一种超宽带轻质隐身超表面

本发明属于电磁超材料，具体涉及一种超宽带轻质隐身超表面。

背景技术：

1、现代战场环境十分复杂，为了有效提高武器装备的作战性能和生存能力，需要降低作战系统的雷达散射截面积(rcs)，通过对目标进行特殊的电磁隐身设计，可有效降低目标被探测到的风险。目前，电磁隐身技术的两种主要技术途径是外形隐身设计和使用电磁隐身材料。外形隐身技术的设计自由度较差，受限于目标的气动性能、结构以及尺寸等；传统电磁隐身材料通常厚度厚、质量大，工作频率也相对固定，不利于系统的小型化、集成化、轻量化设计。因此，实现厚度薄、质量小、性能好的隐身材料已成为该领域的研究热点和难点。

2、超表面是一种二维复合材料，通过周期或准周期排列一些特殊结构的方式来实现常规材料所不具备的特殊物理特性，其能够对电磁波在空间中传播的幅度和相位等特性进行主观调控。由于超表面是二位超薄型超材料，其有着物理空间占用率少、能有效降低损耗、易于生产加工、适合芯片集成，以及高调谐能力和动态调节能力等优点。超表面的诞生使电磁隐身技术实现了重大突破，其优异的性能使其可以成为军事隐身材料的良好候选者。

3、现有一种具有三层复合结构的宽带超轻平面吸收结构，如图1所示。该结构由三层ito薄膜组成(黄色)，且ito由三层pmi泡沫隔开(绿色)，底层ito为正方形贴片，中间层为ito方环，顶层是大小相同的正方形ito贴片，整个单元结构底部覆盖一层铜片，以防止电磁波的透射。该结构具有重量轻、全极化、角度不敏感等特点，在1～18ghz范围能实现90％以上的吸波效率。但此结构设计复杂，且单元周期、厚度太大，限制了其应用范围。

4、另一种基于超表面结构的超宽带光学透明微波吸收器件，如图2所示，该超宽带光学透明微波吸收器件为复合层结构，从上往下依次为电阻膜、第一介质层、频率选择表面结构层、第二介质层和金属网格衬底。该结构实现了在8.5～23.42ghz频率范围的吸收。

5、对于上述使用三层复合结构进行宽带吸波的方法，虽然其重量轻、极化不敏感、入射角度不敏感，也能实现一定程度上的宽带吸波，但是其不仅结构设计上需要考虑很多参数，而且基本单元的尺寸(大小、厚度)非常大，使得其应用的空间非常受限。

6、对于上述超宽带光学透明微波吸收器件，虽然其利用电磁屏蔽原理在微波中特定波段对电磁波有较强的吸收能力，但是其吸收峰振荡不连续，影响了电磁波的高效率吸收；引入相干完美吸收后，虽然获得了光滑平稳的高效吸收，但是其90％吸收率以上的带宽有所缩减，仅达到10～16ghz。除此之外，该设计的频率选择表面结构层结构复杂，无论对设计还是制造都会产生相应的成本。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超宽带轻质隐身超表面，在雷达常用的微波波段显示出超长带宽的高效率吸收带，用于解决目前隐身超表面设计复杂、工作带宽窄、厚度大、基本单元尺寸大、重量不够轻质的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种超宽带轻质隐身超表面，包括基本单元，基本单元包括上层复合结构，上层复合结构的下方设置有下层复合结构，上层复合结构和下层复合结构的频率选择表面结构层为正方形，用于在微波波段实现超宽带电磁波高效吸收。

4、优选地，上层复合结构包括pmi泡沫层，频率选择表面设置在pmi泡沫层的上方。

5、更优选地，下层复合结构包括基底，基底上设置有fr-4材料层，频率选择表面设置在fr-4材料层上。

6、更优选地，基底与pmi泡沫层和fr-4材料层的横截面积相同。

7、更优选地，基底采用金属薄膜。

8、更优选地，pmi泡沫层、fr-4材料层和基底与超表面的单元周期的长和宽相同。

9、优选地，频率选择表面采用ito薄膜。

10、优选地，基本单元包括多个，多个基本单元阵列设置。

11、优选地，超表面在微波波段具有超宽带高效吸收率。

12、更优选地，超表面在4.4～22.4ghz区间的吸收率大于90％。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、一种超宽带轻质隐身超表面，结构简洁，易于生产加工，重量轻、单元的周期和厚度小，易于装载在各种装备表面实现隐身功能，在雷达常用的微波波段显示出超长带宽的高效率吸收带，使得隐身超表面的工作频段大幅提高。

15、进一步的，复合结构中，ito薄膜结构等效于电感，而相邻周期基本单元薄膜之间的间隙可以被视为电容，ito薄膜结构本身引入了等效电阻，它可以高效地耗散入射波，因此每一层代表一个rlc串联电路，双层复合结构就相当于并联两个rlc串联电路，从而实现高效地宽带吸波。

16、进一步的，基底能够有效阻止电磁波的透射，所以是和fr-4材料层横截面积相同的。

17、进一步的，采用金属薄膜作为基底，能够有效阻止电磁波的透射。

18、进一步的，ito薄膜的加工工艺成熟、材料常见。ito结构引入了等效电阻，它可以高效地耗散入射波。

19、综上所述，本发明结构简洁、轻薄，使其易应用于装备表面用于电磁隐身。

20、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。

技术特征：

1.一种超宽带轻质隐身超表面， 其特征在于， 包括基本单元， 基本单元包括上层复合结构，上层复合结构的下方设置有下层复合结构， 上层复合结构和下层复合结构的频率选择表面结构层为正方形， 用于在微波波段实现超宽带电磁波高效吸收。

2.根据权利要求1所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，上层复合结构包括pmi泡沫层(2)，频率选择表面设置在pmi泡沫层(2)的上方。

3.根据权利要求2所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于， 下层复合结构包括基底(5)，基底(5)上设置有fr-4材料层(4)， 频率选择表面(3)设置在fr-4材料层(4)上。

4.根据权利要求3所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，基底(5)与pmi泡沫层(2)和fr-4材料层(4)的横截面积相同。

5.根据权利要求3所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，基底(5)采用金属薄膜。

6.根据权利要求3所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，pmi泡沫层(2)、fr-4材料层(4)和基底(5)与超表面的单元周期的长和宽相同。

7.根据权利要求1所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，频率选择表面采用ito薄膜。

8.根据权利要求1所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，基本单元包括多个， 多个基本单元阵列设置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，超表面在微波波段具有超宽带高效吸收率。

10.根据权利要求9所述的超宽带轻质隐身超表面，其特征在于，超表面在4.4～22.4ghz区间的吸收率大于90％。

技术总结
本发明公开了一种超宽带轻质隐身超表面，包括基本单元，基本单元包括上层复合结构，上层复合结构的下方设置有下层复合结构，上层复合结构和下层复合结构的频率选择表面结构层为正方形，用于在微波波段实现超宽带电磁波高效吸收。本发明结构简洁、轻薄，使其易应用于装备表面用于电磁隐身。

技术研发人员：张留洋,陆浩源,刘金鑫,翟智,王晨希,韩东海,王中兴,崔玉清,沈忠磊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12