一种光学透明宽带高吸波率吸波体的制作方法

1.本发明属于电磁场与微波技术领域，具体是一种光学透明宽带高吸波率吸波体。本发明具有光学透明特性，实现了对电磁波的宽频带高效率的吸收，可用于具有低散射需求的载体平台和天线系统。


背景技术：

2.随着雷达探测技术的不断发展，隐身目标的战场生存能力受到了严重的威胁。为提升目标的隐身性能，就需要对目标散射特性进行研究，而衡量目标散射特性的关键指标就是雷达截面(rcs)，越低的rcs意味着更好的隐身性能。近年来电磁超表面因其具有灵活控制电磁波的能力而受到科研工作者的关注，利用电磁超表面实现rcs减缩的研究也取得了长足发展。
3.超表面吸波体将入射电磁波的能量转化其它形式的能量，从而对处于吸波体工作频段的电磁波实现吸收。与传统材料型吸波体相比，超表面吸波体拥有结构轻薄、成本低和吸收率高等特点。为扩大超表面吸波体的工作频带并提升其吸波性能，研究学者主要采用的手段有使用多层或三维结构设计、添加匹配层和添加集总元件等。
4.武汉理工大学在专利“一种立式透明超材料吸波体”(申请号：cn201610079121.9，申请公开号：cn105552566a)中公开了一种将透明超材料单元置于透明反射背板上，并周期阵列嵌入透明平板基体构成的透明超材料吸波体，但是该吸波体的优良吸波特性只限于特定极化的电磁波入射的条件下。哈尔滨工业大学在专利“一种可见光透过的极化不敏感的低rcs超宽带超材料吸波体”(申请号：202010358422.1，申请公布号：cn111430926a)中公开了一种超宽带超材料吸波体，该吸波体它自上而下依次由图案化阻抗膜层、第一透明基体、中间透明介质层、第二透明基体及透明导电薄膜组成，该吸波体在可见光透明度不低于75％的同时，可在125％的相对带宽内实现吸收率大于90％，此外还具有极化不敏感的特性。该吸波体仅采用单层的图案化阻抗膜层，仍可使用多层阻抗膜结构进一步提高吸波体的吸收带宽和吸收率。
5.chen jianlin等人于2018年在ieee antennas and wireless propagation letters期刊第17卷第4期的591-595页公开的论文“double-layer circuit analog absorbers based on resistor-loaded square-loop arrays”中提出了一种超表面吸波体，作者通过采用三层结构叠加，加入集总电阻并增大介质匹配层的手段设计的吸波体实现了在1.64～17.6ghz超宽频带内实现对电磁波的有效吸收，不过该多层结构的吸波体不具有光学透明的特性。
6.目前利用超表面吸波体减缩rcs的工作中还存在窄带、低效率和功能单一等亟待解决的问题。设计兼顾高透光率、宽吸收频带、高吸收率、低剖面和低雷达截面积等优异性能的吸波体具有很高的研究和应用价值。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对常规吸波体难以兼顾宽带且高效率吸波与高透光率，提出了一种光学透明宽带高吸波率吸波体。
8.本发明是通过下述技术方案来实现的。
9.本发明提出了一种光学透明宽带高吸波率吸波体，由阵列排布的n
×
m个吸波体单元组成，n≥10列，m≥10行；
10.吸波体单元包括自上而下分布的顶层pet介质层、中间层pet介质层和底层pet介质层，三个介质层之间为空气层；
11.每层介质层包括介质板和印刷于介质板上的图案化ito电阻膜层，底层pet介质层上还包括未经蚀刻的ito电阻膜层；
12.顶层pet介质层的ito电阻膜层图案为正方形弯折环结构；中间层pet介质层ito电阻膜层的图案为正八边形环与内部叉指结构；底层pet介质层ito电阻膜层的图案为正方形环结构；
13.吸波体单元通过不同尺寸的结构多频点叠加，实现在宽频带内的高吸波率。
14.结合以上提供的技术方案，所述顶层pet介质层的正方形弯折环结构为在正方形的各条边上对称等间距弯折三个周期，且内弯折边的宽度小于侧弯折边的宽度。
