CN115473051B - 一种电磁吸波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电磁吸波结构，该电磁吸波结构包括：由上至下的表层介质阵列层、阻抗层、介质层和金属层，其中，所述阻抗层中包括阻抗型频率选择表面，所述阻抗型频率选择表面中包括至少一个导电环，任一导电环中均匀分布有多个电阻。本发明中的电磁吸波结构能够提升电磁波入射时的吸波性能。

Description

一种电磁吸波结构
技术领域
本发明涉及电磁吸波技术领域，尤其涉及一种电磁吸波结构。
背景技术
电磁(EM)吸波结构被广泛的应用与卫星导航***、电磁兼容、隐身领域等。
目前的电磁吸波结构中，电磁波入射时吸波结构的吸波性能较差，例如，在目前的电磁吸波结构，当有电磁波斜入射电磁吸波结构时，电磁波的入射角稳定性较差，为此，亟须一种新型的电磁吸波结构以改善电磁吸波结构的入射角稳定性，从而提升电磁波入射时吸波结构的吸波性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁吸波结构，能够提升电磁波入射时的吸波性能。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电磁吸波结构，包括：
由上至下的表层介质阵列层、阻抗层、介质层和金属层，其中，所述阻抗层中包括阻抗型频率选择表面，所述阻抗型频率选择表面中包括至少一个导电环，任一导电环中均匀分布有多个电阻。
可选的，所述阻抗层还包括：
阻抗匹配介质层，所述阻抗匹配介质层位于所述表层介质阵列层与所述阻抗型频率选择表面之间，用于隔离表层介质阵列层和所述阻抗型频率选择表面。
可选的，所述阻抗层还包括：
阻抗型频率选择表面衬底，所述阻抗型频率选择表面衬底位于所述阻抗型频率选择表面底部，用于承托所述阻抗型频率选择表面。
可选的，所述导电环为正六边形导电环，所述正六边形导电环上均匀设置有12个电阻，所述电阻位于导电环的环边的中心位置和顶点位置，且相邻电阻之间的距离相同。
可选的，所述正六边形导电环的环边边长范围为3.9～4.1mm，所述正六边形导电环的环边宽度范围为0.9～1.1mm，两个相邻正六边形导电环之间的间距范围为0.6～1.0mm，所述正六边形导电环上用于加载电阻的缝隙范围为0.1～1.0mm，所述电阻的阻值范围为75～85Ω。
可选的，所述正六边形导电环通过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射得到，所述正六边形导电环的材料为金、银、铜中的一种；所述正六边形导电环中的电阻包括：集总贴片电阻元件或者磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法制备得到的等效电阻中的一种或者多种。
可选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为PI膜、PEN膜、FR4板、F4B板中的一种或者多种，所述阻抗型频率选择表面衬底的衬底厚度范围为0.02～0.5mm。
可选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为FR4板，且所述FR4板的衬底厚度范围为0.1～0.4mm，其中，所述FR4板的相对介电常数范围为4.2-4.5，且损耗正切角为0.0025。
可选的，所述介质层的材料对应的相对介电常数范围为1.01～1.08，所述介质层的厚度范围为2.9～3.3mm；所述阻抗层中的阻抗匹配介质层与所述介质层的材料和厚度均相同；所述金属层的材料为铜。
可选的，所述电磁吸波结构通过对表层介质阵列层、阻抗匹配介质层、阻抗型频率选择表面、阻抗型频率选择表面衬底、介质层和金属层热压工艺形成，所述电磁吸波结构的表层介质阵列层是在热压工艺之后，对表层阵列材料层采用雕刻机进行雕刻生成，所述表层阵列材料层用于生成表层介质阵列层。
基于以上，本发明提供了一种电磁吸波结构，包括：由上至下的表层介质阵列层、阻抗层、介质层和金属层，其中，所述阻抗层中包括阻抗型频率选择表面，所述阻抗型频率选择表面中包括至少一个导电环，任一导电环中均匀分布有多个电阻。可见，本发明实施例中的电磁吸波结构的阻抗型频率选择表面中包括导电环，当电磁波入射所述电磁吸波结构时，所述阻抗型频率选择表面中导电环产生表面感应电流，将电磁能量转变为热量的形式实现能量损耗，增强了电磁波入射所述电磁吸波结构的入射角稳定性，可见，本发明实施例能够提升电磁波入射时吸波结构的吸波性能。
