CN116315731A - 一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及吸波材料技术领域，具体设涉及一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体。基于电阻膜的宽频超材料吸波体由正方形结构单元在xy平面内周期延拓而成；所述正方形结构单元包括由上到下依次设置的顶层电阻膜、上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板；所述顶层电阻膜的图案为由两个十字交叉的全等椭圆形组成的中心对称图形；所述上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板在xy平面的投影为同一正方形，所述正方形的边长与周期相等。本发明提供的宽频超材料吸波体具有结构简单、厚度薄、极化稳定的优点，解决了超材料吸波结构吸波带宽不足、极化敏感、结构复杂的问题，并且可以实现12.85‑43GHz范围内的宽频吸波效果。
Description
技术领域
本发明涉及吸波材料技术领域，具体设涉及一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗转变为热能的一类材料。在民用方面，近年来随着电子技术的发展，GHz频段的电子设备和通讯设备在快速增加，由此引起吸波材料广泛应用，如电磁波选择频率吸收、降低电磁干扰，提升设备的电磁兼容，消除或者减少电磁辐射污染等。而在军用方面，在现代化战争中，如何实现精准打击已经成为战争胜负的关键因素，因此实现飞机和潜艇等大型军事装备的雷达隐身性能至关重要。吸波材料通过将入射电磁波转化为热能等其他形式能量从而降低雷达散射面，可以显著提高武器装备的隐身性能，减小被敌方雷达发现的危险，提高生存能力和作战效果。
在吸波材料的设计中，一直遵循薄轻宽强的理念，但是传统的吸波材料比如磁损耗型的铁氧体，羟基铁粉等，虽然能实现在较小厚度下，较宽的吸收带宽和低频下较好的吸收效果，但是其本身密度较大，质量重，且其磁性受居里温度影响，当环境温度较高时，磁性消失，导致吸波性能失效；介电损耗型的碳化硅、碳纤维等，通过增加层数、厚度等也能实现较好的吸波效果，但是存在厚度较厚，制备工艺复杂等缺陷。
超材料作为一种通过人工设计结构，实现天然材料所不具备的物理性能。不同于传统吸波材料，超材料是通过调整结构尺寸实现电磁参数可调，从而实现有效电磁波吸收。超材料吸波结构具有厚度薄，吸收效果好，质量轻等优势，但仍存在吸波带宽不足、极化敏感、结构复杂等缺点。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体。本发明提供的宽频超材料吸波体具有结构简单、厚度薄、极化稳定的优点，解决了超材料吸波结构吸波带宽不足、极化敏感、结构复杂的问题，并且可以实现12.85-43GHz范围内的宽频吸波效果。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体，由正方形结构单元在xy平面内周期延拓而成；所述正方形结构单元包括由上到下依次设置的顶层电阻膜、上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板；所述顶层电阻膜的图案为由两个十字交叉的全等椭圆形组成的中心对称图形；所述上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板在xy平面的投影为同一正方形，所述正方形的边长与周期相等。
上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：
基于电阻膜的宽频超材料吸波体结构简单，忽略电阻膜层和金属层的厚度，结构总厚度仅为3mm；采用中心对称图形，具有极化稳定性。
仿真结果表明，宽频超材料吸波体的吸收频带为12.85-43GHz，在此频带范围内有两个吸收峰20.2GHz和38.7GHz，在20.2GHz实现吸收率94％，相对带宽为107.97％，实现了很好的宽频吸波性能。
相比同类型吸波范围大致相同在12-40GHz区间的电阻膜吸波体，本发明设计的吸波体结构更简单，且吸收带宽更宽。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为基于电阻膜的宽频超材料吸波体结构单元构成示意图；
图2为基于电阻膜的宽频超材料吸波体结构单元局部示意图，其中A为顶层电阻膜，B为中间层电阻膜，C为结构单元侧视图；
图3为实施例1中仿真结果图，A为TE极化下反射系数及吸收率曲线变化图，B为TM极化下反射系数及吸收率曲线变化图；
其中，1为顶层电阻膜，2为上层介质层，3为中间层电阻膜，4为中间层介质层，5为金属背板，a为椭圆长轴长，b为椭圆短轴长，p为结构单元周期，h1为上层介质层厚度，h2为中间层介质层厚度。
具体实施方式
本发明的第一种典型实施方式，一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体，由正方形结构单元在xy平面内周期延拓而成；所述正方形结构单元包括由上到下依次设置的顶层电阻膜、上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板；所述顶层电阻膜的图案为由两个十字交叉的全等椭圆形组成的中心对称图形；所述上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板在xy平面的投影为同一正方形，所述正方形的边长与周期相等。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述周期p为10-12mm。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述椭圆形的长轴长a为8-9mm，短轴长b为2.4-2.8mm。