15.结合以上提供的技术方案，所述中间层pet介质层的正八边形环与内部叉指结构包括外部正八边形结构，在正八边形的外边长内侧对称分布呈十字分布的叉指结构，叉指结构中部为实心体，实心体四个方向分别延伸若干个梳齿，在正八边形结构的四条边上向内延伸若干个梳齿，并相互插入呈叉指状。
16.结合以上提供的技术方案，各梳齿的宽度和延伸长度相同。
17.结合以上提供的技术方案，底层pet介质层的厚度＞中间层pet介质层的厚度＞顶层pet介质层的厚度。
18.结合以上提供的技术方案，顶层pet介质层与中间层pet介质层间的空气层厚度大于中间层pet介质层与底层pet介质层的空气层厚度。
19.结合以上提供的技术方案，所述空气层以透明复合材料在层间四周制备支撑架，内部填充空气。
20.结合以上提供的技术方案，所述图案化的ito电阻膜和未经蚀刻的ito电阻膜为在透明有机基板材料上通过溅射工艺，涂覆一层氧化铟锡ito镀层，然后再经高温退火处理得到。
21.结合以上提供的技术方案，ito电阻膜层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
22.本发明吸波体的结构使用透明的聚酯塑料和氧化铟锡(indium tin oxide，ito)膜替换传统的介质基板和周期性金属图案，以实现光学透明特性。通过加入空气腔的多层设计，引入多层不同电尺寸的透明阻抗膜结构进行多频点叠加等方法，以提高吸波体的吸收频带与吸收率。
23.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
24.第一，本发明具有光学透明的特性。通过使用透明的聚酯塑料和ito膜代替传统超材料吸波体中的介质基板和图案化金属贴片，其中所使用的ito膜在整个可见光波段其透光率均大于65％，实现了吸波体的光学透明特性。超表面吸波体的光学透明特性进一步扩
展了该结构的应用前景。
25.第二，本发明设计的吸波体通过使用具有损耗特性的ito膜材料，加入空气腔的多层设计，引入不同电尺寸的结构进行多频点叠加，引入叉指结构灵活调节结构层的表面电容，使超表面吸波体具有宽频带高吸收率的工作性能(吸收率大于90％的相对带宽为133％，吸收率大于95％的相对带宽为115％)。还具有较好的极化不敏感性和入射角稳定性，当入射角增大至50
°
时，该吸波体单元仍能在5～25ghz频带内保持大于80％的吸波率。
26.第三，本发明拥有良好的rcs减缩性能。当te和tm两种模式的电磁波入射角范围在0
°
～30
°
时，该超表面吸波体的平均rcs值相比于等大金属板在5～25ghz宽频带内均实现了不小于10db的减缩。当电磁波入射角达到45
°
时，超表面吸波体在5～25ghz频带内的平均双站rcs减缩仍大于8db。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
28.图1是本发明的整体结构示意图；
29.图2是本发明超材料吸波体单元的结构示意图；
30.图3是本发明单元结构中的底层结构的俯视图；
31.图4(a)是本发明单元结构中的中间层结构的俯视图；
32.图4(b)、(c)是本发明中间层结构的图案化ito电阻膜中叉指结构的示意图；
33.图5是本发明单元结构中的顶层结构的俯视图；
34.图6是本发明单元的吸波率的仿真结果图；
35.图7是本发明单元的s参数仿真结果图；
36.图8是本发明吸波体单元在电磁波以不同角度斜入射时的吸波率的仿真结果图；
37.图9(a)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在te波垂直入射时的单站rcs仿真曲线图；
38.图9(b)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在tm波垂直入射时的单站rcs仿真曲线图；
