一种双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体

1.本实用新型属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体。


背景技术：

2.在自由空间中，材料可以对电磁波产生反射、透射、折射、偏射、吸收等响应。针对频率选择透波需求，超表面结构体能够发挥良好的效果。通过周期或准周期型的亚波长尺度级结构单元设计，可以赋予超构体精确的工作频率、工作带宽以及高透波效率。
3.目前，在常温(-50℃～100℃)状态下，单通带、双通带甚至多通带型透波超构体的设计技术已经日趋完善，且在透波天线罩、收发异频通信、抗干扰通信方面有着较多的应用。然而，随着温度的升高，已有的吸波设计材料体系面临着介电参数随温度变化而带来的巨大挑战，其电磁性能随着温度的升高将会严重下滑甚至失效。
4.为满足高温下的电磁透波需求，传统的耐高温陶瓷材料被引入到频率选择表面设计中，但是其在电磁性能调控自由度方面仍需进一步研究。因此，如何在确保耐温性能的同时，最大限度地发挥超构体的设计优势是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.一种双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体，包括金属结构层和介质层；
8.所述金属结构层包含第一金属结构层和第二金属结构层，介质层包含介质上层、介质中层和介质下层，所述介质上层和介质下层分别对称设置于介质中层的上表面和下表面上；
9.第一金属结构层设置于介质上层和介质中层之间的夹层中，第二金属结构层设置于介质中层和介质下层之间的夹层中；
10.所述第一金属结构层和第二金属结构层均为耶路撒冷十字结构。
11.优选的，第一金属结构层和第二金属结构层的尺寸不同，且第一金属结构层和第二金属结构层的中心相对齐。
12.优选的，超构体的单元结构周期p＝7mm，厚度d＝0.5mm。
13.优选的，介质上层的厚度d1与介质下层的厚度d3相同，且d1＝d3＝0.15mm，介质中层的厚度d2＝0.2mm。
14.优选的，第一金属结构层的单元结构长度a1＝5mm，宽度b1＝2.4mm，金属线宽w
11
＝0.3mm、w
12
＝0.2mm，金属层厚度t1＝0.02mm。
15.优选的，第二金属结构层的单元结构长度a2＝3.2mm，宽度b1＝1.7mm，金属线宽w
21
＝0.3mm、w
22
＝0.2mm，金属层厚度t2＝0.02mm。
16.优选的，第一金属结构层和第二金属结构层的材质为固态金属钨。
17.优选的，介质上层、介质中层和介质下层的材质均为氮化铝陶瓷。
18.本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：
19.(1)本实用新型提供的双通带透波超构体的设计性强，可通过调整金属单元结构参数改变谐振频率，实现透射通带的灵活调控。
20.(2)本实用新型提供的超构体设计不仅仅适用于双通带设计，通过夹层数量或及金属结构形状的变化可研究设计多通带透波性能设计；
21.(3)本实用新型提供的超构体的结构对金属固有性能的保护性强，通过夹层设计的模式，使得易氧化的金属钨在高温环境下保持了良好的导电性能，为超构体设计向高温领域发展提供了一种设计基础。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体在分解状态下的单元结构示意图；
23.图2为本实用新型实施例提供的第一金属结构层和第二金属结构层的单元结构参数示意图；
24.其中：图2(a)为第一金属结构层的单元结构参数示意图；图2(b)为第二金属结构层的单元结构参数示意图；
25.图3为本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体的右视图；
26.图4为本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体的17
×
17结构单元样品的俯视图和仰视图；
27.其中：图4(a)为俯视图；图4(b)为仰视图；
28.图5为本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体在不同温度下的s参数仿真曲线图；
29.其中：图5(a)为在室温下的s参数仿真曲线图；图5(b)为在500℃下的s参数仿真曲线图；图5(c)为在900℃下的s参数仿真曲线图；
30.图6为本实用新型实施例提供的双通带透波超构体在不同温度下的透射率测试曲线图；
31.图7为本实用新型实施例提供的双通带透波超构体在900℃环境和y极化电磁波入射下于不同频率下的电流分布图；
32.其中，图7(a)为9.64ghz和13.29ghz处的电流沿y分量的分布图；图 7(b)为11.84ghz和14.72ghz处的电流沿y分量的分布图；
33.图中：1、介质上层；2、第一金属结构层；3、介质中层；4、第二金属结构层；5、介质下层。
具体实施方式
34.为了更清楚地说明本实用新型实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，对于本领域普通技
术人员来说，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。
35.实施例1
36.如图1至图3所示，本实用新型实施例提供了一种双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体，具体包括金属结构层和介质层；
37.所述金属结构层包含第一金属结构层2和第二金属结构层4，介质层包含介质上层1、介质中层3和介质下层5，所述介质上层1和介质下层5分别对称设置于介质中层3的上表面和下表面上；
38.第一金属结构层2设置于介质上层1和介质中层3之间的夹层中，第二金属结构层4设置于介质中层3和介质下层5之间的夹层中；
39.所述第一金属结构层2和第二金属结构层4均为耶路撒冷十字结构。本实用新型实施例通过将第一金属结构层2和第二金属结构层4设计为特殊的耶路撒冷十字结构，由于金属耶路撒冷十字结构的等效电路模型中具有电容、电感以及电阻，所以通过将耶路撒冷十字结构特殊的尺寸参数设计能够改变超表面结构的等效电容值、电感值从而实现频率选择谐振频率的控制。
