CN105244630A - 新型三维结构宽带超轻吸波材料及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型三维结构宽带超轻吸波材料及其设计方法，该吸波材料包括金属底板、三维旋转支架以及上表面的方形电阻片构成的周期阵列，所述三维旋转支架结构由相连的一个正方形平面电阻片和四个菱形平面电阻片构成，四个菱形平面电阻片分别与正方形的平面电阻片四条边相连，且分别沿着正方形平面电阻片的边沿向正方形中心翻折一定角度α，所述的正方形平面电阻片和菱形平面电阻片的边长均相同，所述正方形平面电阻片、菱形平面电阻片和方形电阻片均由电阻膜加工而成。本发明能够针对TM极化方式的电磁波在垂直和斜入射的情况下都具有较好的宽带吸波效果，特别是大入射角情况下的电磁波也具备较好的宽带吸波效果。

Description

新型三维结构宽带超轻吸波材料及其设计方法

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，具体涉及一种具有改善TM波大入射角吸性能的新型三维结构宽带超轻吸波材料。

背景技术

电磁隐身技术能够有效控制或抑制目标的雷达特征信号，降低目标被发现、识别、追踪以及摧毁的概率，从而提高武器装备的生存力和作战效能。雷达吸波材料是电磁隐身领域中一种有效的手段，已逐渐成为军事应用领域关注的重点。与此同时，电子产品日益普及、电磁辐射几乎无处不在，电磁“污染”问题诸如电磁干扰和电磁兼容等已经成为影响人体健康的课题。利用雷达吸波材料的屏蔽作用，也可以有效抵挡电磁环境中的“电磁污染”。

超材料通常是由亚波长单元结构组成的周期阵列人工复合材料，具有很多自然材料所不具备的优异性能。将超材料的结构设计引入到电磁吸波材料，可以得到至少两方面的突破：一、材料的整体性能是由组成该材料的周期单元的结构特性进行调节和控制，而传统吸波材料的性能只是由组成材料本身的特性所决定；二、亚波长的单元结构给了我们设计具有超薄厚度的吸波材料提供新的设计思路。因此，基于超材料结构的电磁吸波材料设计与制备研究，正成为材料领域研究的热点。

基于超材料结构的雷达吸波材料是一种多功能复合材料，具有针对性强、吸波性能好、质量轻、力学性能满足承载要求等优点，已成为当代隐身材料重要的发展方面。然而，随着探测***性能的不断提高，对雷达吸波材料宽入射角吸波性能提出了新的要求，特别是针对大入射角电磁波的吸收性能，已成为研究者急待解决的难题。目前，有些设计通过增加高介电层表面和多层结构来提升雷达吸波材料对斜入射角的吸波性能的稳定性，但是在大角度情况下的吸波性能仍然没有得到解决。随着超材料设计由二维平面向三维结构拓展，将三维结构引入电磁吸波材料，其综合性能会有更多的突破。因此，开展三维结构电磁吸波超材料的研究已成为改善大入射角吸收性能的有效途径之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种新型三维结构宽带超轻吸波材料及其设计方法，将传统的电阻型频率选择表面吸波材料的泡沫介质层用具周期排布的、有一定折角的三维旋转支架结构代替，从而得到了一款三维结构吸波超材料，它的上表面是一层电阻型频率选择表面，每个频选单元下面对应的是一个具中心旋转对称结构的三维支架。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

具有改善TM波大入射角吸性能的三维结构宽带超轻吸波材料，包括金属底板、三维旋转支架以及上表面的方形电阻片构成的周期阵列，所述三维旋转支架结构由相连的一个正方形平面电阻片和四个菱形平面电阻片构成，四个菱形平面电阻片分别与正方形的平面电阻片四条边相连，且分别沿着正方形平面电阻片的边沿向正方形中心翻折一定角度α，所述的正方形平面电阻片和菱形平面电阻片的边长均相同，所述正方形平面电阻片、菱形平面电阻片和方形电阻片均由电阻膜加工而成。

其中，所述电阻膜由导电碳浆通过丝网印刷技术印制在介电薄膜上制备而成，所述电阻膜的厚度为10～15um，方阻值为140Ω/sq；介电薄膜为PET薄膜，厚度要求在0.1mm以内，相对介电常数实部为3.8，虚部为0.018。

其中，所述四个菱形电阻片沿着相邻90°的方向分别与上表面电阻片呈(180-α)角度的倾斜放置，因此，该结构比普通二维平面电阻型频率选择表面吸波材料多了一个竖直方向的电场响应。进而使得该吸波超材料对斜入射的电磁波具有更好的宽带吸收特性。