39.图10(a)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在te波以15
°
斜入射时的以斜入射方向的镜像方向为观察点的双站rcs仿真曲线图；
40.图10(b)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在tm波以15
°
斜入射时的以斜入射方向的镜像方向为观察点的双站rcs仿真曲线图；
41.图11(a)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在te波以30
°
斜入射时的以斜入射方向的镜像方向为观察点的双站rcs仿真曲线图；
42.图11(b)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在tm波以30
°
斜入射时的以斜入射方向的镜像方向为观察点的双站rcs仿真曲线图；
43.图12(a)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在te波以45
°
斜入射时的以斜入射方向的镜像方向为观察点的双站rcs仿真曲线图；
44.图12(b)是包含10
×
10个吸波单元的宽带超表面吸波体在tm波以45
°
斜入射时的以斜入射方向的镜像方向为观察点的双站rcs仿真曲线图。
45.图中，1为顶层图案化ito电阻膜层，2为顶层pet介质层，3为中间层图案化ito电阻膜层，4为中间层pet介质层，5为底层ito电阻膜层，6为底层pet介质层，7为未经蚀刻的ito电阻膜层。
具体实施方式
46.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
47.参照图1，本发明实施例提供的一种光学透明宽带高吸波率吸波体，由阵列排布的n
×
m个吸波体单元组成，其中，n≥10列，m≥10行。吸波体单元包括顶层pet介质层2、空气层、中间层pet介质层4、空气层和底层pet介质层6。顶层pet介质层2与中间层pet介质层4均以pet介质层作为基底，介质层上表面为顶层图案化的ito电阻膜层1；底层pet介质层6的中间为pet介质层，介质层上表面为图案化的底层ito电阻膜层5，介质层下表面为未经蚀刻的ito电阻膜层7。
48.参照图2，在一个实施例中，对本发明吸波体的单元结构作进一步详细的说明。
49.吸波体单元的整体结构尺寸为11
×
11
×
6.925mm3，单元的长和宽均为p＝11mm。吸波体单元的顶层上表面为ito电阻膜层1，蚀刻图案正方形弯折环结构，顶层的基底为pet介质层2，pet介质层2的厚度为h1＝0.175mm。
50.吸波体单元的底层pet介质层的厚度＞中间层pet介质层的厚度＞顶层pet介质层的厚度，并且顶层pet介质层与中间层pet介质层间的空气层厚度大于中间层pet介质层与底层pet介质层的空气层厚度。
51.中间层pet介质层上表面为ito电阻膜层3，蚀刻图案分别为正八边形环结合内部叉指结构，中间层的基底为中间层pet介质层4。中间层pet介质层4的厚度为h2＝0.75mm，顶层与中间层之间是厚度为gap1＝3mm的空气层。
52.吸波体单元的底层上表面为底层ito电阻膜层5，蚀刻图案分别为方环结构，底层的基底为底层pet介质层6，底层pet介质层6的厚度为h3＝1mm。底层的下表面为未经蚀刻的ito电阻膜层7，中间层与底层之间是厚度为gap2＝2mm的空气层。
53.其中，空气层以透明复合材料在层间四周制备支撑架，内部填充空气。图案化的ito电阻膜和未经蚀刻的ito电阻膜为在透明有机基板材料上通过溅射工艺，涂覆一层氧化铟锡ito镀层，然后再经高温退火处理得到。ito电阻膜层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。吸波体单元的四层ito电阻膜的方阻阻值均为35ω。