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述顶层电阻膜的方阻值z1为210-240Ω/sq。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述中间层电阻膜的方阻值z2为135-140Ω/sq。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述上层介质层材质为FR-4聚四氟乙烯，相对介电系数εr为4.3，损耗角正切tanθ为0.025。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述中间层介质层材质为Arlon AD 250C，相对介电系数εr为2.5，损耗角正切tanθ为0.0013。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述上层介质层厚度h1为1.3-1.35mm，所述中间层介质层的厚度h2为1.65-1.7mm。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述上层介质层的厚度h1和所述中间层介质层的厚度h2的和为3mm。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述金属背板的材质为铜，所述金属背板的电导率δ＝5.96×107S/m，所述金属背板的厚度为0.015-0.02mm。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，基于电阻膜的宽频超材料吸波体的结构单元为正方形结构，结构单元的周期p＝10.6mm，结构单元由上到下依次为顶层电阻膜1、上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5。上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5在xy平面上的投影相同，为边长与周期相等的正方形。
如图2中的A所示，顶层电阻膜图案由两个十字交叉的全等椭圆形组成，其长轴长a＝8.32mm，短轴长b＝2.52mm，顶层电阻膜。如图2中的B所示，中间层电阻膜图案为正方形，边长与结构单元的周期相等为p＝10.6mm。顶层电阻膜和中间层电阻膜的方阻值分别为z1＝225Ω/sq，z2＝135Ω/sq。
上层介质层采用的FR-4聚四氟乙烯材料，相对介电常数εr＝4.3，损耗角正切tanθ＝0.025。中间层介质层采用的是Arlon AD 250C，相对介电常数εr＝2.5，损耗角正切tanθ＝0.0013。金属背板使用铜，其电导率δ＝5.96×107S/m，铜层的厚度为0.018mm。如图2中的C所示，上层介质层厚度为h1＝1.3mm，中间层介质厚度为h2＝1.7mm；电阻膜层和金属背板的厚度可以忽略不记，结构总厚度仅为3mm。
通过CST软件对结构单元进行建模与仿真，采用频域有限元求解器，x、y方向为Unit Cell周期性边界条件，Z轴正方向为open条件，模拟自由空间开放边界。仿真结果如图3所示，反射系数S11在12.85-43GHz频段范围内均小于-10dB。在此频带范围内有两个吸收峰20.2GHz和38.7GHz，在20.2GHz实现吸收率94％，相对带宽达到了107.97％，实现了很好的宽频吸波性能。同时，对比TE模式和TM模式下的反射系数S11可以看出，该吸波体具有极化不敏感特性。
实施例2
如图1所示，基于电阻膜的宽频超材料吸波体的结构单元为正方形结构，结构单元的周期p＝10mm，结构单元由上到下依次为顶层电阻膜1、上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5。上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5在xy平面上的投影相同，为边长与周期相等的正方形。
如图2中的A所示，顶层电阻膜图案由两个十字交叉的全等椭圆形组成，其长轴长a＝8mm，短轴长b＝2.4mm，顶层电阻膜。如图2中的B所示，中间层电阻膜图案为正方形，边长与结构单元的周期相等为p＝10mm。顶层电阻膜和中间层电阻膜的方阻值分别为z1＝210Ω/sq，z2＝140Ω/sq。
上层介质层采用的FR-4聚四氟乙烯材料，相对介电常数εr＝4.3，损耗角正切tanθ＝0.025。中间层介质层采用的是Arlon AD 250C，相对介电常数εr＝2.5，损耗角正切tanθ＝0.0013。金属背板使用铜，其电导率δ＝5.96×107S/m，铜层的厚度为0.02mm。如图2中的C所示，上层介质层厚度为h1＝1.3mm，中间层介质厚度为h2＝1.7mm；电阻膜层和金属背板的厚度可以忽略不记，结构总厚度仅为3mm。
通过CST软件对结构单元进行建模与仿真，采用频域有限元求解器，x、y方向为Unit Cell周期性边界条件，Z轴正方向为open条件，模拟自由空间开放边界。仿真结果显示，吸波体吸收频段范围为12.47-43.14GHz，在此频带范围内有两个吸收峰16.5GHz和39.3GHz，在16.5GHz实现吸收率93.5％，相对带宽达到了110.3％，实现了很好的宽频吸波性能。同时，该吸波体在TE模式和TM模式下的反射系数S11一致，具有极化不敏感特性。
实施例3
如图1所示，基于电阻膜的宽频超材料吸波体的结构单元为正方形结构，结构单元的周期p＝11.3mm，结构单元由上到下依次为顶层电阻膜1、上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5。上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5在xy平面上的投影相同，为边长与周期相等的正方形。
如图2中的A所示，顶层电阻膜图案由两个十字交叉的全等椭圆形组成，其长轴长a＝8.32mm，短轴长b＝2.52mm，顶层电阻膜。如图2中的B所示，中间层电阻膜图案为正方形，边长与结构单元的周期相等为p＝11.3mm。顶层电阻膜和中间层电阻膜的方阻值分别为z1＝225Ω/sq，z2＝135Ω/sq。
