CN116864994B - 一种双阻抗层高性能吸波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁调制吸波结构技术领域，本发明公开了一种双阻抗层高性能吸波结构，包括吸波结构本体，吸波结构本体从上至下依次包括介质超表面一、支撑介质层一、阻抗型超表面一、介质超表面二、支撑介质层二、阻抗型超表面二、介质超表面三、支撑介质层三、金属背板，阻抗型超表面一的导电单元包括异形导电方环一，异形导电方环一上设置有电阻一，阻抗型超表面二的导电单元包括异形导电方环二，异形导电方环二上设置有电阻二。本发明采用上述结构的双阻抗层高性能吸波结构，通过五层超表面，吸波性能优于现有设计，本发明具有宽带范围内的‑30dB吸波性能以及极强的斜入射稳定性，在微波隐身技术、天线、电磁兼容等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电磁调制吸波结构技术领域，尤其是涉及一种双阻抗层高性能吸波结构。
背景技术
近年来，随着电磁防护重要性的提高，对高性能低密度电磁吸收材料的需求逐渐增长。吸收电磁波的传统方法是利用含有羰基铁或者铁氧体小颗粒的涂料，这些粒子通过耦合电磁振荡将电磁能转化为热能。然而，这种形式的涂料仅能够在局部频段实现较窄的吸收尖峰，在宽带范围内吸波性能依然很差；同时，由于吸波涂料中铁氧体的比重较大，使得较厚的高吸收率涂层的面密度大大增加。因此，以电路模拟吸波结构为代表的结构型吸波材料得到了广泛的研究。受益于电路模拟吸波结构中的等效电容和等效电感，但阻抗层电路模拟吸波体可通过多谐振单元在宽带范围实现了-10dB吸波性能，同时利用多层技术进一步提高吸波体的吸波带宽，极大的促进了宽带吸波结构的发展。
然而，必须注意的是，研究者对吸波体“宽”和“薄”的极致追求致使现有的绝大部分设计仅能具备宽带-10dB反射的性能，不能满足宽带-20dB吸收体和宽带-30dB吸收体的应用需求。并且在大角度斜入射状态下性能不佳，稳定性不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种双阻抗层高性能吸波结构，解决不能满足具有宽带范围内的-30dB吸波性能以及极强的斜入射稳定性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双阻抗层高性能吸波结构，包括吸波结构本体，吸波结构本体从上至下依次包括介质超表面一、支撑介质层一、阻抗型超表面一、介质超表面二、支撑介质层二、阻抗型超表面二、介质超表面三、支撑介质层三、金属背板，阻抗型超表面一与阻抗型超表面二均包括若干周期性排列的导电单元，阻抗型超表面一的导电单元包括异形导电方环一，异形导电方环一上设置有电阻一，阻抗型超表面二的导电单元包括异形导电方环二，异形导电方环二上设置有电阻二，介质超表面一上设置有通孔一，介质超表面二上设置有通孔二、通孔三以及通孔四，介质超表面三上设置有通孔五。
优选的，电阻一设置在异形导电方环一的边中点位置和边顶点位置，电阻二设置在异形导电方环二的边中点位置和边顶点位置。
优选的，阻抗型超表面一的异形导电方环一边长为6.3～6.7mm，异形导电方环一每条边的宽度为0.8～1.0mm，两个相邻异形导电方环一之间的间距为1.1～1.3mm；异形导电方环一上用于加载电阻一的缝隙为0.1～0.8mm，电阻一的阻值为292～302Ω；异形导电方环一每条边上均设置有两个长方形缝隙，异形导电方环一上缝隙的长度为0.8～1.2mm，异形导电方环一上缝隙的宽度为0.1～0.4mm。
优选的，阻抗型超表面二的异形导电方环二的边长为8.4～8.8mm，异形导电方环二每条边的宽度为0.7～0.9mm，两个相邻异形导电方环二之间的间距为0.1～0.2mm；异形导电方环二上用于加载电阻二的缝隙为0.1～0.8mm，电阻二的阻值为155～165Ω；异形导电方环二每条边上均设置有两个长方形缝隙，异形导电方环二上缝隙的长度为1.8～2.2mm，异形导电方环二上缝隙的宽度为0.1～0.4mm。
