一种电阻加载正六边形环超宽带吸波结构

1.本发明涉及一种电磁吸波技术，尤其涉及一种电阻加载正六边形环超宽带吸波结构。


背景技术：

2.在过去几年中，电磁(em)吸波技术应用于多种领域中，例如卫星导航系统、电磁能量收集、隐身领域等。其中，jaumann吸波结构是自1930年代以来提出的经典吸波结构之一，其为介质层与电阻层交错级联结构，可有效减少来自导电表面的电磁波反射。且本质基于单层jaumann吸波结构的salisbury屏于1952年获得专利。
3.由于上述吸收体利用电磁谐振原理，故扩大吸收带的关键方法是通过引入多个电阻层来增加谐振频率的数量。然而，多层电阻层来的设计必然会导致厚度以及工艺复杂度的增加。作为jaumann吸波结构的扩展，研究人员提出了阻抗型频率选择表面吸波结构——电路模拟吸波结构。电路模拟吸波结构通过多重共振和多层技术可以克服窄带和厚度过厚的限制，极大的拓宽了吸波结构的应用前景。
4.然而，应该注意到几乎所有的电磁吸波结构都是为10db吸波而设计的。此外，其中一些设计由于其脆弱的机械性能和表面保护措施而无法用于室外环境。此外，对于单层吸收体，现有结构远未达到吸收性能的极限。针对目前的电磁吸波结构的不足，因而研发高性能超宽带的吸波结构很有必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种阻加载正六边形环超宽带吸波结构，具有偏振不敏感特性和优异的入射角稳定性，在一定程度上满足室外应用场景。
6.为实现上述目的，本发明提供了电阻加载正六边形环超宽带吸波结构，包括若干个呈正六棱柱体的吸波单元，所述吸波单元包括由上到下依次设置的用于保护内层结构以及匹配宽带阻抗的表面蒙皮介质层、用于与所述表面蒙皮介质层协同匹配阻抗从而提高入射角稳定性的阻抗匹配介质层、用于匹配阻抗从而实现宽带高性能吸收的阻抗型频率选择表面、用于促进带宽增加的阻抗型频率选择表面衬底、用于与所述阻抗型频率选择表面匹配、发生干涉相消从而实现宽带高性能吸收的介质层和用于反射电磁波并在所述介质层中与入射电磁波发生干涉相消的金属层。
7.优选的，所述表面蒙皮介质层为相对介电常数在4.2～4.5之间、厚度在0.1～0.4mm之间、损耗正切角为0.0025的fr4板。
8.优选的，所述阻抗匹配介质层的相对介电常数在1.01～1.08之间，厚度在2.6～3.0mm之间。
9.优选的，所述阻抗型频率选择表面包括呈周期设置于所述阻抗型频率选择表面衬底上的若干个导电正六边形环，所述导电正六边形环每条边的中点上均设置有电阻；
10.所述导电正六边形环上设有用于加载所述电阻的缝隙，所述缝隙宽度在0.1～1mm
之间；
11.相邻两个所述导电正六边形环之间的间距在0.8～1.2mm之间。
12.优选的，所述导电正六边形环的材质为金、银、铜中的一种；
13.所述导电正六边形环经过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射制备于所述阻抗型频率选择表面衬底上；
14.所述导电正六边形环的边长在4.8～5.2mm之间，每条边的宽度在0.9～1.1mm之间。
15.优选的，所述电阻为集总贴片电阻元件或者通过磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法获得的等效电阻；
16.所述电阻的阻值在240～280ω之间，相邻两个所述电阻距离在0.1～1mm之间。
17.优选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为厚度在0.02～0.5mm之间的pi膜、pen膜、fr4板、f4b板中的一种。
18.优选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为相对介电常数在4.2-4.5之间、厚度在0.1～0.4mm之间、损耗正切角为0.0025的fr4板。
19.优选的，所述介质层的相对介电常数在1.01～1.08之间、厚度在2.6～3.0mm之间；
20.所述金属层为铜箔。
21.优选的，所述吸波单元由所述表面蒙皮介质层、所述阻抗匹配介质层、所述阻抗型频率选择表面、所述阻抗型频率选择表面衬底、所述介质层和所述金属层经真空热压成型。
22.本发明中大部分入射的电磁波在阻抗型频率选择表面的导电正六边形环上产生表面感应电流，将电磁能量转变为热量；小部分入射的电磁波进入到吸波单元内部后，金属层背板产生反射形成反射波，反射波会与入射电磁波在介质层干涉相消吸收。
23.因此，本发明具有以下特性：