上层介质层采用的FR-4聚四氟乙烯材料，相对介电常数εr＝4.3，损耗角正切tanθ＝0.025。中间层介质层采用的是Arlon AD 250C，相对介电常数εr＝2.5，损耗角正切tanθ＝0.0013。金属背板使用铜，其电导率δ＝5.96×107S/m，铜层的厚度为0.015mm。如图2中的C所示，上层介质层厚度为h1＝1.32mm，中间层介质厚度为h2＝1.68mm；电阻膜层和金属背板的厚度可以忽略不记，结构总厚度仅为3mm。
通过CST软件对结构单元进行建模与仿真，采用频域有限元求解器，x、y方向为Unit Cell周期性边界条件，Z轴正方向为open条件，模拟自由空间开放边界。仿真结果显示，吸波体吸收频段范围为12.67-42.5GHz，在此频带范围内有两个吸收峰19.28GHz和38.05GHz，在19.28GHz实现吸收率94.9％，相对带宽达到了108.14％，实现了很好的宽频吸波性能。同时，该吸波体在TE模式和TM模式下的反射系数S11一致，具有极化不敏感特性。
实施例4
如图1所示，基于电阻膜的宽频超材料吸波体的结构单元为正方形结构，结构单元的周期p＝12mm，结构单元由上到下依次为顶层电阻膜1、上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5。上层介质层2、中间层电阻膜3、中间层介质层4和金属背板5在xy平面上的投影相同，为边长与周期相等的正方形。
如图2中的A所示，顶层电阻膜图案由两个十字交叉的全等椭圆形组成，其长轴长a＝9mm，短轴长b＝2.8mm，顶层电阻膜。如图2中的B所示，中间层电阻膜图案为正方形，边长与结构单元的周期相等为p＝12mm。顶层电阻膜和中间层电阻膜的方阻值分别为z1＝240Ω/sq，z2＝140Ω/sq。
上层介质层采用的FR-4聚四氟乙烯材料，相对介电常数εr＝4.3，损耗角正切tanθ＝0.025。中间层介质层采用的是Arlon AD 250C，相对介电常数εr＝2.5，损耗角正切tanθ＝0.0013。金属背板使用铜，其电导率δ＝5.96×107S/m，铜层的厚度为0.018mm。如图2中的C所示，上层介质层厚度为h1＝1.3mm，中间层介质厚度为h2＝1.7mm；电阻膜层和金属背板的厚度可以忽略不记，结构总厚度仅为3mm。
通过CST软件对结构单元进行建模与仿真，采用频域有限元求解器，x、y方向为Unit Cell周期性边界条件，Z轴正方向为open条件，模拟自由空间开放边界。仿真结果显示，吸波体吸收频段范围为12.6-43.52GHz，在此频带范围内有两个吸收峰17.74GHz和39.44GHz，在17.74GHz实现吸收率94.7％，相对带宽达到了110.19％，实现了很好的宽频吸波性能。同时，该吸波体在TE模式和TM模式下的反射系数S11一致，具有极化不敏感特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电阻膜的宽频超材料吸波体，其特征在于，由正方形结构单元在xy平面内周期延拓而成；所述正方形结构单元包括由上到下依次设置的顶层电阻膜、上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板；所述顶层电阻膜的图案为由两个十字交叉的全等椭圆形组成的中心对称图形；所述上层介质层、中间层电阻膜、中间层介质层和金属背板在xy平面的投影为同一正方形，所述正方形的边长与周期相等。
2.如权利要求1所述的宽频超材料吸波体，其特征在于，所述周期p为10-12mm。
3.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述椭圆形的长轴长a为8-9mm，短轴长b为2.4-2.8mm。
4.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述顶层电阻膜的方阻值z1为210-240Ω/sq。
5.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述中间层电阻膜的方阻值z2为135-140Ω/sq。
6.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述上层介质层材质为FR-4聚四氟乙烯，相对介电系数εr为4.3，损耗角正切tanθ为0.025。
7.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述中间层介质层材质为Arlon AD 250C，相对介电系数εr为2.5，损耗角正切tanθ为0.0013。
8.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述上层介质层厚度h1为1.3-1.35mm，所述中间层介质层的厚度h2为1.65-1.7mm。
9.如权利要求8所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述上层介质层的厚度h1和所述中间层介质层的厚度h2的和为3mm。
10.如权利要求1所述的宽频超材料吸收体，其特征在于，所述金属背板的材质为铜，所述金属背板的电导率δ＝5.96×107S/m，所述金属背板的厚度为0.015-0.02mm。
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| CN117559141A (zh) * | 2023-11-01 | 2024-02-13 | 广东技术师范大学 | 一种基于拓扑优化的透明宽带超材料吸波体及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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