CN118040332A - 一种高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，属于复合吸波材料技术领域。自上而下依次包括第一透波介质层、透波改善层、第二透波介质层、频选复合层、全反射底板；频选复合层至少为两层，任一频选复合层包括自上而下的第一粘合介质层、电阻膜频率选择表面功能层、衬底介质层、第二粘合介质层；任一频选复合层的上面和下面都为支撑介质层；透波改善层的介电常数低于第一透波介质层和第二透波介质层。本发明考虑了衬底介质层和粘合介质层两种共三层高介电介质对电阻膜频率选择表面功能阻抗的影响，通过对频选复合层阻抗的精准设计，使其与支撑介质层、透波介质层共同进行阻抗变换，完成与空气的阻抗匹配，实现电磁波的吸收。
Description
技术领域
本发明属于复合吸波材料技术领域，更具体地，涉及一种高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置。
背景技术
随着针对不同频段的雷达探测技术不断发展，单一频段隐身的舰船这一大型目标在海洋上被探测到的几率大大提升，为适应武器现代化发展的需求，实现舰船结构宽带吸波能够有效避免舰船在海洋上被探测到的几率。
吸波材料主要分为两大类，一类是涂覆型吸波材料，即吸波材料涂覆在目标表面，将进入吸波材料内部的电磁波转化成热能损耗掉。另一类是结构型吸波材料，这一材料在吸波的同时，能够提供一定的力学承载能力。工程中对力学承载能力具有较高要求，在高力学承载能力下进行吸波材料设计的相关研究较为欠缺。
海洋环境由于具有较强腐蚀性，吸波材料的化学性能稳定有所要求。
因此，需要提出一种具有力学承载能力，抗海洋腐蚀性，宽频带吸波的吸波装置。
发明内容
针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供了一种高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，通过对频选复合层阻抗的精准设计，使其与支撑介质层、透波介质层共同进行阻抗变换，完成与空气的阻抗匹配，实现电磁波的吸收；另外，通过对在第一透波介质层和第二透波介质层之间加入低介电介质(透波改善层)改善了高频透波特性，进一步的，完成了对高频电磁波的更好吸收，最终实现的宽频段内的吸波性能稳定。本发明解决了工程中电阻膜复合吸波装置的设计问题，以及电阻膜复合吸波结构高频性能恶化问题，进一步地解决了电阻膜复合吸波结构封装后的性能稳定问题。
根据本发明的目的，提供了一种多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，自上而下依次包括第一透波介质层、透波改善层、第二透波介质层、频选复合层、全反射底板；所述频选复合层至少为两层，任一所述频选复合层包括自上而下的第一粘合介质层、电阻膜频率选择表面功能层、衬底介质层、第二粘合介质层；任一所述频选复合层的上面和下面都为支撑介质层；
所述透波改善层的介电常数低于所述第一透波介质层和第二透波介质层。
优选地，任一所述电阻膜频率选择表面功能层上的FSS图形包括多个按行列周期排布的FSS单元。
优选地，所述FSS单元的周期为9-10mm，任一所述电阻膜频率选择表面层的电阻膜表面方阻为10-100Ohm/sq。
优选地，所述FSS单元为方环图案。
优选地，所述方环图案的线宽为0.1-3mm，单元间缝隙为0.3-2mm。
优选地，所述方环图案的环宽为0.1-3mm，单元间缝隙为0.3-2mm。
优选地，采用聚氨酯改性环氧树脂体系材料对所述电阻膜频率选择表面功能层进行图案化保护，使所述电阻膜频率选择表面裸漏衬底部分与第一粘合介质层和第二粘合介质层进行粘合。
优选地，紧邻所述第二透波介质层的介质支撑层的材料为低介电泡沫，所述低介电泡沫的相对介电常数为1-1.3。
优选地，所述第一透波介质层、第二透波介质层、任一所述第一粘合介质层以及任一所述第二粘合介质层的材料为玻璃纤维体系预浸料或石英纤维体系预浸料；
所述透波改善层的材料为PMI泡沫；
任一所述支撑介质层的材料为芳纶纸蜂窝材料、玻璃纤维增强环氧树脂材料、陶瓷材料、聚酯材料或PMI泡沫，厚度为0.5mm～10mm；
任一所述衬底介质层的材料为玻璃纤维增强环氧树脂或聚酰亚胺膜，厚度为0.025mm～0.2mm。
根据本发明另一方面，提供了任意一项多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置在隐身舰船中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明将粘合介质层引入设计，提出了把粘合介质层和电阻膜功能层作为一个整体进行复合吸波装置设计，该复合吸波装置考虑了粘合介质层这一高介电介质对电阻膜功能层阻抗的影响以及层与层之间的耦合作用，能够实现仿测更精准的拟合，同时达到快速实现吸波功能结构设计的目的；另外，本发明在两个透波介质板之间插入一层或多层低介电介质(透波改善层)，有效改善了透波蒙皮带来高频透波恶化问题，使高频吸波性能得到明显改善。