优选的，通孔一周期性排列在介质超表面一上，通孔一的直径为3.0～5.0mm，介质超表面一的厚度为0.1～0.4mm。
优选的，介质超表面二与介质超表面三为PI膜或PEN膜或FR4板或F4B板。
优选的，通孔二、通孔三、通孔四周期性排列在介质超表面二衬底上，通孔二直径为1.0～1.8mm、通孔三直径为1.4～2.2mm、通孔四直径为2.4～3.2mm，介质超表面二的厚度为0.02～0.4mm。
优选的，通孔五周期性排列在介质超表面三上，通孔五的直径为4.0～4.8mm，介质超表面三厚度为0.02～0.4mm。
优选的，支撑介质层一的材料相对介电常数在1.0～1.08之间，支撑介质层一的厚度为3.6～4.0mm；支撑介质层二的材料相对介电常数在1.01～1.08之间，支撑介质层二的厚度为3.6～4.0mm；支撑介质层三的材料相对介电常数在1.01～1.08之间，支撑介质层三的厚度为5.3～5.7mm；金属背板为铜箔。
优选的，吸波结构本体通过介质超表面一、支撑介质层一、阻抗型超表面一、介质超表面二、支撑介质层二、阻抗型超表面二、介质超表面三、支撑介质层三和金属背板通过热压工艺压制成型。
因此，本发明采用上述结构的双阻抗层高性能吸波结构，具有以下有益效果：
(1)本发明中入射的电磁波在阻抗型超表面一和阻抗型超表面二的导电单元上产生表面感应电流，将电磁能量转变为热量的形式实现能量损耗；同时，电磁波在阻抗型超表面一和阻抗型超表面二之间、阻抗型超表面一和介质超表面一之间，阻抗型超表面二和介质超表面一之间发生多次干涉，实现了高性能电磁吸收。表层介质阵列层通过在斜入射状态下对整体结构的阻抗补偿，实现了斜入射状态下更宽的吸波带宽，保持了极佳的吸波性能。
(2)本发明的吸波结构是一种由五层超表面组成的高性能吸波结构，吸波性能优于现有设计，本发明具有宽带范围内的-30dB吸波性能以及极强的斜入射稳定性，在微波隐身技术、天线、电磁兼容等领域具有广阔的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例双阻抗层高性能吸波结构的截面结构示意图。
图2是本发明实施例吸波结构的单元结构示意图。
图3是本发明实施例介质超表面一结构单元示意图。
图4是本发明实施例阻抗型超表面一单元结构示意图。
图5是本发明实施例阻抗型超表面二单元结构示意图。
图6是本发明实施例结构单元周期性排布示意图。
图7是本发明实施例不同入射角对应TE波反射率随频率变化图。
图8是本发明实施例不同入射角对应TE波吸波率随频率变化图。
图9是本发明实施例不同入射角对应TM波反射率随频率变化图。
图10是本发明实施例不同入射角对应TM波吸波率随频率变化图。
图11是本发明实施例仅去除介质超表面Ⅰ后，不同入射角对应TE波反射率随频率变化图。
图12是本发明实施例仅去除阻抗型超表面Ⅰ后，不同入射角对应TE反射率随频率变化图。
图13是本发明实施例仅去除阻抗型超表面Ⅱ后，不同入射角对应TE反射率随频率变化图。
附图标记
1、介质超表面一；2、支撑介质层一；3、阻抗型超表面一；4、介质超表面二；5、支撑介质层二；6、阻抗型超表面二；7、介质超表面三；8、支撑介质层三；9、金属背板；10、电阻一；11、电阻二；12、通孔一；13、通孔二；14、通孔三；15、通孔四；16、通孔五。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
如图1所示，本发明所述的一种双阻抗层高性能吸波结构，包括吸波结构本体，吸波结构本体从上至下依次包括介质超表面一1、支撑介质层一2、阻抗型超表面一3、介质超表面二4、支撑介质层二5、阻抗型超表面二6、介质超表面三7、支撑介质层三8、金属背板9九层结构。吸波结构本体由九层结构通过热压工艺压制成型。
