CN107946761A - 一种基于带通型频率选择表面的铁基吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，用于解决现有吸波体低频段吸波性能不足的问题，并同时实现高频段具有较好的吸波性能和稳定性。包括在二维平面内周期排列构成的若干相同单元结构，单元结构由铁基吸波层和带通型频率选择表面构成，铁基吸波层为双层结构，经优化方法优化后，能呈现高频吸波性能，所述带通型频率选择表面包括介质板、位于介质板上层的金属环、紧贴介质板下表面的金属膜。本发明易于实现单元的小型化，具有工作频带宽、低频带吸收率高的优点，在S波段和C波段具有强吸波性能，并能够在X波段和Ku波段表现出较好的屏蔽性能和稳定性。

Description

一种基于带通型频率选择表面的铁基吸波体
技术领域
本发明涉及吸波材料中的频率选择表面技术领域，特别涉及一种基于带通型频率选择表面的铁基吸波体。
背景技术
吸波体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸波材料，对于避免电磁辐射危害以及避免电子设备的电磁干扰等有着很好的效果。目前美、日、西欧国家在电磁波吸收体的研究上处于世界领先地位，它们已分别研究出了毫米厚度的民用电磁波吸收体。最先进的吸收体结构是美国用在军用隐身飞机上的电磁波吸收体结构，这种结构可以在较宽的频带内使雷达波的反射降低7～10dB。
常见的吸波材料主要包括铁基吸波材料、碳系吸波材料、导电高分子、手性吸波材料、频率选择表面等。然而，上述吸波材料很难同时满足“薄”、“轻”、“宽”、“强”四种性能，如铁基吸波材料在厚度较薄的情况下能够实现较高的吸收，但是密度大，实现宽频吸收难；碳系吸波材料具有轻质特点，但在实现优异的吸波性能时所需厚度较厚；频率选择表面在一定厚度下能够达到较低的密度，能克服前两者的不足，但实现的吸波带宽却比较窄。因此，将铁基吸波材料与频率选择表面结合，发挥二者的优势特性，是今年来的一个研究热点。
空军工程大学韩鹏等在《物理学报》2016年第19期发表文献《基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究》，介绍基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究，利用介质陶瓷和铁氧体材料构建可调型带通频率选择表面，C波段波导模式下两种结构在同一个频点电磁谐振耦合，可以实现“双负”通带的传输效果，但是该文献未对其他波段的吸波性能进行设计研究。
中国专利申请公布号CN 103490171 A，公开日为2014.01.01，公开一种复合宽频吸波材料，该发明公开的复合宽频吸波材料包括地板、介质板、频率选择表面和基体材料层，频率选择表面和地板分别设于介质板的上下表面，基体材料层涂覆于频率选择表面上，频率选择表面设有若干周期排列的无源谐振单元，无源谐振单元采用耶路撒冷十字型结构，该发明在4.6～14.8GHz频带内反射系数小于-10dB，在一个相对较宽的频带范围内具有良好的吸波特性。但是该发明存在低频段的带宽不都宽，未能同时实现C和X波段的强吸收的缺陷。
中国专利申请公布号CN 105655721 A，公开日为2016.06.08，公开一种基于频率选择表面的双波段复合宽频带吸波材料，该发明包括基体材料层，频率选择表面、介质板和地板，频率选择表面和地板分别印刷在介质板的上下表面，基体材料层和介质板形成上下层叠结构，频率选择表面由M×N个无源谐振单元周期排列而成，其中M≥3，N≥3；无源谐振单元由正方形环贴片和位于其内部变形的耶路撒冷十字型贴片组成，且两者的中心点重合，其中变形的耶路撒冷十字型贴片由中间十字、位于该中间十字轴线上且与其依次相连的四个圆环和四个工字型结构组成，该发明具有吸收频带宽，吸波特性强的优点，能够实现对C和X波段电磁波的吸收屏蔽。该发明能在C波段或者X波段对电磁波呈现良好的吸波性能，但不能在S波段实现强吸波性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，用于解决吸波体低频带吸波性能不足，同时能够实现高频段具有较好的屏蔽性能和稳定性。所述吸波体由若干相同单元结构在二维平面内周期排列构成，所述单元结构包括铁基吸波层和带通型频率选择表面，所述带通型频率选择表面包括介质板、位于介质板上层的金属环、紧贴介质板下表面的金属膜。
优选地，所述铁基吸波层为双层结构，所述双层结构为以相同机械工艺制备的不同设计参数的铁基吸波材料。经优化方法优化后，能呈现高频吸波性能，所述铁基吸波层的设计参数包括材料的组分、厚度、介电常数和磁导率等。