54.参照图3，对本吸波体单元的底层上表面的ito电阻膜层的蚀刻图案作进一步详细的说明。吸波体单元底层上表面的底层ito电阻膜层5的蚀刻图案为正方形环结构，外部的正方形的边长为p＝11mm，内部的正方形的边长为w1＝1.4mm。
55.参照图4(a)-(c)，对本吸波体单元的中间层pet介质层4上表面的图案化ito电阻膜层的蚀刻图案作进一步详细的说明。
56.参照图4(a)，吸波体单元中间层上表面的中间层图案化ito电阻膜层3的蚀刻图案为正八边形环结构与内部叉指结构，在正八边形的外边长内侧对称分布呈十字分布的叉指结构，叉指结构中部为实心体，实心体四个方向分别延伸若干个梳齿，在正八边形结构的四条边上向内延伸若干个梳齿，并相互插入呈叉指状。各梳齿的宽度和延伸长度相同。
57.正八边形环的外边长为l2＝4.17mm，正八边形环的厚度为w3＝0.46mm。内部的正方形的边长为w4＝2.38mm。正八边形环与内部正方形的四条边之间叉指结构中，四处叉指结构均相同，叉指结构的长度为l3＝3.21mm。
58.参照图4(b)、图4(c)，对图4(a)中的叉指结构8作进一步说明，叉指结构的宽度为w8＝0.14mm，同一侧延伸出的相邻叉指结构的间隔相同，间隔为w7＝0.42mm。
59.参照图5，对本吸波体单元的顶层上表面的ito电阻膜层的蚀刻图案作进一步详细的说明。
60.吸波体单元顶层上表面的顶层图案化ito电阻膜层1的蚀刻图案为正方形弯折环结构，在正方形的各条边上对称等间距弯折三个周期，且内弯折边的宽度小于侧弯折边的宽度。即在正方形环的基础上，给正方形环的四条边添加相同的弯折结构以引入更多的谐振。弯折结构如图5所示，正方形环的每条边有两处相同的向内凹陷的弯折，两处凹陷之间的方形环边长的长度为l5＝2.1mm，两处凹陷两侧的方形环边长的长度为l4＝l6＝3.35mm，凹陷处的宽度均为l7＝0.5mm。未向内凹陷处的方形环与向内凹陷的侧面的方形环的厚度均为w5＝0.8mm，向内凹陷的底部的方形环的厚度为w6＝0.5mm。
61.以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
62.利用商业仿真软件对本发明的宽带高吸收率超表面吸波体单元进行仿真分析，吸波体单元在电磁波垂直入射时的吸波率的仿真曲线如图6所示。图6中的横坐标为频率值，单位为ghz，纵坐标为吸波率。由图可知，本发明吸波体单元的吸波率在4.92～24.55ghz频段内均大于90％，并且该吸波体单元实现了在5.74～21.85ghz频带内大于95％的吸波率。相较于其他工作频带实现90％吸波率的超表面吸波体，该吸波体单元实现了更高的吸收率，可在宽频带内实现对电磁波更高效地吸收，实现了相对于其他电阻膜类型超表面吸波体的性能提升。
63.吸波体单元的s参数的仿真结果如图7所示。图7中的横坐标为频率值，单位为ghz，纵坐标为s参数，单位为db。图7中带有方形标的曲线为s
11
曲线，带有圆形标的曲线为s
21
曲线。由图可知，单元反射系数在4.91～24.54ghz频段内小于-10db，而传输系数在全频段上小于-30db。这种低传输系数是因为吸波体单元结构中采用的ito电阻膜所引起的，电阻膜本身具有的低表面电阻特性使绝大部分电磁波能量经欧姆损耗转化为内能从而无法透过。
64.不同入射角度下电磁波斜入射至吸波体单元时的吸波率的仿真曲线如图8所示。由图8可知，当电磁波斜入射至吸波体单元时，单元的吸波率随入射角度的增大逐渐降低，当入射角度增大至50
°
时，该吸波体单元吸波率在5～25ghz频带内仍保持在80％以上，反映了本发明在斜入射电磁波照射下也具有较稳定的工作性能。
65.为了验证本发明对电磁波的散射特性，利用商业仿真软件对本发明进行建模仿真。本发明的建模模型如图1所示，本发明的吸波体由阵列排布的n
×
m(n＝10，m＝10)个吸波体单元组成，宽带超表面吸波体结构尺寸为110