(2)本发明所提供的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，通过对在第一透波介质层和第二透波介质层之间加入低介电介质(透波改善层)改善了高频透波特性，进一步的，完成了对高频电磁波的更好吸收，最终实现的宽频段内的吸波性能稳定。本发明所提供的高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，能够实现2-18GHz,0-45°宽频段宽角域范围内电磁波吸收的性能。
(3)本发明提供了的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，考虑了衬底介质层和粘合介质层两种共三层高介电介质对电阻膜频率选择表面功能阻抗的影响，通过对频选复合层阻抗的精准设计，使其与支撑介质层、透波介质层共同进行阻抗变换，完成与空气的阻抗匹配，实现电磁波的吸收，解决原理件与工程件性能差异大的问题。
(4)电阻膜作为一种有机材料通过丝网印刷而成的频率选择表面，它在海洋的潮湿环境中具有更好的稳定性。此外，考虑到隐身结构需要考虑力学性能等因素，因此需要外加透波蒙皮增强力学强度，这一影响会明显恶化涂覆型吸波材料的吸波效果。频率选择表面吸波方案可以减小透波蒙皮对吸波性能的影响。基于上述事实，选择多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置作为舰船隐身方案。
(5)本发明优选地，粘合介质层采用的是具有高力学强度的玻璃纤维体系预浸料或石英纤维体系预浸料，在高温下预浸料中的有效物质会发生融化，然后在低温下冷却固化与两侧的介质紧紧粘接在一起，预浸料固化后的吸波装置相比不加预浸料和透波蒙皮的吸波装置而言，在同一外部载荷下具有更小的形变以及更小的安全系数，即预浸料固化后的吸波装置力学强度远远提升。
(6)本发明优选地，采用涂覆图案化保护层的方式解决封装后的性能稳定问题，最终可以设计得到具有宽频宽角吸波性能稳定的结构强度隐身功能一体化的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置。本发明所提供的高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，通过采用聚氨酯改性环氧树脂体系材料对电阻膜频率选择表面功能层进行图案化保护，使电阻膜频率选择表面裸漏衬底部分与玻纤粘合层进行粘合，实现了在不影响电性能情况下的力学性能稳定。
附图说明
图1是本发明实施例1所提供的结构强度隐身功能一体化的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置的3D结构示意图；
其中：1-第一透波介质层、2-透波改善层、3-第二透波介质层、4-第一支撑介质层、5-第一粘合介质层、6-第一衬底介质层、7-第二粘合介质层、8-第二支撑介质层、9-第三粘合介质层、10-第二衬底介质层、11-第四粘合介质层、12-第三支撑介质层、13-第五粘合介质层、14-第三衬底介质层、15-第六粘合介质层、16-第四支撑介质层、17-全反射底板、18-第一电阻膜频率选择表面功能层、19-第二电阻膜频率选择表面功能层、20-第三电阻膜频率选择表面功能层。
图2是本发明实施例1所提供的第一电阻膜频率选择表面功能层方环图案示意图。
图3是本发明实施例1所提供的第二电阻膜频率选择表面功能层方环图案示意图。
图4是本发明实施例1所提供的第三电阻膜频率选择表面功能层方环图案示意图。
图5是本发明实施例1所提供的透波介质层加入透波改善层后阻抗变化示意图。
图6是本发明实施例1所提供的复合吸波装置在TE极化下的斜入射反射率特性曲线示意图。
图7是本发明实施例1所提供的复合吸波装置在TM极化下的斜入射反射率特性曲线示意图。
图8是本发明实施例2所提供的复合吸波装置在TE极化下的斜入射反射率特性曲线示意图。
图9是本发明实施例2所提供的复合吸波装置在TM极化下的斜入射反射率特性曲线示意图。
图10是本发明实施例3所提供的复合吸波装置在TE极化下的斜入射反射率特性曲线示意图。
图11是本发明实施例3所提供的复合吸波装置在TM极化下的斜入射反射率特性曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一种高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，自上而下依次包括第一透波介质层、透波改善层、第二透波介质层、频选复合层、全反射底板；所述频选复合层至少为两层，任一所述频选复合层包括自上而下的第一粘合介质层、电阻膜频率选择表面功能层、衬底介质层、第二粘合介质层；任一所述频选复合层的上面和下面都为介质支撑层；
