CN117977223A - 一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，属于电磁屏蔽技术领域，包括若干频率选择表面单元，所述频率选择表面单元结构包括由下至上依次设置的第一介质衬底层、电阻膜反射层、介质间隔层、第二介质衬底层和电阻膜频率选择表面损耗层；所述电阻膜频率选择表面损耗层的频率选择表面图案包括类四叶草形的环形弯折轮廓，轮廓凹陷相对处两两连接且穿过中心，构成主连接路径；主连接路径通过依次连接形成方环形的次连接路径。本发明使用单层频率选择表面损耗层获得宽带吸波效果，对电磁波极化方式和入射角度具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微波吸波领域和电磁屏蔽技术领域，具体涉及一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体。
背景技术
雷达探测已成为获取信息的重要渠道，为了提高各类敏感或精密装备的生存能力，隐身技术作为一项有效方案成为研究的热点。微波吸波体作为隐身技术实施的重要支撑，成为众多装备不可或缺的一部分。在民用领域，随着无线技术的不断发展，电磁辐射干扰源的数量日益增长，空间电磁环境日益复杂；而大量使用高速数字电路和集成芯片的电子设备却对外界干扰电磁波更加敏感，这对电磁兼容性提出了巨大挑战。而基于微波吸波体的电磁屏蔽技术将大大降低环境中的电磁场水平，对于密闭舱室(如机舱、船舱和车载方舱等)中的电磁干扰抑制尤其重要。因此微波吸波体对于隐身、电磁干扰抑制具有重要的工程应用价值。
频率选择表面作为一种超表面，因其对电磁波独特的调控能力而被广泛应用于微波吸波体设计中。目前基于超表面、尤其是频率选择表面的微波吸波体研究和专利很多，主要集中于如何设计不同的频率选择表面单元结构扩展带宽和提高角度稳定性。这些研究和专利大大提高了微波吸波体的工程应用领域，然而绝大多数结构因使用介质基板和金属反射板不能透光，无法应用于需要透光的场所，如各种装备(飞机、舰船、车辆)或特殊场所(重要设施控制室、保密部门)门窗、仪器设备的显示屏、观察窗等领域。
现有的少数光学透明频率选择表面为了提高吸波带宽，多采用多层结构设计。例如采用多层频率选择表面损耗层的宽带透明吸波体设计，专利“一种柔性透明超宽带吸波器”(CN202210959553.4)采用了三层氧化铟锡(ITO)电阻膜制作的不同直径圆环形单元结构频率选择表面损耗层，实现了90％吸波带宽为3.97-39.61GHz(163.6％)的透明吸波结构。该结构物理厚度7.15mm，未讨论所设计吸波体对不同极化和不同入射角度电磁波吸波率的稳定性(即极化稳定性和角度稳定性)问题。专利“一种低红外发射率的透光柔性超材料吸波体”(CN114465015A)采用两层ITO膜正方形单元结构频率选择表面损耗层，实现了5.57-18.87GHz(相对带宽108.8％)透明吸波体设计，同样该专利没有讨论极化和角度稳定性问题。这些使用不同尺寸但相同图案单元结构、或不同图案类型单元结构的多层频率选择表面损耗层构成的吸波结构，在实际工程应用中通常面临因加工导致不同层之间单元的对准问题，从而引起吸波性能恶化。而使用单层频率选择表面损耗层进行宽带透明吸波体设计则可以有效避免该问题。
另一方面，由于外界探测和干扰电磁波的极化放射和入射角度未知，为了实现有效隐身或电磁干扰抑制，微波吸波体须具有良好的极化和角度稳定性，即对在一定斜入射角度范围内的任意极化电磁波均呈现较好的吸波性能。由此可见，同时满足宽带、极化和角度稳定、光学透明且使用单层频率选择表面损耗层的微波吸波体设计具有重要的工程应用价值，然而采用常规频率选择表面单元结构很难同时满足这些性能。专利“一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸波器件”(CN202222155965.0)使用由正方形金属微纳网格构成的单层频率选择表面损耗层和金属网衬底实现了8.5-23.42GHz的90％吸波带宽，其相对带宽达到了93.5％，但同样未考虑角度稳定性问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中的吸波体存在的极化和角度稳定性等问题，提供了一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体，该结构应用多电流路径技术，使用单层频率选择表面损耗层获得宽带吸波效果，对电磁波极化方式和入射角度具有良好的稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，包括若干频率选择表面单元，其特征在于，所述频率选择表面单元结构包括由下至上依次设置的第一介质衬底层、电阻膜反射层、介质间隔层、第二介质衬底层和电阻膜频率选择表面损耗层；所述电阻膜频率选择表面损耗层的频率选择表面图案包括类四叶草形的环形弯折轮廓，轮廓凹陷相对处两两连接且穿过中心，构成主连接路径；主连接路径通过依次连接形成方环形的次连接路径。
