一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料的制作方法

文档序号:10689697
一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料,所述的复合超材料由可调谐电路超材料结构嵌入磁性吸波材料中所形成。本发明的有益效果是:针对跨越高低频的宽带高性能微波吸收问题,提出将可调谐超材料与传统宽带磁性吸波材料结合形成复合材料,获得了一种兼具低频实时可调吸收峰以及高频宽带吸波的复合超材料。并且,区别于现有可调吸波超材料的结构,本发明提出了一种基于细金属线和二极管组成的、调节电路和吸收单元为一体的吸波超材料,一方面能尽量降低超材料的面积占有率,另一方面避免了在磁性材料中埋入额外调控电路的需要,从而能保证复合材料的宽带吸收性能。
【专利说明】
一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料
技术领域
[0001]本发明涉及电磁波吸收材料领域以及超材料领域,特别涉及一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料。
【背景技术】
[0002]吸波材料是一种重要的军事隐身材料和民用防护材料,在降低战机的雷达散射截面积以及电磁兼容、电磁屏蔽、电磁对抗和安全防护等方面具有广泛的应用。“厚度薄、质量轻、频带宽、强度大”一直是吸波材料的发展目标。基于铁磁性金属吸收剂由于具备较大的磁导率被广泛用于GHz频段的电磁波吸收,但由于Snoek极限的限制,其吸收频带难以向低频扩展,尤其是6GHz以下,其吸波性能极差,并且随着频率降低急剧下降。
[0003]铁氧体材料能够在IGHz以下的低频率下实现较好的吸收,但是由于其饱和磁化强度较低,在IGHz以上的频率中表现远逊于磁性金属微粉为吸收剂的材料。而随着微波技术的发展和广泛应用,电磁环境更为复杂,需要实现同时面对大跨度的波段的电磁兼容。
[0004]同时,多波段的仪器也不断出现。例如,在民用方面,2.4GHz和5GHz共存的双频段用于无线通讯;在军事方面,双波段雷达能同时在S和X两个波段跟踪目标,在远近两种环境下提供先进的监视和探测,因而能够在S和X两个波段同时实现吸波的超材料在军事对抗中具有重要性。而传统薄层吸波材料无法兼顾跨度较大的多个波段吸收,因此开始在新兴的超材料领域寻求解决方案。
[0005]超材料是一种具有超强可设计性的周期性排布的人工单元结构,其电磁性能主要取决于结构设计,而不仅仅是组成材料的物化性能,因此可以灵活设计来实现不同频率下的吸收。
[0006]超材料通常需要利用共振机制,例如驻波共振、磁共振等来使电磁场的能量高度聚集并损耗。超材料的这些特性给它带来了超薄厚度、可设计性强的优点。同时也使得跨越高低频的多频带吸收成为可能:只要同时设计多个不同频率的共振单元即可。
[0007]然而共振损耗机制导致超材料的吸收峰十分狭窄,这限制了其应用。为了解决该问题,目前有三种方式:(I)通过共振频率相近的多个单元在厚度方向进行叠加,如AppIiedPhysics Letters期刊(2012年第10期,103506页)通过对“介质-金属片”进行多层叠加,设计的超材料实现了7.8-14.7GHz的宽带吸收,但吸波层厚度为5mm; (2)引入实时可调特性以实现吸收频率的自适应,如New Journal of Physics期刊(2014年第4期,43049页)通过在基板的一侧设置嵌入二极管的超结构,基板的另一侧设置偏置线路,设计了可调谐超材料,频率调节范围仅为4.5-5.6GHz。如Chinese Physics B期刊(2014年第6期,542页)通过二极管连接相邻的金属片构筑可调的高阻抗表面,设计了可调谐超材料,频率调节范围仅为2.2-2.8GHz,该类可调超材料由于金属片的存在,导致超结构的面积占有率较大。(3)将低频吸收的超材料与在高频段具有宽带性能的吸波材料复合,如专利(201510464343.8)中提出了 “一种嵌入式复合超材料吸波体”,通过环形超结构与磁性材料复合,设计了高低频兼顾吸收的超材料,在厚度2mm时,实现了高频6.7_18GHz宽频吸收,吸收率达到80 %,低频1.4GHz单频点吸收,吸收率达到95%,低频吸收有待进一步改善。综上分析可知,方式(I)会导致较大的厚度和制备上的困难;方式(2)的问题在于可调的频率范围较窄,一般不超过2GHz,同时受限于超结构的面积占有率以及需要在基板的另一侧设计偏置线路,使其不利于同磁性材料进行嵌入复合;方式(3)有较明显的厚度和带宽优势,尤其是在高频,但低频的超材料的窄带吸收峰仍然是软肋。总之,实现跨越高低频的宽带吸波材料仍然面临严峻的挑战。