24.1、垂直入射时，反射率低于-10db的带宽为4.9ghz-20.3ghz；反射率低于-20db的带宽为6.3ghz-19.2ghz。
25.2、具有偏振不敏感特性，电磁波垂直入射时te波和tm波的特性相互吻合。
26.3、具有优异的入射角稳定性在50
°
斜入射下，吸收体te波在5.9ghz-17.4ghz范围内仍显示出高于90％的吸收率。
27.4、在一定程度上满足室外应用场景。
28.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
29.图1是本发明的截面结构示意图。
30.图2是本发明单元结构示意图。
31.图3是本发明阻抗型频率选择表面结构单元周期性排布示意图。
32.图4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环单元加载不同阻值的电阻所得到的te波反射率随频率变化图。
33.图5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环单元加载不同阻值的电阻所得到的tm波反射率随频率变化图。
34.图6是本发明在加载电阻阻值为260ω时，电磁波垂直入射时频点为6.5ghz时吸波
结构表面电流分布图。
35.图7是本发明在加载电阻阻值为260ω时，电磁波垂直入射时频点为12.5ghz时吸波结构表面电流分布图。
36.图8是本发明在加载电阻阻值为260ω时，电磁波垂直入射时频点为19ghz时吸波结构表面电流分布图。
37.图9是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应te波反射率随频率变化图。
38.图10是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应tm波反射率随频率变化图。
39.图11是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应te波吸波率。
40.图12是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应tm波吸波率。
41.其中：1、表面蒙皮介质层；2、阻抗匹配介质层；3、阻抗型频率选择表面；4、阻抗型频率选择表面衬底；5、介质层；6、金属层；7、导电正六边形环；8、电阻。
具体实施方式
42.以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
43.图1是本发明的截面结构示意图。图2是本发明单元结构示意图。图3是本发明阻抗型频率选择表面结构单元周期性排布示意图。图4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环单元加载不同阻值的电阻所得到的te波反射率随频率变化图。图5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环单元加载不同阻值的电阻所得到的tm波反射率随频率变化图。图6是本发明在加载电阻阻值为260ω时，电磁波垂直入射时频点为6.5ghz时吸波结构表面电流分布图。图7是本发明在加载电阻阻值为260ω时，电磁波垂直入射时频点为12.5ghz时吸波结构表面电流分布图。图8是本发明在加载电阻阻值为260ω时，电磁波垂直入射时频点为19ghz时吸波结构表面电流分布图。图9是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应te波反射率随频率变化图。图10是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应tm波反射率随频率变化图。图11是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应te波吸波率。图12是本发明在加载电阻阻值为260ω时,不同入射角对应tm波吸波率。如图1-图3所示，本发明的结构包括若干个呈正六棱柱体的吸波单元，所述吸波单元包括由上到下依次设置的用于保护内层结构以及匹配宽带阻抗的表面蒙皮介质层、用于与所述表面蒙皮介质层协同匹配阻抗从而提高入射角稳定性的阻抗匹配介质层、用于匹配阻抗从而实现宽带高性能吸收的阻抗型频率选择表面、用于促进带宽增加的阻抗型频率选择表面衬底、用于与所述阻抗型频率选择表面匹配、发生干涉相消从而实现宽带高性能吸收的介质层和用于反射电磁波并在所述介质层中与入射电磁波发生干涉相消的金属层。
44.优选的，所述表面蒙皮介质层为相对介电常数在4.2～4.5之间、厚度在0.1～0.4mm之间、损耗正切角为0.0025的fr4板。