优选地，所述金属环为凸型内弯曲结构，该结构能增大单元的等效电感，紧凑的单元间距能大大降低单元谐振频率，实现单元的小型化。
优选地，所述金属膜可采用铜、金等金属材料实现。所述介质板为PF4，其介电常数为4.4-j0.03。
本发明具有以下优点：
1、工作频带宽：本发明能在X波段(8～12GHz)和Ku波段(12～18GHz)表现出较好的屏蔽性能，工作频带宽。
2、低频带吸收率高：本发明在S波段(2～4GHz)和C波段(4～8GHz)吸波性能优于上述两个频带，对于电磁波吸收率高。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明单元结构示意图；
图2是本发明金属环结构示意图；
图3a是本发明铁基吸波层的相对介电常数参数；
图3b是本发明铁基吸波层的相对磁导率参数；
图4是本发明实施例的反射率曲线图。
图中：1-第一层铁基吸波层；2-第二层铁基吸波层；3-金属环；4-介质板；5-金属膜。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
如图1所示，基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，由若干相同单元结构在二维平面内周期排列构成，所述单元结构包括铁基吸波层和带通型频率选择表面，所述铁基吸波层包括第一层铁基吸波层1、第二层铁基吸波层2，所述带通型频率选择表面包括金属环3、介质板4与金属膜5。所述金属环3位于所述介质板4上层，所述金属膜5紧贴介质板4下表面。作为一种优选的方案，本实施例所述介质板4为PF4，其介电常数为4.4-j0.03，厚度为6mm，所述金属膜5采用铜实现，电导率为5.8×107S/m。
如图2所示，所述金属环3的尺寸为：p＝20mm，L＝16.8mm,l＝0.4mm，w＝1.2mm，d＝8.4mm，厚度为0.036mm。
优选地，所述铁基吸波层设有双层结构，所述双层结构为以相同机械工艺制备的不同设计参数的第一层铁基吸波层1和第二层铁基吸波层2。经优化方法优化后，能呈现高频吸波性能，所述铁基吸波层设计参数包括材料的组分、厚度、介电常数和磁导率等。所述第一层铁基吸波层1和第二层铁基吸波层2的相对介电常数和相对磁导率如图3a和图3b所示。
优选地，所述金属环为凸型内弯曲结构，这种结构能够增大单元的等效电感，紧凑的单元间距能大大降低单元谐振频率，实现单元的小型化。
优选地，所述金属膜可以采用铜、金等金属材料实现。
进一步的，采用基于有限元积分法的商用仿真软件CST对实施例进行仿真，并结合仿真结果，对本发明效果进行说明：
如图4所示，基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，不仅在2.5～6GHz范围内实现较好的吸波效果，出现窄频吸波峰值，同时在6～18GHz范围内的反射率也能保持在-8dB左右，具有很好的稳定性。本发明能够透射并损耗低频的电磁波，能够屏蔽高频的电磁波，高频电磁波入射到表层铁基吸波材料中时能够得到有效损耗，到达带通选择表面时能够直接反射并实现第二次乃至更多次的损耗，最终高频电磁波将在铁基材料内部得到损耗。实施例说明本发明在拓宽低频吸波性能的基础上仍能保证高频吸收性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，由若干相同单元结构在二维平面内周期排列构成，其特征在于：所述单元结构包括铁基吸波层和带通型频率选择表面，所述带通型频率选择表面包括介质板、位于介质板上层的金属环、紧贴介质板下表面的金属膜。
2.根据权利要求1所述的基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，其特征在于：所述铁基吸波层为双层结构，所述双层结构为以相同机械工艺制备的不同组分的铁基吸波材料。
3.根据权利要求1所述的基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，其特征在于：所述金属环为凸型内弯曲结构。
4.根据权利要求1所述的基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，其特征在于：所述金属膜采用铜、金等金属材料实现。
5.根据权利要求1所述的基于带通型频率选择表面的铁基吸波体，其特征在于：所述介质板为PF4，其介电常数为4.4-j0.03。
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