所述透波改善层的介电常数低于所述第一透波介质层和第二透波介质层。在第一透波介质层和第二透波介质层之间加入一种或多种低介电介质(透波改善层)来改善高频的透波问题，进一步增强高频的吸波效果。
在第二透波介质层下的支撑介质层的材料为低介电泡沫，在不影响下层反射率的情况下改善整体阻抗，进而实现与上层透波层更好的阻抗匹配效果。
本发明频率选择表面通过设计的图案化单元和介质、金属板复合作用达到阻抗匹配，进而实现电磁波吸收的效果。与以往的从底层金属板到最上层逐层进行阻抗变换不同，这里把电阻膜功能层、衬底介质层和两侧预浸料作为一个整体进行阻抗变换，该设计考虑了高介电介质对电阻膜功能层阻抗的影响以及层与层之间的耦合作用，优化了设计流程和设计速度，能够实现仿测更精准的拟合。通过在透波蒙皮中加入低介电介质，在尽可能不影响力学性能的情况下改善透波蒙皮在高频的透波问题，通过透波蒙皮的透波改善和下层吸波装置的精准设计，实现了良好的电磁波吸收效果。
考虑到高强度和吸波功能(实现隐身功能)一体化，需要充分考虑到预浸料的加载对吸波结构性能的影响，这里提出了将预浸料和电阻膜功能层作为一个整体进行阻抗分析，简化阻抗匹配过程、达到快速实现吸波结构设计的目的；另外，本发明在两个透波介质板之间插入一层或多层低介电介质，有效改善了透波蒙皮带来高频透波恶化问题，使高频吸波性能得到明显改善。
本发明在透波介质层中加入一种或多种低介电介质来改善高频的透波问题，增强透波介质层高频透波，进而增强吸波结构的吸波效果。
优选地，任一所述电阻膜频率选择表面功能层上的FSS图形包括多个按行列周期排布的FSS单元。所述FSS单元的周期为9-10mm，任一所述电阻膜频率选择表面层的电阻膜表面方阻为10-100Ohm/sq。低方阻的选取是为了减小高频频散对设计性能的影响。
优选地，电阻膜频率选择表面层的FSS单元为方环图案，为封装保护留下更大空隙。
优选地，全反射底板为实心或空心的全反射背板。
优选地，采用聚氨酯改性环氧树脂体系材料对电阻膜频率选择表面功能层进行图案化保护，使电阻膜频率选择表面裸漏衬底部分与粘合介质层进行粘合，实现了在不影响电性能情况下的力学性能稳定。
在第一透波介质层和第二透波介质层之间加入一种或多种低介电介质来改善高频的透波问题，进一步增强高频的吸波效果。紧邻第二透波介质层的介质支撑层的材料为低介电泡沫，所述低介电泡沫的相对介电常数为1-1.3，在不影响下层反射率的情况下改善整体阻抗，进而实现与上层透波层更好的阻抗匹配效果。FSS图形包括多个按行列周期排布的方环单元，为封装保护留下更大空隙。FSS单元的周期为9-10mm，电阻膜频率选择表面层的电阻膜表面方阻为10-100Ohm/sq，低方阻的选取是为了减小高频频散对设计性能的影响。电阻膜频率选择表面层的FSS单元的线宽为0.1-3mm，单元间缝隙为0.3-2mm。上述全反射底板为金属底板或碳纤维板。上述介质隔离层的材料为芳纶纸蜂窝材料、PMI泡沫材料，相对介电常数范围为1.07-1.15，损耗角正切范围为0.001-0.004，厚度为0.5mm～10mm。上述介质衬底层的材料均为玻璃纤维增强环氧树脂或聚酰亚胺膜，相对介电常数范围为3-5，损耗角正切范围为0.01-0.02，厚度为0.025mm～0.2mm。上述预浸料粘合层的材料为玻璃纤维体系或石英纤维体系，相对介电常数范围为3-5，损耗角正切范围为0.001-0.02，厚度为0.05mm～0.2mm。采用聚氨酯改性环氧树脂体系材料对电阻膜频率选择表面功能层进行图案化保护，使电阻膜频率选择表面裸漏衬底部分与粘合介质层进行粘合，实现了在不影响电性能情况下的力学性能稳定。
下表1为相同厚度的玻纤纤维预浸料-PMI泡沫夹层结构(结构一)和纯PMI泡沫结构(结构二)力学强度仿真案例计算结果。由表1可知：结构一变形值为0.87mm，最小安全系数：玻璃纤维预浸料为250/4.08＝61.3、PMI泡沫为2.0/0.02＝100；结构二变形值为51.27mm，最小安全系数：PMI泡沫为2/1.73＝1.16。结构一变形值远小于结构二，安全系数远高于结构二。综上分析可知，结构一力学强度远高于结构，因此，在强度吸波功能一体化结构的设计中需要采用玻璃纤维预浸料提升结构的力学性能。
表1玻璃纤维预浸料-PMI泡沫夹层结构和纯PMI泡沫结构力学强度仿真
本发明所提供的复合吸波装置的吸波频段为2-18GHz，覆盖角域为0-45°。为了进一步说明本发明所提供的结构强度隐身功能一体化的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，以N取值为3为例，结合实施例进行详述。
以下为具体实施例
实施例1