进一步的，所述第一介质衬底层作为电阻膜反射层的介质衬底，其为能沉积氧化铟锡膜或其他透明电阻膜材料的任意透明材料。
进一步的，第一介质衬底层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或玻璃。
进一步的，所述电阻膜反射层为由透明电阻膜材料沉积在第一介质衬底层上的均匀结构，其方阻处于1-6/sq范围内。
进一步的，所述介质间隔层为丙烯酸树脂材料。
进一步的，所述第二介质衬底层与第一介质衬底完全相同。
进一步的，所述电阻膜频率选择表面损耗层由透明电阻膜材料制成，透明电阻膜材料为ITO膜。
进一步的，频率选择表面图案的轮廓、主连接路径、次连接路径的宽度均不相同。
进一步的，所述频率选择表面图案在主连接路径与外形轮廓的交点处设有枝节结构。
进一步的，所述枝节结构为直线形或弧形，其顶端设有贴片，贴片为半圆、圆、方形或三角形状。
进一步的，所述频率选择表面图案的中心设有中心贴片。
进一步的，所述中心贴片为圆形、方形、八边形或其他具有中心对称特点的形状。
综上所述，本发明具有以下优点：
1)本发明中应用多电流路径技术，使用单层频率选择表面损耗层获得宽带吸波效果，在6.3–19.0GHz(相对带宽100.4％)范围内达到90％以上的吸波率，覆盖C、X和Ku波段。
2)本发明的吸波体，在电磁波入射时，宽频段范围内反射系数低于-10dB，说明该吸波体阻抗与自由空间中的阻抗相匹配，从而使该频段内电磁波进入吸波结构，并能被电阻膜频率选择表面有效吸收。
3)本发明在未使用磁性材料情况下，获得了薄层吸波体结构，并同时实现了宽带吸波、良好的角度稳定性与抗方阻波动鲁棒性设计。
4)本发明中的结构为连通结构，呈现电流路径多样性特点，方阻波动，电流路径不同，控制结构阻抗在小范围内变化，因而具有抗方阻波动能力。
5)相比于环形及其弯折变形、十字结构或二者的简单组合，本发明的多路径频率选择表面结构更适用于厚度相对薄(仅为90％吸波带宽最低频率波长的0.077倍)的微波吸波体，呈现出更宽的90％吸波宽带、良好的入射角度稳定性和抗方阻波动能力，且物理厚度低于4mm。
6)本发明为光学透明吸波体，可用于需要透光和视觉观察的电磁屏蔽或隐身场所。
附图说明
图1为本发明提供的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体的整体结构示意图。
图2为频率选择表面损耗层的结构示意图。
图3为类似四叶草形状多路径频率选择表面结构1。
图4为图3结构基础上，采用不同路径宽度后的频率选择表面结构2。
图5为图4结构基础上，增加枝节结构后的频率选择表面结构3。
图6为基于十字形频率选择表面单元的吸波体在不同电磁波入射角度下的反射系数。
图7为基于弯折环形频率选择表面单元的吸波体在不同电磁波入射角度下的反射系数。
图8为基于图6和图7组合频率选择表面单元的吸波体在不同电磁波入射角度下的反射系数。
图9为垂直入射下，本发明三种结构反射系数的对比。
图10为TE极化波以45°角斜入射时，本发明三种结构1、2和3的反射系数对比。
图11为TE极化波以45°角斜入射时，本发明两种结构3和4的反射系数对比。
图12为TM极化波以角度60°和70°斜入射时，本发明两种结构3和4的反射系数对比。
图13为本发明结构4在TE极化波不同入射角度下的吸波率。
图14为本发明结构4在TM极化波不同入射角度下的吸波率。
图15为本发明结构4在频率选择表面层取不同方阻时的吸波率。
图中，
1、第一介质衬底层，2、电阻膜反射层，3、介质间隔层，4、第二介质衬底层，5、电阻膜频率选择表面损耗层，51、多路径连接结构，53、枝节结构，54、中心贴片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种宽带且角度稳定的光学透明微波吸波体结构，由M×N个周期排列的频率选择表面单元排列构成，M≥2，N≥2。如图1所示，频率选择表面单元结构由下至上依次为：第一介质衬底层1、电阻膜反射层2、介质间隔层3、第二介质衬底层4和电阻膜频率选择表面损耗层5。所述光学透明微波吸波体结构为中心对称结构，对入射电磁波可呈现良好的极化稳定性。
