一种复合宽频带吸波材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合宽频带吸波材料，包括地板、介质板、频率选择表面与基体吸波材料层，所述地板设于所述介质板的下表面，所述频率选择表面设于所述介质板的上表面，所述基体吸波材料层涂覆于所述频率选择表面上，所述频率选择表面设有若干无源谐振单元，所述无源谐振单元为耶路撒冷十字孔径形结构，将若干所述无源谐振单元周期排列后成为孔径型频率选择表面，并形成RLC并联电路。本发明能实现宽频带范围内的雷达截面减缩，且具有结构简单、稳定性好、易于实现的优点。
【专利说明】一种复合宽频带吸波材料
【技术领域】
[0001]本发明涉及吸波材料中的频率选择表面【技术领域】，具体涉及一种复合宽频带吸波材料，用于吸收电磁波，减缩雷达散射截面，实现目标的电磁隐身。
【背景技术】
[0002]控制目标RCS为目的的电磁隐身技术的研究由来已久，对于普通目标RCS的控制手段主要有四种，即:整形技术、涂覆吸波材料、无源对消与有源对消技术。其中，整形技术和涂覆吸波材料是最常使用也是最为有效的两种手段。涂覆吸波材料则是最早应用于军事领域，用以实现武器系统或其雷达的隐身的主要手段。随着探测技术的飞速发展，隐身技术己成为世界各主要国家的重点研究对象。而随着隐身技术地位的日益提升，研究和开发高性能的吸波材料已成为军事【技术领域】的一个重要课题。吸波材料是指能够通过自身对微波能量的吸收作用，减小雷达波散射截面的材料。目前，吸波材料主要研究方向为:以复合材料为基础，并在其上发展起来的多功能材料。要求其在吸波的同时还兼有防腐、耐湿、耐高温、承载等功能。拓宽频带、高效率、不增加消极重量、可成型各种形状复杂的部件等特征，是目前吸波材料的主要发展方向。复合吸波材料主要是由具有吸波性能的基体材料、增强材料或蜂窝芯材等复合而成。其表层具有良好的透波性能、中间层为衰减设计的损耗吸收层，底层为全反射层，整体结构遵循“薄、轻、宽、强”的设计理念。但目前已有吸波材料的体积、重量和成本较大，而且吸波性能会受到涂覆时误差的影响而不稳定，且吸波频带一般不超过40%，使得在较宽频带范围内对威胁雷达波实现良好地吸收极其困难。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种复合宽频带吸波材料，通过与频率选择表面结合，利用设置的无源谐振单元组合的周期性排列保证在吸波材料的体积、重量和成本变化较小的情况下，实现对吸波材料吸波性能的优化以及吸波频带的展宽。
[0004]吸波材料的吸收机理为电磁波与物质相互作用，如同黑色物体有效吸收热能一样，入射的电磁波通过吸波材料转换为热能或其他形式的能量，从而最大限度减少雷达回波能量。频率选择表面(FSS)是由大量的无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，它由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径组成，它的性能类似于电路中的带通或带阻滤波器。通过改变每个单元的形状、尺寸，可以使这种结构具有不同的谐振频率，从而对空间电磁波的透射或反射具有频率选择性质。
[0005]雷达吸波材料要具有好的吸波性能必须具备两个条件:雷达波入射到吸波材料内部时能量损耗要尽量大；吸波材料的阻抗要与自由空间的波阻抗相匹配。要满足第一个条件可以选择介电常数和磁导率虚部较高的吸收剂来实现；要满足第二个条件，可以通过调节电阻片阻抗、材料的电磁参数以及材料厚度来改变输入阻抗从而实现阻抗匹配条件，而其中最容易调节的是电阻片的阻抗，目前广泛采用的也是这种阻抗匹配方式。但如果将频率选择表面引入到吸波材料的设计中则可以更方便地实现阻抗匹配条件。本发明将吸波材料和频率选择表面结合起来，以达到大范围展宽原有吸波材料吸波带宽的作用。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种复合宽频带吸波材料，包括地板、介质板、频率选择表面与基体吸波材料层，所述地板设于所述介质板的下表面，所述频率选择表面设于所述介质板的上表面，所述基体吸波材料层涂覆于所述频率选择表面上，所述频率选择表面设有若干无源谐振单元，所述无源谐振单元为耶路撒冷十字孔径形结构，将若干所述无源谐振单元周期排列后成为孔径型频率选择表面，并形成RLC并联电路。
[0008]需要说明的是，所述孔径型频率选择表面为二维周期排列。
[0009]需要进一步说明的是，所述频率选择表面由行*列(NXM)个单元构成，其中N≤3，M≤3 ;进一步的，所述频率选择表面形成RLC并联电路，其中电容C和电感L主要由频率选择表面结构的几何形状和尺寸决定，阻抗R来源于金属损耗和辐射损耗，选择合理的频率选择表面的结构与尺寸，获得适当的等效电感L、电容C和电阻R，吸波材料的复合结构可以在一定频段内较好地吸收入射电磁波。
[0010]本发明有益效果在于:
[0011]1、本发明由于加载了频率选择表面，在吸波材料的体积、重量和成本变化较小的情况下可以实现较好的吸波效果，结构简单，易于实现；
[0012]2、本发明由于使用了将基体吸波材料和频率选择表面相结合的结构，展宽了吸波材料的吸波带宽，吸波带宽可达105.2% ；
[0013]3、本发明由于将频率选择表面和基体吸波材料进行一体化设计，避免了安装误差而影响其减缩性能， 减缩性能稳定；