进一步的，本发明实施例中的表层介质阵列层能够在电磁波入射状态下，对电磁吸波结构整体结构进行阻抗补偿，实现了斜入射状态下更宽的吸波带宽，保持了极佳的吸波性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种电磁吸波结构的结构示意图；
图2为本发明实施例中电磁吸波结构对应的又一种结构示意图；
图3为本发明实施例中导电环的排布示意图；
图4为本发明实施例中电磁波垂直入射时，阻抗型频率选择表面正六边形环单元加载不同阻值的电阻所得到的TE波反射率变化曲线的示意图；
图5为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形环单元边长变化的示意图；
图6为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形环单元六个边的宽度变化的曲线的示意图；
图7为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形环单元间距变化的曲线的示意图；
图8为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随表面介质阵列单元厚度变化的曲线的示意图；
图9为本发明实施例中不同入射角对应TE波反射率随频率变化图的示意图；
图10为本发明实施例中不同入射角对应TE波吸波率随频率变化图的示意图；
图11为本发明实施例中不同入射角对应TM波反射率随频率变化图的示意图；
图12为本发明实施例中不同入射角对应TM波吸波率随频率变化图的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
电磁吸波结构是Jaumann吸波结构与金属频率选择表面结合而得到一种高性能吸波结构。相较于Jaumann结构中的全电阻膜阻抗层，电磁吸波结构中的阻抗型频率选择表面通过引入等效电容和等效电感实现了多重共振，同时多层技术可以克服窄带和厚度过厚的限制，极大地拓宽了吸波结构的应用前景。
图1为本发明实施例中提供的一种电磁吸波结构的结构示意图。参考图1所示，所述电磁吸波结构具体包括：
由上至下的表层介质阵列层10、阻抗层20、介质层30和金属层40，其中，所述阻抗层20中包括阻抗型频率选择表面22，所述阻抗型频率选择表面22中包括至少一个导电环，任一导电环中均匀分布有多个电阻。
在一种实施例中，所述导电环为正六边形导电环，所述正六边形导电环上均匀设置有12个电阻，所述电阻位于导电环的环边的中心位置，且相邻电阻之间的距离相同。
更为具体的，参考图1所示，所述阻抗层20还包括：阻抗匹配介质层21，所述阻抗匹配介质层21位于所述表层介质阵列层10与所述阻抗型频率选择表面22之间，用于隔离表层介质阵列层10和所述阻抗型频率选择表面22。
其中，所述阻抗匹配介质层21的材料对应的相对介电常数范围为1.01～1.08，所述阻抗匹配介质层的厚度范围为2.9～3.3mm。
在本申请其他实施例中，所述阻抗层20还包括：阻抗型频率选择表面衬底23，所述阻抗型频率选择表面衬底23位于所述阻抗型频率选择表面22底部，用于承托所述阻抗型频率选择表面22。
具体的，所述阻抗型频率选择表面衬底为PI膜、PEN膜、FR4板、F4B板中的一种或者多种，所述阻抗型频率选择表面衬底的衬底厚度范围为0.02～0.5mm。当阻抗型频率选择表面衬底为FR4板时，所述FR4板的衬底厚度范围为0.1～0.4mm，其中，所述FR4板的相对介电常数范围为4.2-4.5，且损耗正切角为0.0025。在本申请中的一种实施例中，所述阻抗型频率选择表面衬底为相对介电常数为4.3、损耗正切角为0.0025的FR4板，其对应的厚度为0.3mm。
图2为本发明实施例中电磁吸波结构对应的结构示意图。图3为本发明实施例中导电环的排布示意图。参考图2-图3所示，所述电磁吸波结构整体呈现正六边形体。所述电磁吸波结构的阻抗型频率选择表面22中包括一个正六边形导电环221，任一正六边形导电环221中均匀分布有多个电阻2211。正六边形导电环221的结构示意图整体形状呈正六边形，通过在阻抗型频率选择表面衬底上通过磁控溅射的方法制备形成，所述正六边形导电环221上均匀设置有12个电阻，所述电阻位于正六边形导电环的环边的中心位置和顶点位置，且相邻电阻之间的距离相同。
