一种全介质频率选择表面的制作方法

本发明涉及频率选择表面设计技术领域，更具体的涉及一种全介质频率选择表面。

背景技术：

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是对电磁波具有滤波作用的周期性结构。一般来说，典型的频率选择表面是：周期性地排列金属单元的贴片型和在金属屏上周期性开孔的孔径型。现在大部分频率选择表面都是基于金属结构设计的，金属结构虽有诸多优点，但在抗氧化性、耐腐蚀、以及高功率等方面仍具有缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全介质频率选择表面，用以弥补金属结构的频率选择表面存在的不足。

本发明是这样实现的，一种全介质频率选择表面，采用介电材料制作而成，是由多个六面体单元在三维空间进行单元扩展而成的阵列结构，该阵列结构的六面体单元包括处于立方体八个角位置的角部圆球、处于立方体的中心位置的中心圆球以及连接角部圆球和中心圆球的八个圆柱杆，该阵列结构中的六面体单元的八个角位置的角部圆球被相邻的六面体单元所公用，角部圆球与中心圆球为等大的圆球结构。

优选地，六面体单元的结构尺寸要求如下：

0.2mm≤R≤10cm，0.1mm≤d≤8cm，0.1mm≤r≤5cm。

优选地，所用介电材料选自聚乳酸、ABS塑料或光敏树脂3D打印低介电材料。

优选地，所用介电材料的介电常数在3-5，介电损耗小于千分之一。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种全介质频率选择表面，采用介电材料制作而成，具有一种全新的结构，电学性能表现为在微波段实现频率选择特性，并且根据本发明的结构设计利用多种介电材料材料进行周期频率选择表面的设计，同时了根据介质材料的选择性不同，弥补金属结构的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为本发明实施例提供的一种基于机械超材料的全介质频率选择表面示意图；

图2为本发明实施例六面体单元结构示意图；

图3为本发明实施例六面体单元的结构尺寸示意图；

图4为本发明实施例进行频率选择特性仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种全介质频率选择表面，采用低介电常数的3D打印材料进行制作，所用低介电常数的3D打印材料为现有的3D打印材料中较为成熟的低介电材料中的聚乳酸(PLA),ABS塑料或光敏树脂，所用的这些介电材料的介电常数在3-5，介电损耗小于千分之一。如图1所示，该全介质频率选择表面是由多个六面体单元在三维空间进行单元扩展而成的阵列结构，如图2所示，该阵列结构的六面体单元包括处于立方体八个角位置的角部圆球、处于立方体的中心位置的中心圆球以及连接角部圆球和中心圆球的八个圆柱杆，该阵列结构中的六面体单元的八个角位置的角部圆球被相邻的六面体单元所公用，角部圆球与中心圆球为等大的圆球结构。

六面体单元的结构尺寸要求如下(如图3所示)：

0.2mm≤R≤10cm，0.1mm≤d≤8cm，0.1mm≤r≤5cm。

本发明实施例提供的一种全介质频率选择表面，采用介电材料制作而成，具有一种全新的结构，电学性能表现为在微波段实现频率选择特性，并且根据本发明的结构设计利用多种介电材料材料进行周期频率选择表面的设计，同时了根据介质材料的选择性不同，弥补金属结构的不足。

下面结合具体实施例来详细说明。

实施例1

由于介电材料是可以随意更换而不影响超材料机械性能的，因此我们采用当前较为精准的3D打印技术打印低介材料的全介质频率选择表面。聚乳酸是一类具有较好可塑性的3D打印材料。把聚乳酸材料这种全介质作为频率选择表面的研究却较少。尤其是用于实现频率选择表面的研究更是鲜见。我们关于3D打印低介材料结构的频率选择表面的研究发现：基于3D打印设计出的全介质低介频率选择表面具有较好的性能。更重要的是，作为一种低介材料，电磁波是能够很好的透射过去的，但是我们设计的频率选择表面却具有反射电磁波的特性，且在抗氧化以及高功率等方面具有潜在的应用价值。

具体步骤如下：

(1)确定设计材料，由于本例使用聚乳酸，因此需对聚乳酸这种材料进行介电常数、损耗等电性能的测试。我们发现这种材料的介电常数大约在3左右，损耗非常小可在千分之一以下。

(2)利用介电参数和CST软件设计基于聚乳酸材料的全介质频率选择表面。由于使用3D打印技术，因此在此利用三维点阵结构。另外，聚乳酸属于低介材料，对电磁波通常没有阻碍作用，因此我们的结构设计要让这种频率选择表面具有阻碍电磁波的效果。

(3)在实现频率选择表面的同时，加入力学超材料的设计理念。对单元结构进行调整优化使其具有超轻超强的力学优势。

(4)由于设计了三维结构，就涉及到多层与单层的关系。通过理论分析计算，发现某些力学性能是可以等效的，因此我们的频率选择表面无论设计成单层或多层都具有优良的力学性能。因此可以通过改变频率选择表面的层数来改变对电磁波的调节效果但不会改变其等效力学性能。

(5)使用MakerBot Replicator23D打印机进行样品制作。由于电学性能和力学性能的测试系统对样品要求不同，因此打印时，将样品打印为不同尺寸大小来满足不同的测试仪器(测试仪器为国际通用型号)。

(6)对打印好的样品进行去掉打印支撑材料等后处理加工。

(7)使用矢量网络分析仪对样品进行频率选择特性性能测试，使用INSTRON 3382对样品力学性能进行测试。压缩实验使用ISO 604-2002标准，三点弯曲实验使用ASTM:C393标准。

对制作而成的全介质频率选择表面使用CST Microwave Studio软件进行频率选择特性仿真，得到的S参数，如图4所示，从图4中可以看出在16.09-16.4GHz和17.11-17.36GHz存在两个阻带，表明该全介质频率选择表面表现为在微波段具有频率选择特性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。