【发明内容】

[0008]本发明针对目前吸波材料难以在薄层情况下实现跨越高低频的宽带高性能微波吸收的问题,尤其是低频的宽带工作频率问题,提出一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料,将可调谐超材料与传统宽带磁性吸波材料结合形成复合材料的方式,保持可调超材料与磁性吸波材料各自在低频和高频段的吸收性能,保持超材料的可调特性,并且提供便捷、可实用化的调节方案。
[0009]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的复合超材料由可调谐电路超材料结构嵌入磁性吸波材料中所形成。
[0010]按上述方案,所述的可调谐电路超材料是由镂空的低损耗介电材料框架结构基体表面周期排列的二极管经由细金属线连接形成并联网络,并在网络两端分别接入稳压电源的正负极形成的偏置电路构成。具体的讲,所述的可调谐电路超材料由细金属线与二极管构成,二极管两端连接细金属线,并以此作为基础单元形成周期排列;二极管两端的构成超材料的细金属线分别接入稳压电源的正负极形成偏置电路;所有二极管都形成并联关系,即它们的正极经由细金属线相互连接,它们的负极也经由细金属线相互连接。
[0011]按上述方案,所述的可调谐电路超材料嵌入磁性吸波材料后,细金属线和二极管部分仍然裸露在外,不被磁性材料所覆盖。
[00?2]按上述方案,所述细金属线是厚度小于0.1mm,宽度小于2mm的带状金属线。
[0013]按上述方案,所述的镂空的低损耗介电材料框架结构,其镂空率大于70%。其镂空部分全部为磁性吸波材料,有细金属线或二极管的部分并不镂空。
[0014]按上述方案,所述的低损耗介电材料包括环氧玻纤布基板FR-4、高频板或聚苯乙稀材料。
[0015]按上述方案,所述的二极管为变容二极管,其电容值由外加偏置电场控制。
[0016]按上述方案,所述的磁性吸波材料包括铁、钴、镍及其合金的粉体与介电聚合物组成的复合材料。
[0017]本发明从超材料的设计出发,通过将超材料及其性能调节电路进行一体化设计,以便于超材料吸波性能的调控,同时在超材料和调节电路的设计中采用细线结构,以保持可调超材料性能不受影响,并尽量减小对磁性材料在高频的吸波性能的影响,设计高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料。因此发明点有:
[0018](I)超材料和调节电路的设计中采用细线结构,最大程度地降低了超材料的遮盖率,从而保留了磁性材料的高频吸收性能;
[0019](2)超材料及其性能调节电路进行一体化设计,有效避免了可调电路布线在结合过程中可能对吸收性能和带宽产生的不良影响。
[0020]本发明的有益效果是:针对跨越高低频的宽带高性能微波吸收问题,提出将可调谐超材料与传统宽带磁性吸波材料结合形成复合材料,获得了一种兼具低频实时可调吸收峰以及高频宽带吸波的复合超材料。并且,区别于现有可调吸波超材料的结构,本发明提出了一种基于细金属线和二极管组成的、调节电路和吸收单元为一体的吸波超材料,一方面能尽量降低超材料的的面积占有率,另一方面避免了在磁性材料中埋入额外调控电路的需要,从而能保证复合材料的宽带吸收性能。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料的俯视图;
[0022]图2为图1在断面A-A处的视图;
[0023]图3为图1在断面B-B处的剖视图;
[0024]图4为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料的电路结构示意图;
[0025]图5分别为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料所涉及的变容二极管在外加偏置电场下的电容值和电阻值;
[0026]图6为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料所涉及的磁性材料的单层吸波性能;
[0027]图7为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料在不同偏置电场下的拟合吸收性能图;
[0028]图8为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料的实物制备流程图;
[0029]图9为本发明实施例1的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料的实物性能测试图;
