元邻接构成；具体而言：

所述周期单元的结构如图2所示，包括：上层电阻薄膜1、上层泡沫基板2、中层电阻薄膜3、下层泡沫基板4、下层电阻薄膜5与金属基板6，其中，上层泡沫基板与下层泡沫基板均呈正四棱柱状，下层泡沫基板设置于上层泡沫基板的正下方，上层电阻薄膜设置于上层泡沫基板的上底面、且位于中心位置，中层电阻薄膜设置于上层泡沫基板的下底面、且位于中心位置，下层电阻薄膜包覆于下层泡沫基板的侧面，金属基板设置于下层泡沫基板的下底面、且位于中心位置，如图2中(a)所示；

所述上层电阻薄膜由8个尺寸相同的上层电阻薄膜正方形单元构成，所述8个上层电阻薄膜正方形单元呈正方形环状排布、且相邻上层电阻薄膜正方形单元间的间距相同，如图2中(b)所示；

所述中层电阻薄膜由4个尺寸相同的中层电阻薄膜正方形单元构成，所述4个中层电阻薄膜正方形单元呈方阵排布、且相邻中层电阻薄膜正方形单元间的间距相同，如图2中(c)所示。

进一步的，所述上层泡沫基板的底边长w1大于下层泡沫基板的底边长w2，且上层泡沫基板的底面面积即为周期单元的面积；

进一步的，所述上层电阻薄膜的方阻值S1的取值范围为100～300ohm/sq，中层电阻薄膜的方阻值S2的取值范围为50～250ohm/sq，下层电阻薄膜的方阻值S3的取值范围为300～500ohm/sq；上、中、下三层电阻薄膜的方阻值满足S2<S1<S3。

需要说明的是：上述近全向隐身电磁吸波材料的基本工作原理为不同的有效谐振模式组合，通过三种方阻值的上层电阻薄膜、中层电阻薄膜与下层电阻薄膜的结构及位置分布的创造性设计实现；具体而言，位于下层的呈立体柱状环形结构(包覆于下层泡沫基板的侧面)的下层电阻薄膜(方阻值S3)工作在垂直金属地板的电单极子模式，可以提供大角度入射条件下的TM极化波吸收特性；位于中层的呈平面结构(设置于上层泡沫基板的下底面，由4个尺寸相同的中层电阻薄膜正方形单元呈方阵排布构成)的中层电阻薄膜(方阻值S2)可以在宽带范围内提供水平极化的电偶极子模式，提供小角度入射条件下的TE极化和TM极化波吸收；位于上层的呈平面结构(设置于上层泡沫基板的上底面，由8个尺寸相同的中层电阻薄膜正方形单元呈正方形环状排布构成)的上层电阻薄膜(方阻值S1)可以在宽带范围内提供水平的环形电流，该环形电路等效为垂直金属地板的磁偶极子模式，可以提供大角度入射条件下的TE极化波吸收特性；通过上述不同极化的偶极子叠加在低剖面条件下实现超宽带范围内的TE极化和TM极化波的超大角度高效吸收。此外，三种电阻薄膜结构均具有旋转对称和轴对称特性，因此，具有方位入射角度不敏感特性。最终，综合上述三种不同结构、位置及方阻值的电阻薄膜，本发明吸波材料的吸波空域可涵盖近乎半空间，在宽带范围内实现超大角度的任意入射极化波的高效率吸收。

进一步的，基于上述工作原理可见，本发明近全向隐身电磁吸波材料满足等比例缩放原则，可以根据工作波长等比例缩放，使近全向隐身电磁吸波材料工作在不同的频段，在工艺精度允许范围内保持稳定吸波特性。

进一步的，下层、中层和顶层的电阻薄膜的方阻值不同，可基于等效电路原理对其进行粗略估计，具体值需要依据电磁模型分析；下层电阻薄膜可单独等效为开路RLC电路，电阻薄膜的方阻值由该等效电路的R值决定，S3的取值范围在300～1000ohm/sq；中层电阻薄膜和金属地板可等效为短路RLC电路，电阻薄膜的方阻值由该等效电路的R值决定，S2的取值范围在50～250ohm/sq；顶层电阻薄膜和相邻周期单元的电阻薄膜构成开路RLC电路，电阻薄膜的方阻值由该等效电路的R值决定，S1的取值范围在100～300ohm/sq。

