CN217387546U - 基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，自上而下包括顶层损耗层、透明介质层和底层频率选择表面，所述顶层损耗层包括四个第一金属贴片单元和一个第二金属贴片单元，第二金属贴片单元位于顶层损耗层的几何中心位置，所述四个第一金属贴片单元呈中心对称分布在第二金属贴片单元四周并与第二金属贴片单元连接，所述第一金属贴片单元、第二金属贴片单元和底层频率选择表面均采用金属细线构成，本实用新型的透明低损耗吸透一体化频率选择表面制造工艺简单，制备成本较低，解决了现有技术中存在的吸透一体化频率选择表面透明度低的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型属于天线隐身技术领域，主要涉及吸波透波一体化频率选择表面，可用于隐身天线罩和电磁屏蔽。
背景技术
频率选择表面(FSS)是一种由特定单元及其排列方式形成的二维周期性结构，具有广泛的应用，其中最重要的应用是隐身天线罩。传统的频率选择表面天线罩在特定频带上表现出良好的传输性能，而其他频带上的电磁波被全反射，但这种隐身手段只对单基站雷达有明显的隐身效果。为了实现双基站或多基站探测的隐身，研究人员提出了一种吸透一体化频率选择表面，其具有带内透波和带外吸波的特性，对带外入射的电磁波进行吸收而不是反射，提高了雷达的隐身能力。
近年来，光学透明度成为隐身材料设计的重要性能指标。透明隐身材料在隐形飞机的玻璃窗、雷达罩的观察窗等方面有着重要的应用。然而，由于技术的障碍，目前还没有提出有效实现透明吸透一体化频率选择表面的方法。实现透明的吸透一体化频率选择表面，透明损耗层的设计是关键。良好的吸透一体化频率选择表面为了保证通带内的低插入损耗，顶层损耗层需使用高导电性材料实现高品质因数的并联谐振。另一方面为了在通带之外产生一个较宽的吸收带，需采用低电导率材料吸收电磁波。若为了保证一定的光学透明度，使用低电导率的透明金属材料，如氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)或石墨烯来制造损耗层，会在通带内产生高插入损耗。如果采用两种不同电导率的材料进行透明损耗层的设计，会存在不同材料连接处电阻不确定、性能不稳定、加工困难和制作成本较高等问题。例如，申请公布号为CN 112821081 A，名称为“具有高频宽带吸波和低频透波的吸透一体化频率选择表面”的专利申请，公开了一种具有高频宽带吸波和低频透波的吸透一体化频率选择表面结构，其采用高精度图案化的电阻膜来实现高频段的宽带吸收层，同时，设计了一个具有低频带通，高频大反射窗口的带通FSS结构，该层由两个谐振FSS层组成。该结构在正入射情况下，其在较低的频带(2.9-3.2GHz)透射，在较高的频带(8.6-15.1GHz)吸波。该吸透一体化频率选择表面提高了通带稳定性和带外选择特性，但损耗层由电阻性的耶路撒冷十字结构组成，谐振层采用圆形金属片和方形金属条带，介质层均为罗杰斯4350B板材，整体结构并不透明。
目前提出的透明电磁吸波器采用透明金属材料，可以实现较高的光学透明度。例如，申请公布号为CN 114122738 A，名称为“一种基于ITO电阻膜的透明宽带电磁吸波器”的专利申请，公开了一种光学透明吸波器结构。该专利介质层均采用透明度极高的钙钠玻璃，导电薄膜和阻性薄膜采用透光良好氧化铟锡材料，在保证吸波带宽和吸波率(吸波带宽内吸波率大于90％)的同时,实现了电磁吸波器的良好透光性能。但该透明吸波结构只能在特定的频带中实现电磁波的吸收，不能在通带外实现透波效果。因此，实现透明的吸透一体化频率选择表面仍然是一个挑战。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，用以解决现有技术中存在的吸透一体化频率选择表面透明度低的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，自上而下包括顶层损耗层、透明介质层和底层频率选择表面，所述顶层损耗层包括四个第一金属贴片单元和一个第二金属贴片单元，第二金属贴片单元位于顶层损耗层的几何中心位置，所述四个第一金属贴片单元呈中心对称分布在第二金属贴片单元四周并与第二金属贴片单元连接，所述第一金属贴片单元、第二金属贴片单元和底层频率选择表面均采用金属细线构成。
进一步的，所述第一金属贴片单元为T型金属网格结构，所述第二金属贴片单元为螺旋方形金属环结构。
进一步的，底层频率选择表面由蜂窝状金属网和方形带状环组成，所述方形带状环设置在透明介质层的下表面，且方形带状环的几何中心与透明介质层的几何中心重合，蜂窝状金属网分布在除方形带状环外的透明金属网的下表面上。