[0030]图10为实施例2的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料所涉及的磁性材料的单层吸波性能;
[0031]图11为实施例2的高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料在不同偏置电场下的拟合吸收性能图。
【具体实施方式】
[0032]本发明提出了一种高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料,下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的说明。
[0033]一种高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的复合超材料由可调谐电路超材料结构嵌入磁性吸波材料中所形成。
[0034]按上述方案,所述的可调谐电路超材料是由镂空的低损耗介电材料框架结构基体表面周期排列的二极管经由细金属线连接形成并联网络,并在网络两端分别接入稳压电源的正负极形成的偏置电路构成。
[0035]按上述方案,所述的可调谐电路超材料嵌入磁性吸波材料后,细金属线和二极管部分仍然裸露在外,不被磁性材料所覆盖。
[0036]按上述方案,所述细金属线是厚度小于0.1mm,宽度小于2mm的带状金属线。
[0037]按上述方案,所述的镂空的低损耗介电材料框架结构,其镂空率大于70%。其镂空部分全部为磁性吸波材料,有细金属线或二极管的部分并不镂空。
[0038]按上述方案,所述的低损耗介电材料包括环氧玻纤布基板FR-4、高频板或聚苯乙稀材料。
[0039]按上述方案,所述的二极管为变容二极管,其电容值由外加偏置电场控制。
[0040]按上述方案,所述的磁性吸波材料包括铁、钴、镍及其合金的粉体与介电聚合物组成的复合材料。
[0041 ] 实施例1
[0042]通过将可调谐电路超材料及其性能调节电路进行一体化设计,以便于超材料吸波性能的调控,同时在可调谐超材料和调节电路的设计中采用细金属线结构,以保持可调谐电路超材料性能不受影响,并尽量减小对磁性材料在高频的吸波性能的影响。
[0043]在金属背板上设计高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料,单元结构的俯视图如图1所示。I为磁性吸波材料,2为环氧玻纤布基板FR-4,3为可调谐电路超材料结构,4为变容二极管,其中单元周期为P= 13mm,金属线宽w = 0.3mm,环氧玻纤布基板FR-4的宽度d =
0.7mm。图2为复合超材料在A-A处的剖视图,5为金属线,2为环氧玻纤布基板FR-4,高度h =1.5mm,二极管焊盘之间的间距为g=l.4mm。图3为复合超材料在B-B处的剖视图,I为磁性吸波材料,2为环氧玻纤布基板?1?-4,其介电参数为^ = 4.4(1-0.0251),5为金属线。图4为电路结构示意图,4为变容二极管,5为金属线,可以看出所有的二极管并联连接,二极管的上端为负极并与金属线连接,下端为正极并与金属线连接,二极管上端的金属线与稳压电源的负极相连,二极管下端的金属线与稳压电源的正极相连,细金属线和二极管部分仍然裸露在磁性吸波材料外。
[0044]复合超材料中所采用的变容二极管型号为SMV2019-079LF,在外加偏置电场下的电容值和电阻值的数据结果如图5所示。可以看出随外加电场的增加,电容呈衰减特性,变化范围为2.31-0.21pF,电阻线性减小,变化范围4.51-2.16 Ω。磁性吸波材料的单层吸收性能如图6所示,可以看出吸收性能主要贡献在8-18GHz的高频段,8GHz以下的低频吸收性能较差。
[0045]根据上述实施方式中的结构参数,我们采用电磁仿真软件分别模拟了复合超材料在不同偏置电场下的吸收性能图,电场方向平行于变容二极管所在的金属线方向。模拟结果如图7所示,可以看出,在8-18GHZ频段内存在宽频吸收特性,吸收率达到80%,且受外加偏置电场的影响较小;同时,在低频内,具有单频吸收特性,吸收率达到85%,且随外加偏置电场的增加,吸收峰向高频移动,下面通过实物制备来验证设计的可行性。
[0046]复合超材料的制备工艺流程如图8所示,具体分为三步。
[0047]第一步:在环氧玻纤布基板FR-4上,采用电路板印刷技术制备线路板,同时在需要安装变容二极管的地方预留细金属线开口间距1.4mm并上锡膏做好焊盘,之后用雕刻机按照图1-图3中的尺寸制得镂空的电路超材料框架。之后,在开口处焊接变容二极管,焊接过程中注意二极管的正负极,并用万能表检查线路,确保所有的变容二极管形成并联关系。