图2是本发明实施例吸波结构的单元结构示意图。图6是本发明实施例结构单元周期性排布示意图。阻抗型超表面一3与阻抗型超表面二6均包括若干周期性排列的导电单元，阻抗型超表面一3的导电单元包括异形导电方环一，异形导电方环一上设置有电阻一10，阻抗型超表面二6的导电单元包括异形导电方环二，异形导电方环二上设置有电阻二11。电阻一10和电阻二11为集总贴片电阻元件或者通过磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法获得的等效电阻。
介质超表面一1的厚度为0.2mm，如图3所示，介质超表面一1上排布着若干个周期性排列的通孔一12，通孔一12的直径为4.0mm。介质超表面一1在热成型加工工艺之前为一整块。对上述热成型加工完成后吸波结构的介质超表面一1进行雕刻加工，得到通孔一12。介质超表面一1的三方面意义，第一，提高吸波体的稳定性和环境适应性；第二，具有周期性通孔一12的蒙皮可视为纯介质型频率选择表面，在斜入射状态下可以实现阻抗补偿，提高吸波体的斜入射性能稳定性；第三，相对于没有通孔一12的蒙皮，具有通孔一12的蒙皮能够减轻蒙皮带来的面密度上的增加。
支撑介质层一2为相对介电常数在1.05之间的PMI泡沫材料，厚度为3.8mm。
阻抗型超表面一3的导电单元如图4所示，阻抗型超表面一3的导电单元单元图形为异形导电方环一，8个电阻一10分别加载在导电异形方环一的4条边中点位置和4个顶点位置。异形导电方环一的边长为6.5mm，每条边的宽度为0.9mm，两个相邻异形导电方环一之间的间距为1.2mm；异形导电方环一上用于加载电阻一10的缝隙为0.3mm；电阻一10的阻值为297Ω。异形导电方环一每条边上均有两个长方形缝隙，缝隙的长度为1.0mm，宽度为0.2mm。阻抗型超表面一3的异形导电方环一通过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于介质超表面二4上，异形导电方环一为金、银、铜金属材质中的一种。阻抗型超表面一3相较于其他的设计，该层本身不是主要吸收层，主要起到吸收补偿、吸收增强、阻抗匹配的作用。
介质超表面二4为FR4板，其厚度为0.2mm。介质超表面二4衬底上周期性排布了三种直径不同的通孔，通孔二13直径为1.4mm，通孔三14直径为2.0mm，通孔四15直径为2.8mm。优选的，阻抗型频率选择表面衬底为相对介电常数为4.3、损耗正切角为0.0025的FR4板，其厚度为0.2mm。介质超表面二4，在阻抗型超表面一3印刷完成后制成。介质超表面二4，具有三种直径不同的通孔，宏观上可以被视为纯介质频率选择表面，可以调剂阻抗型超表面一3的频率响应特性，实现某些频段的透波增强。同时，对于没有通孔的衬底，具有通孔的衬底能够降低面密度。
支撑介质层二5为相对介电常数在1.05之间的PMI泡沫材料，厚度为3.8mm。支撑介质层一2和支撑介质层二5主要功能是实现高频吸收增强，该层的厚度决定了谐振损耗发生的频点。
阻抗型超表面二6的导电单元如图5所示，阻抗型超表面二6的导电单元单元图形为异形导电方环二，8个电阻二11分别加载在导电异形方环二的4条边中点位置和4个顶点位置。异形导电方环二的边长为8.6mm，每条边的宽度为0.8mm，两个相邻异形导电方环二之间的间距为0.1mm；异形导电方环二上用于加载电阻二11的缝隙为0.3mm；电阻二11的阻值为160Ω。异形导电方环二每条边上均有两个长方形缝隙，缝隙的长度为2.0mm，宽度为0.1mm。阻抗型超表面二6的异形导电方环二通过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射的方法制备于介质超表面三7上，异形导电方环一为金、银、铜金属材质中的一种。阻抗型超表面二6是主要吸收层，本身在宽带范围内具备很强的电磁损耗特性。
介质超表面三7为FR4板，其厚度为0.2mm。介质超表面三7衬底上周期性排布有通孔五16，通孔五16的直径为4.4mm。优选的，阻抗型频率选择表面衬底为相对介电常数为4.3、损耗正切角为0.0025的FR4板，其厚度为0.2mm。介质超表面三7，在阻抗型超表面二6印刷完成后制成。介质超表面三7，具有一种直径的通孔五16，宏观上可以被视为纯介质频率选择表面，可以调剂阻抗型超表面二6的频率响应特性，实现某些频段的透波增强。同时，对于没有通孔五16的衬底，具有通孔五16的衬底能够降低面密度。