在一种实施例中，电磁吸波结构中的正六边形导电环依次分布，在X轴方向的周期为13.73mm，在Y轴方向的周期为7.93mm，相邻正六边形导电环的栅格角(Grid angle)为30°。
在所述阻抗型频率选择表面生成正六边形导电环的一种可选实现方式可以为：在所述阻抗型频率选择表面衬底上通过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射生成对应的正六边形导电环，所述正六边形导电环的材料为金、银、铜中的一种或者多种。在一种实施例中，可以在阻抗型频率选择表面衬底上沉积金属铜材料，从而生成金属铜材料的正六边形导电环。
其中，所述正六边形导电环的环边边长范围为3.9～4.1mm，所述正六边形导电环的环边宽度范围为0.9～1.1mm，两个相邻正六边形导电环之间的间距范围为0.6～1.0mm，所述正六边形导电环上用于加载电阻的缝隙范围为0.1～1.0mm，所述电阻的阻值范围为75～85Ω。在一种可选实施例中，所述正六边形导电环的环边边长为4.0mm，正六边形导电环的环边宽度为1.0mm，两个相邻正六边形导电环之间的间距为0.8mm，所述正六边形导电环上用于加载电阻的缝隙为0.8mm。
进一步的，所述正六边形导电环中的电阻包括：集总贴片电阻元件或者磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法制备得到的等效电阻中的一种或者多种。也就是说，本发明实施例中在正六边形导电环的每条边上中间位置或者顶点位置，可以加载集总贴片电阻元件作为电阻，该电阻的阻值为81Ω；正六边形导电环和电阻均位于阻抗型频率选择表面上。
介质层30的材料对应的相对介电常数范围为1.01～1.08，所述介质层的厚度范围为2.9～3.3mm。可选的，介质层30可以是相对介电常数为1.05的PMI泡沫，介质层的厚度为5.9mm。
所述金属层的材料为铜，所述金属层的厚度为0.035mm。
在本申请的一种实施例中，可以基于表层介质阵列层10、阻抗匹配介质层21、阻抗型频率选择表面22、阻抗型频率选择表面衬底23、介质层30和金属层40通过热压工艺形成电磁吸波结构。可选的，所述热压工艺可以为真空热压工艺，通过真空热压工艺使得表层介质阵列层10、阻抗匹配介质层21、阻抗型频率选择表面22、阻抗型频率选择表面衬底23、介质层30和金属层40结合，形成电磁吸波结构。
可选的，在热压工艺之后，可以对表层介质阵列材料层采用雕刻机进行雕刻生成表层介质阵列层，所述表层阵列材料层用于生成表层介质阵列层。其中，表层介质阵列材料层在雕刻机进行雕刻之前为一整块，表层介质阵列材料层为相对介电常数为4.3、损耗正切角为0.0025左右的FR4板，厚度为1.1mm。
在雕刻之后，得到介质圆环阵列，介质圆环阵列表层即为介质阵列层，所述介质阵列层中的圆环外径为7.0mm，圆环内径为3.0mm，圆环高度为1.1mm。
使用仿真软件对本实施例制备的电磁吸波结构进行分析，以确定本发明实施例中的电磁吸波结构的性能。
图4为本发明实施例中电磁波垂直入射时，阻抗型频率选择表面正六边形环单元加载不同阻值的电阻所得到的TE波反射率变化曲线的示意图。如图5所示，是本发明在电磁波垂直入射时，阻抗型频率选择表面正六边形导电环加载不同阻值的电阻所得到的TE波(电磁波)反射率变化曲线。本实施例在输入阻值75～85Ω范围内，始终能够在宽带范围内实现-20dB吸收，具有很好的稳定性。
图5为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形环单元边长变化的示意图。如图5所示，是本发明在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形导电环边长变化的曲线。本实施例频率正六边形导电环的环边边长在3.9～4.1mm范围内，能够保持反射率在5.5～16.1GHz低于-20dB。
图6为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形环单元六个边的宽度变化的曲线的示意图。如图6所示，本发明在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形导电环六个边的宽度变化的曲线。本实施例频率选择表面单元的环边宽度在0.9～1.1mm范围内，能够保持反射率在5.5～16.0GHz低于-20dB。