[0014]4、本发明由于频率选择表面单元数目选取灵活，使该宽频带吸波材料总尺寸可调，可根据实际大小需要确定。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明频率选择表面与基体吸波材料结合的结构示意图；
[0016]图2为图1频率选择表面耶路撒冷十字孔径型的结构示意图；
[0017]图3为本发明立体结构示意图；
[0018]图4为本发明的RLC等效电路连接结构不意图；
[0019]图5为本发明的S11和原吸波材料的S11对比图。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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不限于下述的实施例。
[0021]如图1、图2所示，本发明为一种复合宽频带吸波材料，包括地板1、介质板2、频率选择表面3与基体吸波材料层4，所述地板I设于所述介质板2的下表面，所述频率选择表面3设于所述介质板2的上表面，所述基体吸波材料层4涂覆于所述频率选择表面3上，所述频率选择表面3设有若干无源谐振单元，所述无源谐振单元为耶路撒冷十字孔径形结构，将若干所述无源谐振单元周期排列后成为孔径型频率选择表面，并形成RLC并联电路。
[0022]需要说明的是，所述孔径型频率选择表面为二维周期排列。其中周边的细金属框线构成所需电感L，而每个无源谐振单元之间通过缝隙构成所需电容C，便形成RLC并联电路。进一步地说，电容C和电感L主要由频率选择表面结构的几何形状和尺寸决定，阻抗R则来源于金属损耗和辐射损耗，因此，选择合理的频率选择表面结构和尺寸，获得适当的等效电感L、电容C和电阻R，吸波材料的复合结构可以在一定频带内较好地吸收入射电磁波。
[0023]如图3所示，本发明中的频率选择表面由行*列(NXM)个单元构成，N大于3，M大于3。作为一种示意，图中取值为N=5，M=5。
[0024]作为一种优选的方案，本发明的单元尺寸可为地板I的长和宽为4_ ;介质板2采用的材料为FR4,介电常数为4.4,介质板的长和宽为4mm,厚度为1.5mm ;如图2所示,长和宽W为4mm ;中间的十字形缝隙宽度a为0.14mm,沿四个边的缝隙长度b为2mm,宽度d为0.4mm,与边的间隙g为0.04mm ;吸波材料涂层长和宽为4mm,厚度为1.2mm,介电常数为ε ’ =20.3，磁导率为μ ’ =3.55，电损耗角为tan δ D=0.2266，磁损耗角为tan δ Μ=0.4422。
[0025]为了进一步了解本发明的效果，可通过以下理论分析和仿真结果说明:
[0026]1、理论分析
[0027]根据传输线理论，图3中结构等效为如图4所示的传输线电路，基体吸波材料层和介质板分别等效为长度为屯、d2的输线，其传输线的特性阻抗由相应的波阻抗决定，频率选择表面等效为RLC并联电路，金属板相当于终端短路，电容C和电感L主要由FSS结构的几何形状和尺寸决定，阻抗R则来源于金属损耗和辐射损耗。
[0028]根据传输线理论，此宽频带吸波材料的反射系数1-可由下式计算: [0030]其中，+ z W为整个结构的输入阻抗，而Z2为FSS表面处的输入阻抗，可由下式计算，
[0032]式中η C1、η 1、η 2分别为自由空间、吸波材料和介质基层的波阻抗，Ii1和k2为电磁波在吸波材料和介质基层中传播时的波矢量。通过上述定性分析可知，选择合理的FSS结构和尺寸，获得适当的等效电感、电容和电阻，吸波材料的复合结构可以在一定频段内较好地吸收入射电磁波。
[0033]2、仿真结果
[0034]如图5所示为本发明的S11和基体吸波材料的S11对比图。由此可以看出，基体吸波材料本身的吸收峰在6.5GHz,吸收峰值为-14dB，在5.4GHz~7.8GHz的频带内，反射系数小于-10dB，带宽为36.5% ;加载FSS结构后，由于频率选择表面的谐振峰和吸波材料的吸收峰互相影响，反射系数出现了两个吸收峰，第一个吸收峰在5.1GHz,吸收峰值为-19.5dB，，第二个吸收峰在8.8GHz，吸收峰值为-27dB，吸波性能明显增强，在4.6GHz?14.8GHz这个频带内，反射系数均小于-1OdB,带宽达到105.2%。
[0035]以上所述，仅为本发明的优选实例而已，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，任何人可根据本发明的内容进行修改、等同替换和改进等，但这些均仍属本发明涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种复合宽频带吸波材料，包括地板、介质板、频率选择表面与基体吸波材料层，所述地板设于所述介质板的下表面，所述频率选择表面设于所述介质板的上表面，所述基体吸波材料层涂覆于所述频率选择表面上，其特征在于，所述频率选择表面设有若干无源谐振单元，所述无源谐振单元为耶路撒冷十字孔径形结构，将若干所述无源谐振单元周期排列后成为孔径型频率选择表面，并形成RLC并联电路。
2.根据权利要求1所述的复合宽频带吸波材料，其特征在于，所述孔径型频率选择表面为二维周期排列。
【文档编号】H01Q17/00GK103490171SQ201310482280
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】王夫蔚, 洪涛, 吕洁, 姜文, 龚书喜, 张帅 申请人:西安电子科技大学