进一步的，所述蜂窝状金属网和方形带状环均由金属细线制造。
进一步的，所述第一金属贴片单元、第二金属贴片单元和底层频率选择表面的屏蔽效能大于10db，透光率范围大于50％。
进一步的，所述透明介质层包括第一介质层、中间空气层和第二介质层。
进一步的，所述透明介质层的厚度为λ/4，其中λ为谐振频率下自由空间中的波长。
进一步的，顶层损耗层下表面与第一介质层上表面固定连接、第一介质层的下表面与中间空气层相接。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层均为透明介质且厚度相等。
进一步的，所述第二介质层的上表面与中间空气层相接，所述第二介质层的下表面与底层频率选择表面的上表面固定连接。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
本实用新型提供一种基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其顶层损耗层的第一金属贴片单元、第二金属贴片单元以及底层频率选择表面均由金属细线构成，金属细线在光学频段透明结合中间的透明介质层，与传统的结构相比，该结构第一次有效实现了透明的吸透一体化频率选择表面。
与使用ITO等透明材料的设计方法相比，本实用新型的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，通过改变金属细线的结构，同时实现了高品质因数的并联谐振和低品质因数的串联谐振，并且在透波频段内插入损耗较低，对电磁波具有良好的吸收和透射性能。比如所述第一金属贴片单元采用金属网格，由于其缝隙较窄，可近似等效为金属面，具有较高的电导率，不仅保证较好的吸波透波性能，还可以提高透光率；所述第二金属贴片单元采用螺旋方形金属环，由于金属线极细，电阻较高，实现了较好的吸波性能。
本实用新型的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，仅使用金属细线而非两种不同导电率的透明材料来制作顶层损耗层，制造工艺简单，制备成本较低，采用一种材料进行加工同时也提高了结构的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的吸透一体化频率选择表面的立体结构示意图。
图2为本实用新型实施例提供的吸透一体化频率选择表面的顶层结构示意图。
图3为本实用新型实施例提供的吸透一体化频率选择表面的底层结构示意图。
图4为本实用新型实施例提供的吸透一体化频率选择表面传输系数、反射系数、吸波率曲线图。
图5为本实用新型实施例提供的吸透一体化频率选择表面在TE极化下入射角度从0度增加至45度对应的传输系数和反射系数曲线图。
图6为本实用新型实施例提供的吸透一体化频率选择表面在TM极化下入射角度从0度增加至45度对应的传输系数和反射系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型提供的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，该超材料自上而下包括顶层损耗层1、第一介质层2、中间空气层3、第二介质层4和底层频率选择表面5，其中顶层损耗层1和第一介质层2固定连接；中间空气层、第二介质层4和底层频率选择表面5固定连接。在透波频段，顶层损耗层1和无损频率选择层对带内入射电磁波近似透明，使带内工作信号能以较低的插入损耗透过这两层；在吸波频段，底层频率选择表面5等效金属片，与整体结构一起产生吸波效果。
顶层损耗层1和底层频率选择表面5的屏蔽效能大于10db、透光率范围大于50％即可，其中，屏蔽效能(Shielding Effectiveness，简称SE)是用同一位置无屏蔽体时电磁场的强度与加屏蔽体之后电磁场的强度之比，用来表征金属材料的屏蔽作用；透光度是透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分比。
顶层损耗层1包括四个第一金属贴片单元11和一个第二金属贴片单元12，其中第一金属贴片单元11为T型金属网格结构，第二金属贴片单元12为螺旋方形金属环结构，第二金属贴片单元12位于顶层损耗层1的几何中心位置，四个T型金属网格呈中心对称分布在螺旋方形金属环结构四周；
如图2所示，第一金属贴片单元11的网格间缝隙较窄，可近似等效为金属面，具有较高的电导率，采用网格结构不仅可以保证较好的吸波透波性能，还可以提高透光率。
如图2所示，第二金属贴片单元12的螺旋方形金属环，由于其宽度仅3μm，电阻较高，实现了较好的吸波性能。
优选的，四个T型金属网格分别与螺旋方形金属环四边对应连接。