图7为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形环单元间距变化的曲线的示意图。如图7所示，本发明在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随阻抗型频率选择表面的正六边形导电环间距变化的曲线。本实施例频率选择表面相邻单元间距在0.6～1.0mm范围内，能够保持在宽带范围内实现-20dB吸收。
图8为本发明实施例中在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随表面介质阵列单元厚度变化的曲线的示意图。如图8所示，本发明在TE波垂直入射时，吸波结构的反射率随表面介质阵列单元厚度变化的曲线。本实施例在表面介质阵列单元厚度0.9～1.3mm范围内，始终能够在宽带范围内实现-20dB吸收。
图4-图8表明，本实施例所提出的电磁吸波结构的阻抗型频率选择表面中包括导电环，当电磁波入射所述电磁吸波结构时，所述阻抗型频率选择表面中导电环产生表面感应电流，将电磁能量转变为热量的形式实现能量损耗，增强了电磁波入射所述电磁吸波结构的入射角稳定性，本发明实施例能够改善电磁波入射时吸波结构的吸波性能。
进一步的，本发明实施例中的表层介质阵列层在电磁波入射状态下，对电磁吸波结构整体结构进行阻抗补偿，实现了斜入射状态下更宽的吸波带宽，保持了极佳的吸波性能。
并且，本申请中的电磁吸波结构具有结构参数不敏感特性，具备很高的容差，有利于实际的生产制造。
图9为本发明实施例中不同入射角对应TE波反射率随频率变化图的示意图。图10为本发明实施例中不同入射角对应TE波吸波率随频率变化图的示意图。参考图9-图10所示，本发明的吸波结构在电磁波垂直时，反射率低于-10dB的频带为4.36-18.09GHz；反射率低于-20dB的频带为5.32-16.46GHz。电磁波的入射角为30°时，反射率低于-10dB的频带为4.43-20.46GHz；反射率低于-20dB的频带为5.42-19.04GHz。电磁波的入射角为40°时，反射率低于-10dB的频带为4.51-22.43GHz；反射率低于-15dB的频带为5.14-21.64GHz。电磁波的入射角为50°时，反射率低于-10dB的频带为4.73-23.59GHz。电磁波的入射角为60°时，反射率低于-10dB的频带为5.48-18.00GHz。
可见，本发明实施例中的电磁吸波结构，具有极强的斜入射稳定性和超宽带范围内(例如-20dB)的吸波性能。
进一步的，图11为本发明实施例中不同入射角对应TM波反射率随频率变化图的示意图。图12为本发明实施例中不同入射角对应TM波吸波率随频率变化图的示意图。参考图11-图12所示，本发明的吸波结构在电磁波垂直时，反射率低于-10dB的频带为4.36-18.09GHz；反射率低于-20dB的频带为5.32-16.46GHz。电磁波的入射角为20°时，反射率低于-10dB的频带为4.69-18.84GHz；反射率低于-20dB的频带为5.85-17.01GHz。电磁波的入射角为40°时，反射率低于-10dB的频带为6.09-20.61GHz。
基于以上，本发明实施例中电磁吸波结构具有如下优势：
首先，本发明实施例中的电磁吸波结构中的表层介质阵列层在阻抗层之上设置，所述表层介质阵列层能够覆盖阻抗层，所述阻抗层使用寿命大大提高；进一步的，表层介质阵列层上的圆环(如图2中所示)能够与斜入射阻抗匹配补偿，极大的提高了电磁吸波结构的入射角稳定性。
进一步的，本发明实施例中的表层介质阵列层和阻抗层中的阻抗匹配介质层协同设计带来的阻抗匹配的优化，使更多的电磁波进入到电磁吸波结构中去，拓宽了吸波带宽，进一步提高了吸波性能。
另外，本发明实施例中的阻抗型频率选择表面本身具有很宽带宽的电磁能量吸收和很好的阻抗匹配，为此，在阻抗型频率选择表面生成导电环时，能够基于导电环实现宽带高性能的吸收。
并且，阻抗型频率选择表面衬底选用是有损介质材料，在一定厚度下有益于吸波性能的提升；同时该层上中心设置有孔洞，该孔洞带来的衬底透波率的优化，为进一步谐振损耗起到了促进作用。
更进一步的，本发明实施例中还公开了介质层，介质层的厚度决定了谐振损耗发生的频点，本申请中的介质层的材料以及厚度能够与阻抗型频率选择表面相匹配，进一步的提升了宽带高性能吸收。