本实施例中，第一介质衬底层1为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、玻璃等能沉积氧化铟锡(ITO)膜或其他透明电阻膜材料的任意透明材料，作为电阻膜反射层2的介质衬底。
电阻膜反射层2为由透明电阻膜材料沉积在第一介质衬底层1上的均匀结构，其方阻处于1–6Ω/sq范围内，用于对入射电磁波的反射，阻止电磁波透过所述微波吸波结构；并与其他结构层共同作用提供相位和阻抗补偿。
介质间隔层3用于将电阻膜频率选择表面结构5与电阻膜反射层2隔开，并提供一定的相位补偿，使电阻膜频率选择表面结构在特定的频段内产生强感应电流，从而有效吸收电磁波。调整介质间隔层的厚度会引起整个吸波结构的阻抗波动，一定程度上有助于整体阻抗匹配的调节。介质间隔层3优选丙烯酸树脂(PMMA)材料，也可用其他介电常数接近的透明介质材料代替。
第二介质衬底层4同第一介质衬底，为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、玻璃等能沉积氧化铟锡(ITO)膜的任意透明材料，作为电阻膜频率选择表面损耗层5的介质衬底。
本实施例中，电阻膜频率选择表面损耗层5为由透明电阻膜材料制成的特殊设计的频率选择表面图案。本实施例中，透明电阻膜材料优选方阻为23Ω/sq的ITO膜，也可使用纳米银线等其他透明电阻膜材料。频率选择表面图案(见图2)为多路径连接中心对称结构，包括类四叶草形的环形弯折轮廓，轮廓凹陷相对处两两连接且穿过中心，构成主连接路径；主连接路径通过依次连接形成方环形的次连接路径，在类似四叶草形状多路径连接结构51(见图3)基础上，改变路径宽度(见图4)，使频率选择表面图案的轮廓、主连接路径、次连接路径的宽度均不相同，有效降低了中频段的反射系数，提高了吸波率(见图9)。
图6、图7和图8给出了同等厚度时，由电阻膜十字形频率选择表面、弯折环形频率选择表面和二者组合构成的三种吸波体在TE极化电磁波不同入射角度下的反射系数。可以发现，十字结构具有一定的吸波的带宽，但角度稳定性差；环形结构和二者组合结构在同等厚度时，吸波带宽窄，垂直入射时的相对带宽甚至不足30％。
可以看出，相比于环形及其弯折变形、十字结构或二者的简单组合，本发明的多路径频率选择表面结构更适用于厚度相对薄(仅为90％吸波带宽最低频率波长的0.077倍)的微波吸波体，呈现出更宽的90％吸波宽带、良好的入射角度稳定性和抗方阻波动能力，且物理厚度低于4mm。
实施例2
作为本发明的优选实施例，在实施例1所述的光学透明微波吸波体结构基础上，进一步的，如图5所示，电阻膜频率选择表面损耗层的频率选择表面图案在改变路径宽度的基础上，在主连接路径与外形轮廓的交点处增加枝节结构53。枝节结构53可为直线形或弧形结构，枝节结构53的顶端设有贴片，该贴片可以为半圆、圆、方形、三角等其他几何形状。
该枝节结构有效提高了垂直入射时的90％(对应反射系数|S11|为-10dB)吸波带宽(见图9)和斜入射时80％(对应反射系数|S11|为-7dB)吸波的角度稳定性，见图10。
实施例3
作为本发明的最佳实施例，在实施例2所述的光学透明微波吸波体结构基础上，电阻膜频率选择表面损耗层的频率选择表面图案，进一步的，增加中心贴片54。该中心贴片进一步的提高了吸波带宽和斜入射时的角度稳定性，使得TE极化波45°斜入射时的带宽从7.10–20.95GHz扩展为6.63–21.26GHz，如图11所示。
同时，从图12中结果可知，TM极化波60°斜入射时的80％(对应反射系数-7dB)吸波带宽可提高为7.25–22.75GHz，且当入射角度增加到70°时，75％吸波(对应反射系数-6dB)带宽仍然能达到7.54–24.0GHz，呈现出高角度稳定性。
本实施例中，中心贴片54可为圆形、方形、八边形等其他具有中心对称特点的形状。
实施例4
本实施例通过具体的优选设计参数来说明本发明的一种单层频率选择表面损耗层的宽带角度稳定的光学透明微波吸波结构，其详细结构参数如下表所示：
当电磁波入射至该吸波体时，在宽频段范围内反射系数低于-10dB，说明该吸波体阻抗与自由空间中的阻抗相匹配，从而使该频段内电磁波进入吸波结构，并能被电阻膜频率选择表面有效吸收。