进一步的，电阻薄膜的作用在于提供宽带有效谐振器，因此，电阻薄膜的实现方法多种多样，在本发明中并无特殊限制，可以采用ITO、石墨烯等片式材料实现，也可以采用碳浆喷刷等方式实现。

进一步的，泡沫基板的作用在于为电阻薄膜提供支撑和着力点，泡沫基板可以由多孔泡沫和闭孔聚甲基丙烯酰亚胺泡沫等实现，也可以采用其他介电常数接近空气的填充材料实现，在本发明中并无特殊限制；并且，本发明强调的是泡沫基板对电阻薄膜的支撑作用，因此，泡沫形状不唯一，能对电阻薄膜提供有效支撑即可；本实施例中采用的正四棱柱状为最为简单有效的形状设计。

更为具体的讲，本实施例以2～5GHz为目标工作频段为例进行说明，具体尺寸参数为：上层泡沫基板的底边长w1＝80mm、侧棱长h1＝20mm，下层泡沫基板的底边长w2＝34mm侧棱长h2＝20mm，上层电阻薄膜正方形单元的边长w3＝12.7mm、单元间距g1＝4mm，中层电阻薄膜正方形单元的边长w4＝27mm、单元间距g2＝12mm，上层电阻薄膜的方阻值S1＝150ohm/sq，中层电阻薄膜的方阻值S2＝122ohm/sq，下层电阻薄膜的方阻值S3＝377ohm/sq。如图3所示为吸波材料的周期等效场模型，用于说明该吸波材料的工作原理，为水平放置的电偶极子和磁偶极子、以及垂直放置的电偶极子和磁偶极子的组合，即每个周期单元与相邻周期单元间的耦合作用可视为四种偶极子模式的叠加。进一步进行仿真测试，本实施例的吸波材料在2.5～4.5GHz频段范围内，当入射角小于75°时、吸波材料对任意水平方位入射的TE极化波的吸收率高于90％，当入射角小于82°时、吸波材料对任意水平方位入射的TM极化波的吸收率高于90％；取2.5GHz、3.5GHz和4.5GHz处的吸收率做进一步说明，如图4所示，在2.5～4.5GHz频段范围内，吸波材料可以对半空余范围内的任意极化波实现无差别吸收，吸收效率大于80％；等比缩放该模型，并对S1、S2和S3值进行微小幅度优化，可得到其余频段工作的轻质量、低剖面、宽带、超大角度吸波材料。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种近全向隐身电磁吸波材料，呈周期性结构，由若干个周期单元邻接构成；其特征在于，所述周期单元包括：上层电阻薄膜(1)、上层泡沫基板(2)、中层电阻薄膜(3)、下层泡沫基板(4)、下层电阻薄膜(5)与金属基板(6)，其中，上层泡沫基板与下层泡沫基板均用于支撑电阻薄膜，下层泡沫基板设置于上层泡沫基板的正下方，上层电阻薄膜设置于上层泡沫基板的上底面、且位于中心位置，中层电阻薄膜设置于上层泡沫基板的下底面、且位于中心位置，下层电阻薄膜包覆于下层泡沫基板的侧面，金属基板设置于下层泡沫基板的下底面、且位于中心位置。

2.按权利要求1近全向隐身电磁吸波材料，其特征在于，所述上层电阻薄膜由8个尺寸相同的上层电阻薄膜单元构成，所述8个上层电阻薄膜单元呈正方形环状排布、且相邻上层电阻薄膜单元间的间距相同。

3.按权利要求1近全向隐身电磁吸波材料，其特征在于，所述中层电阻薄膜由4个尺寸相同的中层电阻薄膜单元构成，所述4个中层电阻薄膜单元呈方阵排布、且相邻中层电阻薄膜正方形单元间的间距相同。

4.按权利要求1近全向隐身电磁吸波材料，其特征在于，所述上层泡沫基板的底面尺寸大于下层泡沫基板的底面尺寸。

5.按权利要求1近全向隐身电磁吸波材料，其特征在于，所述上层电阻薄膜单元尺寸小于中层电阻薄膜单元尺寸。

6.按权利要求1近全向隐身电磁吸波材料，其特征在于，所述上层电阻薄膜的方阻值S1的取值范围为100～300ohm/sq，中层电阻薄膜的方阻值S2的取值范围为50～250ohm/sq，下层电阻薄膜的方阻值S3的取值范围为300～500ohm/sq，三者关系满足S2<S1<S3。

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