其中，所得四个菱形电阻片沿着相邻90°的方向分别与金属背板呈(180-α)角度的倾斜放置。因此，具有一定的力学稳定性。该支架组成的周期阵列完全能够支撑起上表面的电阻型频选层。

其中，所述上表面的方形电阻片为方形结构的电阻型频选层，每个单元的尺寸与下面的三维旋转支架的单元尺寸相同，且组合时要求上下两个单元的中心轴完全重合。上表面的方形电阻片通过优化得到最佳的宽带阻抗匹配，用以实现对垂直入射的电磁波的宽带吸收。

上述具有改善TM波大入射角吸性能的三维结构宽带超轻吸波材料通过以下方法制备：

S1、取一个正方形平面电阻片和四个菱形电阻片，将四个菱形分别与正方形的四条边相连，将四个菱形分别沿着正方形的边沿向正方形中心翻折一定角度，然后倒置放于金属板上，得三维旋转支架；

S2、将三维旋转支架结构按照一定的单元尺寸在金属板上作周期排布，得到了具有一定厚度的三维结构超材料吸波体；

S3、在整个吸波体表面附上一层周期单元的电阻型频率选择表面，将上层的电阻频选层的每个单元中心与三维旋转支架的每个单元中心对齐后，粘合在一起，得具有改善TM波大入射角吸收性能的吸波超材料。

本具体实施的三维旋转对称结构的支架是具有中性对称且是双轴各相异性的结构单元。因此，该吸波超材料对垂直入射的电磁波必然具有计划无关的吸收特性。同时，对于斜入的电磁波也必然起到吸波性能增强的作用。由于上表面的方形电阻片和下面倾斜放置的具有旋转对称排布的菱形电阻片共同作用，使得该吸波结构对垂直入射和斜入射的TM电磁波都具有宽带吸收性能，由于四个菱形沿着相邻90°的方向分别与金属背板(或上表面电阻片)呈(180-α)角度的倾斜放置。当入射电磁波角度为(180-α)，此时，在竖直方向和水平方向上的电场相应均是最强的。因而，在-10dB以下的吸收带宽也是最宽的。通过合理的选取(180-α)的角度，就可以得到针对大入射角吸波性能最佳的宽带吸波超材料。

本发明具有以下有益效果：

1)电阻片作为吸波材料具有制备工艺简单成熟、可操作性强、成本较低的特点；

2)整个吸波材料质量非常轻，其面密度为0.023g/cm²，比由泡沫介质填充的Salisbury屏和Jaumann吸波体还要小。

3)对于斜入射角的吸收特性，该吸波超材料具有与传统二维平面的电阻型频率选择表面吸波材料相反的特点。该吸波材料随着斜入射角度的增大，在-10dB以下的吸收带宽会进一步增大。

4)研究发现，当斜入电磁波的入射角度与斜置的电阻片的斜置角度(180-α)一致时，此时，对于-10dB以下的吸收带宽达到最大值。

5)制备出的吸波材料对入射角在0°到75°范围内的TM极化波，具有3.6-11.4GHz的宽带吸收性能

附图说明

图1为本发明实施例中旋转对称支架结构单元的加工示意图；

图2为本发明实施例中旋转对称支架阵列结构示意图；

图3为本发明实施例中吸波超材料的单元俯视图；

图4为本发明实施例中吸波超材料的单元侧视图；

图5为本发明实施例中吸波超材料的整体结构示意图；

图6为本发明实施例中吸波超材料对于TM极化波在入射角度分别为0°，25°，45°，65°和75°时的S₁₁图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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。

为了便于描述，将本发明视为由M×N个三维旋转对称支架组成的周期阵列和一层由M×N个方形电阻片构成的电阻型频选层组合而成，M为行数，N为列数。每个周期单元都是由一个方形结构和四个菱形结构构成的电阻片组合而成。这里的电阻片主要是由电阻膜构成。电阻膜是用导电碳浆通过丝网印刷技术在介电薄膜上印刷得到，其厚度为10～15um，方阻值为140Ω/sq左右。介电薄膜选用PET薄膜，其厚度为0.1mm，相对介电常数的实部为3.8，虚部为0.018。由于介电薄膜的厚度较薄，在仿真过程中，介电薄膜对整个吸波材料的吸波性能不会产生影响。