一种结构强度隐身功能一体化的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，如图1所示，至上而下依次包括第一透波介质层1(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、透波改善层2(材料为芳纶纸蜂窝，相对介电常数为1.07，损耗角正切为0.0017)、第二透波介质层3(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第一支撑介质层4(材料为芳纶纸蜂窝，相对介电常数为1.07，损耗角正切为0.0017)、第一粘合介质层5(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第一电阻膜频率选择表面功能层18、第一衬底介质层6(材料为玻璃纤维增强环氧树脂，相对介电常数4.4，损耗角正切0.015)、第二粘合介质层7(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第二支撑介质层8(材料为浸渍芳纶蜂窝，相对介电常数1.4，损耗角正切0.05)、第三粘合介质层9(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第二电阻膜频率选择表面功能层19、第二衬底介质层10(材料为玻璃纤维增强环氧树脂，相对介电常数4.4，损耗角正切0.015)、第四粘合介质层11(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第三支撑介质层12(材料为浸渍芳纶蜂窝，相对介电常数1.7，损耗角正切0.06)、第五粘合介质层13(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第三电阻膜频率选择表面功能层20、第三衬底介质层14(材料为玻璃纤维增强环氧树脂，相对介电常数4.4，损耗角正切0.015)、第六粘合介质层15(材料为玻璃纤维体系，相对介电常数4.5，损耗角正切0.015)、第四支撑介质层16(材料为浸渍芳纶蜂窝，相对介电常数2.5，损耗角正切0.15)和全反射底板17。
其中，全反射底板17为金属背板，尺寸为300mm×300mm，厚度为5mm；第一电阻膜频率选择表面功能层18如图2所示，周期为9.7mm×9.7mm，外环为5.5mm×5.5mm，线宽0.5mm，方阻30Ohm；第二电阻膜频率选择表面功能层19如图3所示，周期为9.7mm×9.7mm，外环为8.9mm×8.9mm，线宽1.35mm，方阻60Ohm；第三电阻膜频率选择表面功能层20如图4所示，周期为9.7mm×9.7mm，外环为8.3mm×8.3mm，线宽1mm，方阻70Ohm。
对于本实施例提出了一种基于三层频选复合层的吸波功能结构；如图5所示为第一透波介质层1和第二透波介质层3中间加入了透波改善层2引起的透波层阻抗变换；由于透波介质板引入，高频阻抗远远偏离了Smith圆图的中心，也就说高频透波遭到严重恶化。通过在透波介质层中间插入透波改善层(材料为泡沫)，使由于透波介质层加入导致的高频阻抗在偏离原点的过程中，由于泡沫的加入使整体阻抗，尤其是高频阻抗向与原来相反方向变换而靠近原点，接着再经过上层透波介质层的变换，使整体阻抗，尤其是高频阻抗更为接近原点，最终实现了全频段，尤其是高频的透波改善。第一介质支撑层4在不改变下层反射率的情况下实现对下方吸波结构整体的阻抗变换，下层阻抗通过频选复合层和梯度介质复合作用得到，通过对频选复合层进行整体分析，优化了设计流程，下层阻抗经过期望的变换后进而与透波改善后的透波介质层进行复合作用，最终实现一个宽频段宽角域的吸波效果。
在电磁仿真软件HFSS中，针对两种不同极化情况，进行了0-45°角域范围内斜入射条件下的反射率计算。吸波装置在TE极化下的斜入射反射率特性如图6所示，在TM极化下的斜入射反射率特性如图7所示。可以看出，在加载透波改善层下，吸波功能结构的正入射吸波性能在2-18GHz频率范围内均能实现-10dB的反射率缩减效果。在0-45°斜入射角域范围内，两种极化情况下，功能吸波结构依然保持低反射特性，实现了电磁波吸收的目标。
实施例2
本实施例中一种结构强度隐身功能一体化的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置。同实施例1；在实施例1的基础上，进一步地，透波改善层2，第二支撑介质层8、第三支撑介质层12、第三支撑介质层16更换成PMI泡沫，其介电常数为1.10，介电损耗角正切为0.038。
在电磁仿真软件HFSS中，针对两种不同极化情况，进行了0-45°角域范围内斜入射条件下的反射率计算。吸波装置在TE极化下的斜入射反射率特性如图8所示，在TM极化下的斜入射反射率特性如图9所示。可以看出，在加载透波改善层下，吸波功能结构的正入射吸波性能在2-18GHz频率范围内均能实现-10dB的反射率缩减效果。在0-45°斜入射角域范围内，两种极化情况下，吸波功能结构依然保持低反射特性，实现了电磁波吸收的目标。