支撑介质层三8为相对介电常数在1.05之间的PMI泡沫材料，厚度为5.5mm。支撑介质层三8，以增强阻抗型超表面一3中心频率为目的进行设计，尽可能在宽带范围实现最大损耗。支撑介质层一2、支撑介质层二5和支撑介质层三8总厚度的设计与低频四分之一波长近似，以增大低频吸波损耗。
金属背板9为铜箔，厚度为0.035mm。金属背板9仅作为电磁波反射板，反射电磁波，使其在阻抗型超表面一3、阻抗型超表面二6之间和介质超表面一1之间实现干涉增强。
使用仿真软件对本实施例制备的双阻抗层高性能吸波结构进行分析，来解释该结构工作特征。
如图7所示本发明不同入射角对应TE波反射率随频率变化图。本发明的吸波结构本体在电磁波垂直入射时，反射率低于-10dB的频带为3.9–22.5GHz；反射率低于-20dB的频带为5.3–21.3GHz；反射率低于-30dB的频带为6.4–20.2GHz。电磁波的入射角为20°时，反射率低于-10dB的频带为4.0–23.7GHz；反射率低于-20dB的频带为5.6–22.2GHz。电磁波的入射角为40°时，反射率低于-10dB的频带为4.4–25.0GHz；反射率低于-20dB的频带为7.0–17.0GHz。电磁波的入射角为50°时，反射率低于-10dB的频带为4.9–25.0GHz。电磁波的入射角为60°时，反射率低于-10dB的频带为6.1–25.0GHz。
图8是本发明不同入射角对应TE波吸波率随频率变化图。电磁波的入射角为60°时，本发明在6.1–25.0GHz始终能保持90％的吸收率。
图9是本发明不同入射角对应TM波反射率随频率变化图。本发明的吸波结构在电磁波垂直入射时，反射率低于-10dB的频带为3.9–22.5GHz；反射率低于-20dB的频带为5.3–21.3GHz；反射率低于-30dB的频带为6.4–20.2GHz。电磁波的入射角为20°时，反射率低于-10dB的频带为4.3–23.7GHz；反射率低于-20dB的频带为6.0–21.6GHz。反射率低于-30dB的频带为7.2–17.4GHz。电磁波的入射角为30°时，反射率低于-10dB的频带为4.8–24.8GHz；反射率低于-20dB的频带为6.9–18.4GHz。电磁波的入射角为50°时，反射率低于-10dB的频带为7.4–21.5GHz。
图10是本发明不同入射角对应TM波吸波率随频率变化图。电磁波的入射角为50°时，本发明在7.4–21.5GHz始终能保持90％的吸收率。
图11是本发明仅去除介质超表面一1后，不同入射角对应TE波反射率随频率变化图。可以看到在去除介质超表面一1后，该吸波体将不再具有宽带-30dB吸收性能，在电磁波垂直入射时，在5.3–15.5GHz范围内仍然具有-20dB吸收性能。同时，由于阻抗型超表面一3的阻抗匹配和阻抗调节作用，电磁波的入射角为50°时，吸波体仍然能够保持在5.2–25.0GHz的反射率低于-10dB。
图12是本发明仅去除阻抗型超表面一3后，不同入射角对应TE反射率随频率变化图。可以看到在去阻抗型超表面一3后，该吸波体将不再具有宽带-30dB和-20dB吸收性能，电磁波的入射角为30°时，但是依旧能保持在5.7–20.5GHz频段的反射率低于-10dB。同时，由于除介质超表面一1的阻抗匹配和阻抗调节作用，此时整体结构的表现出很好的角度稳定性。
图13是本发明仅去除阻抗型超表面二6后，不同入射角对应TE反射率随频率变化图。可以看到，此时的吸波体几乎不具备吸波性能，与设计原理中该层本身不是主要吸收层，主要起到吸收补偿、吸收增强、阻抗匹配的作用相互印证。