如图1所示，每个旋转对称支架其实都是由一平面的电阻片通过折叠得到的。该平面电阻片是由是一个正方形和四个菱形构成的。正方形位于中间部分，四个菱形分别与正方形的四条边相邻。并且正方形的和菱形的边长均为a＝12.8mm，菱形的夹角为β＝43.3°。然后，将四个菱形分别沿着正方形的边沿向正方形中心翻折，翻折的角度为α＝115°，然后倒置放于金属板上，就构成了具有三维旋转对称性的支架结构。

将三维旋转支架结构按照每个单元/＝31.4mm在金属板上作周期排布，得到了具有一定厚度的三维结构超材料吸波体，如图2所示。同时，需要在整个吸波体表面附上一层正方形单元的电阻型频选层。正方形的边长为A＝25.8mm，同样也按照每个单元/＝31.4mm作周期排布。

最后需要将方形的平面电阻片与旋转对称支架按中心坐标重合的形式，粘贴在一起。得到如图3和4所示的，一种类似于蘑菇状的三维结构超材料单元。当二维平面的电阻型频选层与旋转对称支架阵列完全粘贴在一起时，就组成了如图5所示的三维结构的吸波超材料。

如图6所示，通过上述方案设计得到的一款具有改善TM波大入射角吸收性能的吸波超材料，对于TM极化方式下入射电磁波，入射角为0°时，其-10dB以下的吸收频段为：3.6-11.4GHz；入射角为15°时，其-10dB以下的吸收频段为：3.6-12.5GHz；入射角为25°时，其-10dB以下的吸收频段为：3.6-13.0GHz；入射角为45°时，其-10dB以下的吸收频段为：3.4-16..0GHz；入射角为65°时，其-10dB吸收频段为：2.8-18.0GHz；入射角为75°时，其-10dB以下的吸收频段为：3.2-18.0G。

综上所述，对于斜入射的TM极化波，当入射角与斜置的电阻片角度相等时，即入射角为65°，该吸波超材料在-10dB以下的吸收带宽达到最大值。入射角在0-65°范围内，-10dB以下的吸收带宽随着入射角度的增大而增大；而入射角超过65°时，该吸波超材料在-10dB以下的吸收带宽开始急剧减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.新型三维结构宽带超轻吸波材料，其特征在于，包括金属底板、三维旋转支架以及上表面的方形电阻片构成的周期阵列，所述三维旋转支架结构由相连的一个正方形平面电阻片和四个菱形平面电阻片构成，四个菱形平面电阻片分别与正方形的平面电阻片四条边相连，且分别沿着正方形平面电阻片的边沿向正方形中心翻折一定角度a，所述的正方形平面电阻片和菱形平面电阻片的边长均相同，所述正方形平面电阻片、菱形平面电阻片和方形电阻片均由电阻膜加工而成。

2.根据权利要求1所述的新型三维结构宽带超轻吸波材料，其特征在于，所述电阻膜由导电碳浆通过丝网印刷技术印制在介电薄膜上制备而成，所述电阻膜的厚度为10～15um，方阻值为140Ω/sq；介电薄膜为PET薄膜，厚度要求在0.1mm以内，相对介电常数实部为3.8，虚部为0.018。

3.根据权利要求1所述的新型三维结构宽带超轻吸波材料，其特征在于，所述四个菱形电阻片沿着相邻90°的方向分别与上表面电阻片呈(180-a)角度的倾斜放置。

4.根据权利要求1所述的新型三维结构宽带超轻吸波材料，其特征在于，所得四个菱形电阻片沿着相邻90°的方向分别与金属背板呈(180-a)角度的倾斜放置。

5.根据权利要求1所述的新型三维结构宽带超轻吸波材料，其特征在于，所述上表面的方形电阻片为方形结构的电阻型频选层，每个单元的尺寸与下面的三维旋转支架的单元尺寸相同，且组合时要求上下两个单元的中心轴完全重合。

6.新型三维结构宽带超轻吸波材料的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、取一个正方形平面电阻片和四个菱形电阻片，将四个菱形分别与正方形的四条边相连，将四个菱形分别沿着正方形的边沿向正方形中心翻折一定角度，然后倒置放于金属板上，得三维旋转支架；

S2、将三维旋转支架结构按照一定的单元尺寸在金属板上作周期排布，得到了具有一定厚度的三维结构超材料吸波体；

S3、在整个吸波体表面附上一层周期单元的电阻型频率选择表面，将上层的电阻频选层的每个单元中心与三维旋转支架的每个单元中心对齐后，粘合在一起，得具有改善TM波大入射角吸收性能的吸波超材料。