实施例3
本实施例中吸波功能结构同实施例1；在实施例1的基础上，进一步地，第一透波介质层1、第二透波介质层3、第一粘合介质层5、第二粘合介质层7、第三粘合介质层9、第四粘合介质层11、第五粘合介质层13、第六粘合介质层15材料由玻璃纤维体系改成石英纤维体系，其介电常数为3.34，介电损耗角正切为0.007。
在电磁仿真软件HFSS中，针对两种不同极化情况，进行了0-45°角域范围内斜入射条件下的反射率计算。吸波装置在TE极化下的斜入射反射率特性如图10所示，在TM极化下的斜入射反射率特性如图11所示。可以看出，在加载透波改善层下，吸波功能结构的正入射吸波性能在2-18GHz频率范围内均能实现-10dB的反射率缩减效果。在0-45°斜入射角域范围内，两种极化情况下，吸波功能结构依然保持低反射特性，实现了电磁波吸收的目标。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，自上而下依次包括第一透波介质层、透波改善层、第二透波介质层、频选复合层、全反射底板；所述频选复合层至少为两层，任一所述频选复合层包括自上而下的第一粘合介质层、电阻膜频率选择表面功能层、衬底介质层、第二粘合介质层；任一所述频选复合层的上面和下面都为支撑介质层；
所述透波改善层的介电常数低于所述第一透波介质层和第二透波介质层。
2.如权利要求1所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，任一所述电阻膜频率选择表面功能层上的FSS图形包括多个按行列周期排布的FSS单元。
3.如权利要求2所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，所述FSS单元的周期为9-10mm，任一所述电阻膜频率选择表面层的电阻膜表面方阻为10-100Ohm/sq。
4.如权利要求2或3所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，所述FSS单元为方环图案。
5.如权利要求4所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，所述方环图案的线宽为0.1-3mm，单元间缝隙为0.3-2mm。
6.如权利要求4所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，所述方环图案的环宽为0.1-3mm，单元间缝隙为0.3-2mm。
7.如权利要求1所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，采用聚氨酯改性环氧树脂体系材料对所述电阻膜频率选择表面功能层进行图案化保护，使所述电阻膜频率选择表面裸漏衬底部分与第一粘合介质层和第二粘合介质层进行粘合。
8.如权利要求7所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，紧邻所述第二透波介质层的介质支撑层的材料为低介电泡沫，所述低介电泡沫的相对介电常数为1-1.3。
9.如权利要求1所述的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置，其特征在于，所述第一透波介质层、第二透波介质层、任一所述第一粘合介质层以及任一所述第二粘合介质层的材料为玻璃纤维体系预浸料或石英纤维体系预浸料；
所述透波改善层的材料为PMI泡沫；
任一所述支撑介质层的材料为芳纶纸蜂窝材料、玻璃纤维增强环氧树脂材料、陶瓷材料、聚酯材料或PMI泡沫，厚度为0.5mm～10mm；
任一所述衬底介质层的材料为玻璃纤维增强环氧树脂或聚酰亚胺膜，厚度为0.025mm～0.2mm。
10.如权利要求1-9任意一项多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置在隐身舰船中的应用。
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| CN202410312598.1A CN118040332A (zh) | 2024-03-19 | 2024-03-19 | 一种高力学强度的多层电阻膜频率选择表面复合吸波装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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2024
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