本发明90％吸波带宽为6.3GHz–19.0GHz，相对带宽为100.4％，可覆盖X波段、Ku波段以及部分C波段与K波段。整体结构物理厚度为3.75mm，为最低吸收频率对应波长的0.077λL。在未使用磁性材料情况下，获得了薄层吸波体结构。并且，当频率选择表面层电阻膜材料的方阻从15Ω/sq变化至35Ω/sq时，结构能够在6.75-19.0GHz范围内提供80％以上的吸收率。相较于中心值25Ω/sq，本发明能在材料方阻波动80％的范围内保持良好的吸波性能。在角度稳定性方面，对TE极化与TM极化电磁波，当入射角度不超过45°时，结构始终能够在8.9GHz–22.9GHz范围内提供80％以上的吸收率；并且当入射角度达到70°时，TM极化波的75％吸波带宽仍可覆盖7.3–23.8GHz(相对带宽106.1％)。即本发明在获得薄层结构的同时实现了宽带吸波、良好的角度稳定性与抗方阻波动鲁棒性设计。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (12)
1.一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，包括若干频率选择表面单元，其特征在于，所述频率选择表面单元结构包括由下至上依次设置的第一介质衬底层(1)、电阻膜反射层(2)、介质间隔层(3)、第二介质衬底层(4)和电阻膜频率选择表面损耗层(5)；所述电阻膜频率选择表面损耗层(5)的频率选择表面图案包括类四叶草形的环形弯折轮廓，轮廓凹陷相对处两两连接且穿过中心，构成主连接路径；主连接路径通过依次连接形成方环形的次连接路径。
2.根据权利要求1所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述第一介质衬底层(1)作为电阻膜反射层(2)的介质衬底，其为能沉积氧化铟锡膜或其他透明电阻膜材料的任意透明材料。
3.根据权利要求2所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，第一介质衬底层(1)的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述电阻膜反射层(2)为由透明电阻膜材料沉积在第一介质衬底层(1)上的均匀结构，其方阻处于1–6/sq范围内。
5.根据权利要求1所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述介质间隔层(3)为丙烯酸树脂材料。
6.根据权利要求2或3所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述第二介质衬底层(4)与第一介质衬底完全相同。
7.根据权利要求1所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述电阻膜频率选择表面损耗层(5)由透明电阻膜材料制成，透明电阻膜材料为ITO膜。
8.根据权利要求1所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，频率选择表面图案的轮廓、主连接路径、次连接路径的宽度均不相同。
9.根据权利要求8所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述频率选择表面图案在主连接路径与外形轮廓的交点处设有枝节结构(53)。
10.根据权利要求9所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述枝节结构(53)为直线形或弧形，其顶端设有贴片，贴片为半圆、圆、方形或三角形状。
11.根据权利要求9或10所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述频率选择表面图案的中心设有中心贴片(54)。
12.根据权利要求11所述的一种宽带且入射角度稳定的光学透明微波吸波体结构，其特征在于，所述中心贴片(54)为圆形、方形、八边形或其他具有中心对称特点的形状。
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| PB01 | Publication | ||
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