最后，本发明实施例中的金属层作为电磁波反射板，能够反射电磁波，使其在阻抗型频率选择表面层和表层介质阵列层实现进一步谐振损耗，为此，本发明实施例中的电磁吸波结构能够在解决了入射角稳定性的问题下，还能都保持超宽带范围内的吸波性能，本发明实施例中的电磁吸波结构能够很好地改善吸波性能。另外，本发明实施例中的电磁吸波结构在微波隐身技术、天线、电磁兼容等领域具有广阔的应用前景。
基于以上，本发明实施例中的电磁吸波结构优于现有设计，本发明的吸波结构在电磁波垂直时，反射率低于-10dB的频带为4.36-18.09GHz；反射率低于-20dB的频带为5.32-16.46GHz。电磁波的入射角为30°时，反射率低于-10dB的频带为4.43-20.46GHz；反射率低于-20dB的频带为5.42-19.04GHz。电磁波的入射角为40°时，反射率低于-10dB的频带为4.51-22.43GHz；反射率低于-15dB的频带为5.14-21.64GHz。电磁波的入射角为50°时，反射率低于-10dB的频带为4.73-23.59GHz。电磁波的入射角为60°时，反射率低于-10dB的频带为5.48-18.00GHz。具有极强的斜入射稳定性和超宽带范围内的-20dB吸波性能。更进一步而言，本发明的吸波结构在一定程度上满足室外应用场景。
上文描述了本发明实施例提供的多个实施例方案，各实施例方案介绍的各可选方式可在不冲突的情况下相互结合、交叉引用，从而延伸出多种可能的实施例方案，这些均可认为是本发明实施例披露、公开的实施例方案。
虽然本发明实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电磁吸波结构，其特征在于，包括：
由上至下的表层介质阵列层、阻抗层、介质层和金属层，其中，所述阻抗层中包括阻抗型频率选择表面，所述阻抗型频率选择表面中包括至少一个导电环，任一导电环中均匀分布有多个电阻，
所述阻抗层还包括：
阻抗匹配介质层，所述阻抗匹配介质层位于所述表层介质阵列层与所述阻抗型频率选择表面之间，用于隔离表层介质阵列层和所述阻抗型频率选择表面；
所述导电环为正六边形导电环，所述正六边形导电环上均匀设置有12个电阻，所述电阻位于导电环的环边的中心位置和顶点位置，且相邻电阻之间的距离相同，所述正六边形导电环的环边边长范围为3.9～4.1mm，所述正六边形导电环的环边宽度范围为0.9～1.1mm，两个相邻正六边形导电环之间的间距范围为0.6～1.0mm，所述正六边形导电环上用于加载电阻的缝隙范围为0.1～1.0mm，所述电阻的阻值范围为75～85Ω。
2.根据权利要求1所述的电磁吸波结构，其特征在于，所述阻抗层还包括：
阻抗型频率选择表面衬底，所述阻抗型频率选择表面衬底位于所述阻抗型频率选择表面底部，用于承托所述阻抗型频率选择表面。
3.根据权利要求1所述的电磁吸波结构，其特征在于，所述正六边形导电环通过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射得到，所述正六边形导电环的材料为金、银、铜中的一种；所述正六边形导电环中的电阻包括：集总贴片电阻元件或者磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法制备得到的等效电阻中的一种或者多种。
4.根据权利要求2所述的电磁吸波结构，其特征在于，所述阻抗型频率选择表面衬底为PI膜、PEN膜、FR4板、F4B板中的一种或者多种，所述阻抗型频率选择表面衬底的衬底厚度范围为0.02～0.5mm。
5.根据权利要求4所述的电磁吸波结构，其特征在于，所述阻抗型频率选择表面衬底为FR4板，且所述FR4板的衬底厚度范围为0.1～0.4mm，其中，所述FR4板的相对介电常数范围为4.2-4.5，且损耗正切角为0.0025。
6.根据权利要求1所述的电磁吸波结构，其特征在于，所述介质层的材料对应的相对介电常数范围为1.01～1.08，所述介质层的厚度范围为2.9～3.3mm；所述阻抗层中的阻抗匹配介质层与所述介质层的材料和厚度均相同；所述金属层的材料为铜。
7.根据权利要求2所述的电磁吸波结构，其特征在于，所述电磁吸波结构通过对表层介质阵列层、阻抗匹配介质层、阻抗型频率选择表面、阻抗型频率选择表面衬底、介质层和金属层热压工艺形成，所述电磁吸波结构的表层介质阵列层是在热压工艺之后，对表层阵列材料层采用雕刻机进行雕刻生成，所述表层阵列材料层用于生成表层介质阵列层。
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