45.优选的，所述阻抗匹配介质层的相对介电常数在1.01～1.08之间，厚度在2.6～
3.0mm之间，进一步的阻抗匹配介质层为相对介电常数为1.05、厚度为2.8mm的pmi泡沫。
46.优选的，所述阻抗型频率选择表面包括呈周期设置于所述阻抗型频率选择表面衬底上的若干个导电正六边形环，x方向的周期为16.500mm，在y方向的周期为9.526mm，相邻单元的grid angle为30
°
；
47.所述导电正六边形环每条边的中点上均设置有电阻；所述导电正六边形环上设有用于加载所述电阻的缝隙，所述缝隙宽度在0.1～1mm之间；
48.相邻两个所述导电正六边形环之间的间距在0.8～1.2mm之间。
49.优选的，所述导电正六边形环的材质为金、银、铜中的一种；
50.所述导电正六边形环经过喷印、电化学腐蚀或磁控溅射制备于所述阻抗型频率选择表面衬底上；所述导电正六边形环的边长在4.8～5.2mm之间，每条边的宽度在0.9～1.1mm之间。优选的，所述电阻为集总贴片电阻元件或者通过磁控溅射、丝网印刷、喷印中的一种或多种方法获得的等效电阻；所述电阻的阻值在240～280ω之间，相邻两个所述电阻距离在0.1～1mm之间。本实施例中利用磁控溅射的方法，在阻抗型频率选择表面衬底上沉积金属银材质的导电正六边形环，其边长为5mm，每条边的宽度为1mm，两个相邻导电单元的导电正六边形环之间的间距为1mm，导电正六边形环的每条边上中间的电阻阻值为260ω。
51.优选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为厚度在0.02～0.5mm之间的pi膜、pen膜、fr4板、f4b板中的一种。
52.优选的，所述阻抗型频率选择表面衬底为相对介电常数在4.2-4.5之间、厚度在0.1～0.4mm之间、损耗正切角为0.0025的fr4板，更进一步的，阻抗型频率选择表面衬底为相对介电常数为4.3、厚度为0.3mm、损耗正切角为0.0025的fr4板。
53.优选的，所述介质层的相对介电常数在1.01～1.08之间、厚度在2.6～3.0mm之间；介质层为相对介电常数为1.05、厚度为5.6mm的pmi泡沫。
54.所述金属层为铜箔，其厚度为0.035mm。
55.优选的，所述吸波单元由所述表面蒙皮介质层、所述阻抗匹配介质层、所述阻抗型频率选择表面、所述阻抗型频率选择表面衬底、所述介质层和所述金属层经真空热压成型。
56.使用仿真软件对本实施例制备的得电阻加载正六边形环超宽带吸波结构进行分析，来解释该结构工作特征。
57.如图4和图5所示，本实施例在输入阻值有
±
20ω波动的时候，始终能够实现在6.5ghz-19ghz的反射率低于-20db，可知本发明具有很好的稳定性。
58.在仿真软件中设置场监视器，根据其电流分布，分析本发明在吸波频段内的工作机理。
59.实施例一，如图6所示，此时y方向上两个电阻处电流最小，y方向两侧电阻电流适中，y轴两侧正六边形环顶点处电流较大，因此te波电磁能量消耗主要是由y方向两侧电阻以及进入吸波结构被金属背板反射回来的电磁波干涉相消共同作用吸波；同时在tm波电流分布图中可以看到，电流较大的区域在正六边形环x轴两侧的四个顶点区域，其次是正六边形环平行于x轴的边长上的电阻，因此tm波的电磁能转变为热能部分的能量消耗与tm波不同。
60.实施例二，如图7所示，基本机理与实施例一的一致，但是电流明显更大，意味着该频点阻抗匹配程度较实施例一更高，相同吸波性能的情况下，电磁能转变为热能百分比更
大。
61.实施例三，如图8所示，与实施例一和实施例二表现出完全不同的电流分布，由图9可以看到此时导电正六边形环上的电流分布相对均匀，每个电阻对电磁能到热能的转换贡献差别不大。
62.实施例四，如图9所示，本实例在te波入射角变化时的反射率变化。在入射角小于30
°
时，能够保持反射率在5ghz-20ghz低于-10db；入射角在50
°
范围内，也能够保持在6ghz-17.3ghz之间的反射率低于-10db；如图11所示，在上述频带范围内，本实施例的吸波率均大于90％。
63.实施例五，如图10所示，本实例在tm波入射角变化时的反射率变化。在入射角小于30
°
时，能够保持反射率在6ghz-20ghz低于-10db；如图12所示，在上述频带范围内，本实施例的吸波率均大于90％。
64.因此，本发明采用上述结构的阻加载正六边形环超宽带吸波结构，具有偏振不敏感特性和优异的入射角稳定性，在一定程度上满足室外应用场景。
65.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。