40.第一金属结构层2和第二金属结构层4的尺寸不同，且第一金属结构层2 和第二金属结构层4的中心相对齐。通过将第一金属结构层2和第二金属结构层4的尺寸设计为不同，能够使第一金属结构层2和第二金属结构层4对应的工作频率不同，实现双通带透波性能设计，且第一金属结构层2和第二金属结构层4的中心对称设计能够减少不同工作频率之间的干扰。
41.本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体的制备方法，包括以下步骤：
42.(1)通过生瓷片层压形成介质下层5；
43.(2)在介质下层5的表面通过印刷丝网工艺印刷第二金属结构层4；
44.(3)通过生瓷片在第二金属结构层4和介质下层3的表面层压覆盖得到介质中层3；
45.(4)在介质中层3的表面通过印刷丝网工艺印刷第一金属结构层2；
46.(5)通过生瓷片在第一金属结构层2和介质中层3的表面层压覆盖得到介质上层1；
47.(6)最后烧结成型得到双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体。本实用新型实施例得到的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体中的介质上层 1、介质中层3和介质下层5之间无缝隙，为一体结构，第一金属结构层2设置于介质上层1和介质中层3之间的夹层中，第二金属结构层4设置于介质中层3和介质下层5之间的夹层中。
48.本实用新型实施例上述制备工艺为现有工艺，具体可参考公开号为 cn109053196b的发明专利中共烧陶瓷的制备工艺。
49.如图4所示，本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体共包含17
×
17个单元结构。
50.本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体的单元结构周期p＝7mm，厚度d＝0.5mm。
51.介质上层1的厚度d1与介质下层的厚度d3相同，且d1＝d3＝0.15mm，介质中层3的厚度d2＝0.2mm。
52.第一金属结构层2的单元结构长度a1＝5mm，宽度b1＝2.4mm，金属线宽 w
11
＝
0.3mm、w
12
＝0.2mm，金属层厚度t1＝0.02mm。
53.第二金属结构层4的单元结构长度a2＝3.2mm，宽度b1＝1.7mm，金属线宽 w
21
＝0.3mm、w
22
＝0.2mm，金属层厚度t2＝0.02mm。
54.第一金属结构层2和第二金属结构层4的材质为固态金属钨。固态金属钨的熔点大于3000℃，导电率为1.8～1.9
×
107s/m，在900℃内，处于氮化铝陶瓷夹层内的钨可防止氧化，同时保持固态和良好的导电性能，从而维持所设计超构体的双通带透波性能。
55.介质上层1、介质中层3和介质下层5的材质均为氮化铝陶瓷。
56.本实用新型实施例对介质上层1、介质中层3和介质下层5在不同温度下的电磁性能进行了测试，具体通过高温波导腔(型号为retrl0812ht1000) 在不同温度下通过将介质上层1、介质中层3和介质下层5分别切割成x与 ku波段需要的尺寸进行波导测试得出的，测试结果为：
57.介质上层1、介质中层3和介质下层5在室温环境下、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.5
±
0.1，介电损耗角正切为0.005
±
0.004；
58.介质上层1、介质中层3和介质下层5在500℃、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.2
±
0.1，介电损耗角正切为0.013
±
0.005；
59.介质上层1、介质中层3和介质下层5在900℃、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.2
±
0.1，介电损耗角正切为0.028
±
0.006。
60.通过上述电磁性能的测试结果说明介质的介电参数随温度变化保持相对稳定。
61.实施例2
62.本实施例针对实施例1中提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体的效果进行验证，为了验证本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体的效果，下面进行仿真模拟和实验验证。
63.图5为本实用新型双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体在不同温度下 y极化波入射的s参数曲线。仿真过程在cst微波工作室中进行，将室温、500℃和900℃温度下氮化铝的介电参数导入，通过建模仿真得到不同温度下的s曲线。其中实线s11表示反射曲线，虚线s21表示透射曲线。通过图5可以看出，除9.64ghz与14.72ghz两处峰值发生部分变化外，s参数曲线的其余部分没有发生明显的变化，说明了设计结构在高温下透波性能较为稳定，即8～18ghz 中，10.9ghz～12.5ghz与14.3ghz～18ghz两个频带内超构体呈现透波功能，其余频带为反射功能。
64.图6为本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体样品在不同温度下y极化波入射的透射率测试曲线。测试过程中，将结构样品放置在石英加热箱中，在室温、500℃、900℃温度测试点保温15分钟后进行透射率测试，在不同温度下的测试曲线结果相近，且与仿真曲线趋势相符，验证了仿真结果和设计理论，证实了本实用新型实施例提供的双层带阻耦合型耐高温双通带透波超构体抗氧化能力，在高温环境下电磁参数维持稳定。
65.图7为本实用新型实施例提供的双通带透波超构体在900℃环境和y极化电磁波入射下于不同频率下的电流分布图，图7(a)为9.64ghz和13.29ghz 处金属结构的电流分布，其电流强度弱，在该频点无透波效果并表现为反射效果，对应了透波曲线的低峰和反射曲线的高峰；图7(b)为11.84ghz和14.72ghz 处金属结构的电流分布，其电流主要分布在结构
的y轴上，对y极化入射波有强谐振反应，在该频点透波效果强，对应了透波曲线的高峰。且通过图7(b) 可以看出，第一金属结构层2在11.84ghz处表现出强谐振，第二金属结构4 在14.72ghz处表现出强谐振，说明了两个透波通带是由两层金属结构耦合形成，验证了设计的合理性。
66.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。