×
110
×
6.925mm3。图9(a)和图9(b)分别为te波和tm波垂直入射至本发明时的单站rcs曲线图。图9(a)、图9(b)中的横坐标为频率值，单位为ghz，纵坐标为rcs，单位为dbsm。图9(a)、图9(b)中带有方形标的曲线为吸波体的rcs仿真曲线，带有圆形标的曲线为等大金属板的rcs仿真曲线，将同尺寸大小的金属板作为参考，以验证宽带超表面吸波体对电磁波的吸收性能。当te波垂直入射时，宽带超表面吸波体在4.5～26ghz上具有明显的rcs减缩效果，平均rcs减缩量为12.05db；当tm波垂直入射
时，宽带超表面吸波体在4.5～26ghz上具有明显的rcs减缩效果，平均rcs减缩量为12.39db。仿真结果表明，当两种极化平面波垂直入射时，该宽带超表面吸波体可以在宽工作频带内实现对电磁波的有效吸收。
66.图10(a)和图10(b)分别为te波和tm波以15
°
斜入射时的双站rcs曲线图。图10(a)和图10(b)中的横坐标为频率值，单位为ghz，纵坐标为rcs，单位为dbsm。图10(a)和图10(b)中带有方形标的曲线为吸波体的rcs仿真曲线，带有圆形标的曲线为等大金属板的rcs仿真曲线，将同尺寸大小的金属板作为参考，以验证宽带超表面吸波体对电磁波的吸收性能。对于双站散射，以斜入射方向的镜像方向作为观察点，此位置超表面吸波体的双站rcs最大。当te波入射时，宽带超表面吸波体在4.5～26ghz上具有明显的rcs减缩效果，平均rcs减缩量为11.39db；当tm波入射时，宽带超表面吸波体在4.5～26ghz上具有明显的rcs减缩效果，平均rcs减缩量为11.87db。
67.图11(a)和图11(b)分别为te波和tm波以30
°
斜入射时的双站rcs曲线图。图11(a)和图11(b)中的横坐标为频率值，单位为ghz，纵坐标为rcs，单位为dbsm。图11(a)和图11(b)中带有方形标的曲线为吸波体的rcs仿真曲线，带有圆形标的曲线为等大金属板的rcs仿真曲线，将同尺寸大小的金属板作为参考，以验证宽带超表面吸波体对电磁波的吸收性能。当te波入射时，宽带超表面吸波体在4.5～24ghz上具有明显的rcs减缩效果，平均rcs减缩量为10.05db；当tm波入射时，宽带超表面吸波体在4.5～24ghz上具有明显的rcs减缩效果，平均rcs减缩量为10.51db。仿真结果表明，在电磁波以30
°
斜入射时，宽带超表面吸波体仍能保持良好的吸波效果。
68.图12(a)和图12(b)分别为te波和tm波以45
°
斜入射时的双站rcs曲线图。图12(a)和图12(b)中的横坐标为频率值，单位为ghz，纵坐标为rcs，单位为dbsm。图12(a)和图12(b)中带有方形标的曲线为吸波体的rcs仿真曲线，带有圆形标的曲线为等大金属板的rcs仿真曲线，将同尺寸大小的金属板作为参考，以验证宽带超表面吸波体对电磁波的吸收性能。当te波入射时，宽带超表面吸波体在8～24.5ghz上具有明显的双站rcs减缩效果，平均rcs减缩量为8.31db；当tm波入射时，宽带超表面吸波体在7.5～24ghz上具有明显的双站rcs减缩效果，平均rcs减缩量为8.11db。仿真结果表明，在电磁波以45
°
斜入射时，宽带超表面吸波体性能有所降低，但仍能在宽频带内对电磁波实现较好的吸波效果，在宽频带内达到平均rcs减缩大于8db的效果。
69.以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明的光学透明宽带高吸波率吸波体在具有光学透明特性的前提下，实现了对电磁波更宽频带和更高效率的吸收，拥有良好的rcs减缩性能，具有较好的极化不敏感性和入射角稳定性，可用于具有低散射需求的载体平台和天线系统。
70.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。