因此，本发明采用上述结构的双阻抗层高性能吸波结构，通过五层超表面，吸波性能优于现有设计，本发明具有宽带范围内的-30dB吸波性能以及极强的斜入射稳定性，在微波隐身技术、天线、电磁兼容等领域具有广阔的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：包括吸波结构本体，吸波结构本体从上至下依次包括介质超表面一、支撑介质层一、阻抗型超表面一、介质超表面二、支撑介质层二、阻抗型超表面二、介质超表面三、支撑介质层三、金属背板，阻抗型超表面一与阻抗型超表面二均包括若干周期性排列的导电单元，阻抗型超表面一的导电单元包括异形导电方环一，异形导电方环一上设置有电阻一，阻抗型超表面二的导电单元包括异形导电方环二，异形导电方环二上设置有电阻二，介质超表面一上设置有通孔一，介质超表面二上设置有通孔二、通孔三以及通孔四，介质超表面三上设置有通孔五；
电阻一设置在异形导电方环一的边中点位置和边顶点位置，电阻二设置在异形导电方环二的边中点位置和边顶点位置；
阻抗型超表面一的导电单元单元图形为异形导电方环一，8个电阻一分别加载在导电异形方环一的4条边中点位置和4个顶点位置；
阻抗型超表面二的导电单元单元图形为异形导电方环二，8个电阻二分别加载在导电异形方环二的4条边中点位置和4个顶点位置。
2.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：阻抗型超表面一的异形导电方环一边长为6.3～6.7mm，异形导电方环一每条边的宽度为0.8～1.0mm，两个相邻异形导电方环一之间的间距为1.1～1.3mm；异形导电方环一上用于加载电阻一的缝隙为0.1～0.8mm，电阻一的阻值为292～302Ω；异形导电方环一每条边上均设置有两个长方形缝隙，异形导电方环一上缝隙的长度为0.8～1.2mm，异形导电方环一上缝隙的宽度为0.1～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：阻抗型超表面二的异形导电方环二的边长为8.4～8.8mm，异形导电方环二每条边的宽度为0.7～0.9mm，两个相邻异形导电方环二之间的间距为0.1～0.2mm；异形导电方环二上用于加载电阻二的缝隙为0.1～0.8mm，电阻二的阻值为155～165Ω；异形导电方环二每条边上均设置有两个长方形缝隙，异形导电方环二上缝隙的长度为1.8～2.2mm，异形导电方环二上缝隙的宽度为0.1～0.4mm。
4.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：通孔一周期性排列在介质超表面一上，通孔一的直径为3.0～5.0mm，介质超表面一的厚度为0.1～0.4mm。
5.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：介质超表面二与介质超表面三为PI膜或PEN膜或FR4板或F4B板。
6.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：通孔二、通孔三、通孔四周期性排列在介质超表面二衬底上，通孔二直径为1.0～1.8mm、通孔三直径为1.4～2.2mm、通孔四直径为2.4～3.2mm，介质超表面二的厚度为0.02～0.4mm。
7.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：通孔五周期性排列在介质超表面三上，通孔五的直径为4.0～4.8mm，介质超表面三厚度为0.02～0.4mm。
8.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：支撑介质层一的材料相对介电常数在1.0～1.08之间，支撑介质层一的厚度为3.6～4.0mm；支撑介质层二的材料相对介电常数在1.01～1.08之间，支撑介质层二的厚度为3.6～4.0mm；支撑介质层三的材料相对介电常数在1.01～1.08之间，支撑介质层三的厚度为5.3～5.7mm；金属背板为铜箔。
9.根据权利要求1所述的双阻抗层高性能吸波结构，其特征在于：吸波结构本体通过介质超表面一、支撑介质层一、阻抗型超表面一、介质超表面二、支撑介质层二、阻抗型超表面二、介质超表面三、支撑介质层三和金属背板通过热压工艺压制成型。
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