优选的，第一介质层2、中间空气层3和第二介质层4组成透明介质层，透明介质层的厚度为λ/4，其中λ为谐振频率下自由空间中的波长，介质层的厚度与工作频率有关，当介质层厚度取λ/4时，可使得有耗层最大程度的消耗电磁波，以达到最佳吸收效果。
优选的，第一介质层2、第二介质层4均为透明介质层且厚度相同，透明介质层的主要作用是承载顶层损耗层1和底层频率选择表面5，介质材料的性能越接近空气越好，介质的改变会影响整个结构的效果，需要对结构做出相应的调整优化
优选的，中间空气层3的厚度为8mm。
优选的，第一介质层2、第二介质层4均由相对介电常数为2.6的亚克力板组成。
优选的，如图3所示，底层频率选择表面5由直接连接的蜂窝状金属网41与方形带状环42组成，蜂窝状金属网41与方形带状环42均由金属细线制造，方形带状环42的中心与第二介质层4下表面的几何中心重合，蜂窝状金属网41均匀分布在除方形带状环42外的第二介质层4下表面。
蜂窝状金属网41与方形带状环42均为金属网栅结构，阻抗较小，在透波频带内实现了较高的传输效率，同时网栅结构提高了频率选择表面的透光率。
优选的，金属细线可以为铝、铁、锡、铜、银、金等任意一种导电材料。
实施例
参照图1，本实用新型提供基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，自上而下依次为：顶层损耗层1、中间空气层3和底层频率选择表面5。
顶层损耗层1与中间空气层3之间设有第一介质层2，第一介质层2的上表面与顶层吸收层1相接，第一介质层2的下表面与中间层3相接；
中间空气层3与底层透明选择频率5之间设有第二介质层4，该第二介质层4的上表面与中间空气层3相接，第二介质层4的下表面与底层透明选择频率5相接；
第一介质层2与第二介质层4采用相对介电常数为2.6的亚克力板(PMMA)介质，厚度均为1mm，形成一个12.5mm×12.5mm×18mm的超表面整体。
参照图2，顶层损耗层1由四个T型金属网格结构和螺旋方形金属环结构组成，螺旋方形金属环结构位于损耗层几何中心位置处，四个T型金属网格结构与其四边对应连接。
其中T型金属网格结构和螺旋方形金属环结构均采用电导率为2.5×107S/m，宽度为3μm的细铜线构成，顶层损耗层1的厚度为0.2μm。
本实施例采用但不限于如下取值：金属网格的长度分别为L1＝1mm，L2＝3.25mm，宽度分别为W1＝1.2mm，W2＝1.2mm，螺旋方形金属环L3＝1.8mm，W3＝0.3mm，W4＝0.003mm。
参照图1，中间空间层3厚度h2＝8mm。
参照图3，底层频率选择表面5由方形带状环42与蜂窝状金属网41组成。本实施例中各项参数取但不限于如下取值：方形带状环42的长度L4＝9mm，宽度W5＝0.5mm，蜂窝状金属网41的边长W6＝0.395mm，铜线宽度a＝0.009mm。
本实用新型的工作原理是，本实施例的吸透一体化频率选择表面将金属网格与传统的FSS相结合，可以产生低损耗的透明吸透一体化频率选择表面，在光学波段实现高透射率，在微波波段保持通带滤波特性。介质层的整体厚度为λ/4，使得有耗层最大程度的消耗电磁波。顶层损耗层1采用细铜线制作的金属网格，具有高品质因数的并联谐振特性，使通带内具有低插入损耗，同时实现带内传输和带外吸收。底层为无损频率选择表面层，使用具有高屏蔽效率的蜂窝金属网格膜，主要用来和第一层的损耗层进行匹配，在通带外，该结构展现的是全反射特性。此外，由于介质层均采用了亚克力基板，使得所述超表面整体光学透明度可以达到96.3％。最终本实用新型在实现高透明度的同时保持了高吸收率的效果，在2.5-6.3GHz波段内，均能实现80％的吸波率。
下面通过仿真实验，对本实用新型的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件：
1.1利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例中基本单元在0GHz-12GHz范围内应用周期边界条件进行仿真计算，结果如图4所示，图4为本实用新型提供的吸透一体化频率选择表面的反射/传输曲线、吸波率曲线。横坐标是频率，左侧纵坐标是反射系数或传输系数，右侧纵坐标是吸波率。图4中，带菱形标号的曲线表示吸波率曲线，带三角形标号的曲线表示反射系数曲线，带方形标号的曲线表示传输系数曲线。从图中可以看出本实用新型回损低于-10dB的频带范围为2.7GHz-8.9GHz，并且可以观察到带宽在2.5至6.3GHz范围内，吸收率高于80％，带宽在2.75至5.2GHz范围内，吸收率高于90％。