[0048]第二步:以粒径3-5微米的铁粉为吸收剂,分散在环氧树脂基体中,粉胶比为2.6,吸收剂铁粉的体积分数为28.6%,采用喷涂工艺制备磁性吸波涂层,喷涂至厚度为1.5mm,置于鼓风干燥箱中,60°C下固化成型。按照磁性吸波材料的设计要求,用雕刻机雕出宽度为
1.4mm的沟槽,得到图形化的磁性材料吸波层。
[0049]第三步:将第一步中制得的调谐电路超材料嵌入第二步中制得的图形化的磁性材料吸波层中,得到可调谐宽带吸波复合超材料。
[0050]在微波暗室中采用AgilentPNA-N5230A矢量网络分析仪测试复合超材料的反射率,将复合超材料上的正负极引线连接到稳压电源上,分别输出0、4、11V的电压。测试结果如图9所示,实测性能在8.4GHz-18GHz存在宽频吸收,吸收率达到80%,并在不同电压下保持稳定。在低频存在一个吸收率达到80%左右的吸收峰,同时吸收峰频率在电压从O升高到IlV时,从低频向高频移动。且对比图7和图9可以发现拟合与实际测试的结果基本吻合,从而验证了设计的可行性。
[0051 ] 实施例2
[0052]以高频板作为低损耗介电材料,在金属背板上设计高低频兼顾的可调谐宽带吸波复合超材料,单元结构的俯视图如图1所示。I为磁性吸波材料,2为高频板,3为可调谐电路超材料结构,4为变容二极管,其中单元周期为P = 10mm,二极管焊盘之间的间距为g =1.4mm,金属线宽W = 0.1mm,基板高频板宽度d = 0.35mm。磁性吸波材料的单层吸收性能如图10所示,其粉胶比为2.78,吸收剂铁粉的体积分数为30%,高频板的介电参数为er = 3.35(l-0.0027i),复合超材料中所采用的变容二极管型号为SMV2022-004LF,其余结构同实施例1,。
[0053]采用电磁仿真软件分别模拟了复合超材料在不同偏置电压下的吸收性能图,电场平行于二极管所在的金属线方向。模拟结果如图11所示,可以看出,可以看出,在8-18GHZ频段内存在宽频吸收特性,吸收率达到80%,且受外加偏置电场的影响较小;同时,在低频内,具有单频吸收特性,吸收率达到85%,且随外加偏置电场的增加,吸收峰向高频移动。
[0054]根据以上实施案例,相关领域的技术人员易于在不脱离本发明实质的条件下,通过变换所用的二极管型号、细金属线的布局以及制备流程实现相同或相近的结构和性能,这些均在本发明的所申请的专利保护范围内。
[0055]以上所述仅为本发明的实施例,是为了帮助读者理解本发明的实施方法,并非因此限制本发明的专利范围。凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的复合超材料由可调谐电路超材料结构嵌入磁性吸波材料中所形成。2.根据权利要求1所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的可调谐电路超材料是由镂空的低损耗介电材料框架结构基体及其表面周期排列的二极管经由细金属线连接形成并联网络,并在网络两端分别接入稳压电源的正负极形成的偏置电路构成。3.根据权利要求2所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的可调谐电路超材料嵌入磁性吸波材料后,细金属线和二极管部分仍然裸露在外。4.根据权利要求2所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述细金属线是厚度小于0.1mm,宽度小于2mm的带状金属线。5.根据权利要求2所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的镂空的低损耗介电材料框架结构,其镂空率大于70%。6.根据权利要求2所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的低损耗介电材料包括环氧玻纤布基板FR-4、高频板或聚苯乙烯材料。7.根据权利要求2所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的二极管为变容二极管,其电容值由外加偏置电场控制。8.根据权利要求1所述的高低频兼顾的可调谐超薄宽带吸波复合超材料,其特征在于:所述的磁性吸波材料包括铁、钴、镍及其合金的粉体与介电聚合物组成的复合材料。
【文档编号】H01Q15/00GK106058478SQ201610319490
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月15日
【发明人】官建国, 吴远昌, 李维, 杨进, 龙昌, 吴天龙, 王龙, 王一龙
【申请人】武汉理工大学
再多了解一些
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