1.2利用商业仿真软件HFSS_19.0对本实用新型提供的吸透一体化频率选择表面分别用平行极化和垂直极化波斜入射情况下的性能进行仿真计算。结果如图5和图6所示，图中的横坐标是频率，纵坐标是反射系数或传输系数。图5和图6中反射系数在0度、15度、30度和45度的曲线标号分别为：正方形、圆形、向上的三角形和向下的三角形，曲线为实线；传输系数在0度、15度、30度和45度的曲线标号分别为：方形、圆形、向上的三角形和向下的三角形，曲线为虚线。从图中可以看出，本实用新型公开的结构在斜入射角度小于45度的情况下，透波带性能相对稳定。从图5和图6的曲线形状还可以看出，本实用新型提供的吸透一体化频率选择表面两层结构都有中心对称的特性，故在两种极化方式下，其频率响应对极化方式不敏感。从45度的反射系数或传输系数曲线中可以看出，本实用新型提供的吸透一体化频率选择表面具有一定的角度稳定性。
以上仿真结果说明，本实施例的吸透一体化频率选择表面实现了在低频较宽的频带内有效吸收电磁波，在高频以低插入损耗有效透波，该结构在TE极化和TM极化下，以不同角度入射时均能表现出良好稳定的通带以及吸波效果。
以上描述和实施例，仅为本实用新型的优选实施例，不构成对本实用新型的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本实用新型内容和设计原理后，都可能在基于本实用新型的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本实用新型思想的修正和改变仍在本实用新型的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，自上而下包括顶层损耗层(1)、透明介质层和底层频率选择表面(5)，所述顶层损耗层(1)包括四个第一金属贴片单元(11)和一个第二金属贴片单元(12)，第二金属贴片单元(12)位于顶层损耗层(1)的几何中心位置，所述四个第一金属贴片单元(11)呈中心对称分布在第二金属贴片单元(12)四周并与第二金属贴片单元(12)连接，所述第一金属贴片单元(11)、第二金属贴片单元(12)和底层频率选择表面(5)均采用金属细线构成。
2.根据权利要求1所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述第一金属贴片单元(11)为T型金属网格结构，所述第二金属贴片单元(12)为螺旋方形金属环结构。
3.根据权利要求1所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，底层频率选择表面(5)由蜂窝状金属网(41)和方形带状环(42)组成，所述方形带状环(42)设置在透明介质层的下表面，且方形带状环(42)的几何中心与透明介质层的几何中心重合，蜂窝状金属网(41)分布在除方形带状环(42)外的透明金属网的下表面上。
4.根据权利要求3所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述蜂窝状金属网(41)和方形带状环(42)均由金属细线制造。
5.根据权利要求1所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述第一金属贴片单元(11)、第二金属贴片单元(12)和底层频率选择表面(5)的屏蔽效能大于10db，透光率范围大于50％。
6.根据权利要求1所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述透明介质层包括第一介质层(2)、中间空气层(3)和第二介质层(4)。
7.根据权利要求6所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述透明介质层的厚度为λ/4，其中λ为谐振频率下自由空间中的波长。
8.根据权利要求6所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，顶层损耗层(1)下表面与第一介质层(2)上表面固定连接、第一介质层(2)的下表面与中间空气层(3)相接。
9.根据权利要求6所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述第一介质层(2)和第二介质层(4)均为透明介质且厚度相等。
10.根据权利要求6所述的基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，其特征在于，所述第二介质层(4)的上表面与中间空气层(3)相接，所述第二介质层(4)的下表面与底层频率选择表面(5)的上表面固定连接。
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