一种低频吸波高频透波的超材料结构的制作方法

1.本发明涉及一种低频吸波高频透波的一体化超材料结构，属于电磁场与微波技术领域。


背景技术：

2.超材料指原本自然界中不存在，由人工设计、制造出来的具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。狭义上的超材料特指左手材料(left-handed metamaterial，lhm)，又叫双负材料，即一种介电常数ε和磁导率μ均为负的人工周期介质材料。由于其具有天然材料所不具备的超常物理性质，成为应用物理、光学、微波以及材料工程等领域的研究热点。随着研究的不断深入，超材料的研究已经从最初的微波波段扩展到光波波段和声波波段，包含的超材料除最初的左手材料外，还包括光子晶体、超磁性材料、频率选择表面等等。
3.随着现代雷达探测技术的不断发展进步，雷达的探测距离和探测精度不断提高，极大的削弱武器装备的战场生存能力和突防能力，为了应对这一变化，武器装备的强隐身设计越来越受到关注。超材料技术由于其在电磁调控方面独特的功能优势在隐身领域得到广泛应用。应用最早也最广泛的是频率选择表面超材料技术，频率选择表面是一种空间电磁波滤波结构，通过周期排布的金属单元结构实现对特定频段电磁波的透射或反射，再结合天线罩体的低散射外形实现雷达舱单站雷达散射截面的减缩，从而在保证己方雷达正常工作的同时对特定频段雷达波隐身。但是随着多基探测雷达技术的发展与使用，以及雷达探测能力的不断提高，对装备单站、双站隐身性能及抗干扰性能要求不断提高，传统基于透波/反射的频率选择表面难以满足需求，需要设计性能更加优异的吸波/透波一体化超材料结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种在c波段具有对电磁波的高透过性，同时在c波段以下频段具有对电磁波的强吸收特性的超材料结构。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种低频吸波高频透波的超材料结构，由六层结构依次铺层组成；其中，第一层、第三层和第六层为介质层；第四层为铁氧体材料层；第二层为由介质基板层以及在该介质基板层上的金属微结构层组成，该金属微结构层为由正方形网格单元周期排列构成，每个网格单元包括一个金属方环，在该方环的四条边上分别设有两个微带电容和两个微带电感，在该方环的4个角上分别焊接有一个贴片电阻；第五层为金属微结构层，由正方形网格单元周期排列构成，每个网格单元为在中间刻蚀有一个圆孔的正方形金属贴片。
7.进一步地，第一层和第六层的厚度分别为0.1～0.5mm。
8.进一步地，第二层的微带电容的两个贴片间隙宽度为0.2～0.4mm，贴片长度为1～3mm，贴片宽度为0.1～0.5mm。
9.进一步地，第二层的微带电感的线宽为0.1～0.5mm，长度为2～5mm。
10.进一步地，第二层的介质基板层的厚度根据pcb板材规格选择0.5mm或1mm。
11.进一步地，第二层的网格单元的边长为p＝26～32mm，第二层的方环的边长为0.8p～0.9p，方环的环宽度为0.5～1mm。
12.进一步地，第三层的厚度为0.3p～0.5p。
13.进一步地，第四层的厚度为0.06p～0.15p。
14.进一步地，第五层的网格单元的边长为0.5p，圆孔的半径为3～8mm。
15.进一步地，贴片电阻的阻值为100～400ω。
16.进一步地，第一层和第六层的介质层材料选用石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料，第二层的介质基板层选用fr4树脂基底，第三层的介质层选用pmi泡沫，第五层为pi薄膜基底上采用pcb加工工艺刻蚀出金属微结构层。
17.本发明与现有技术相比的有益效果：
18.(1)本发明的低频吸波高频透波的超材料结构，结合了金属结构阵列的透波/反射特性与贴片电阻及铁氧体材料的电磁损耗作用，两种损耗作用的结合有利于拓展低频吸波带宽，实现了结构整体的吸波/透波一体化。
19.(2)本发明的低频吸波高频透波的超材料结构的第二层中在方环中加入了微带电容及电感，一方面通过电容及电感加载的调节有利于低频谐振吸收特性的实现，另一方面也有利于在铁氧体这类强色散媒质加载下实现吸收频带的调节；通过设计具有电容及电感特性的微带线结构来实现等效电容及电感的加载，实现阻抗匹配特性的调节，避免了加载贴片电容及贴片电感带来的加工复杂度提高，使用中焊接可靠性降低等问题。
20.(3)本发明的低频吸波高频透波的超材料结构的第四层中加入了铁氧体材料，由于铁氧体的色散特性，虽然增加了匹配设计的难度，但利用其低频损耗相对较大的特性，可以进一步增强低频吸收特性。
21.(4)本发明的低频吸波高频透波的超材料结构的第二层与第五层采用了不同的周期排列，有利于降低低频谐振对高频透波的影响。
22.(5)本发明的低频吸波高频透波的超材料结构的特殊结构及结构之间的比例关系配合(包括第二层的网格单元的边长为p，第二层的方环的边长为0.8p～0.9p，第三层的厚度为0.3p～0.5p，第四层的厚度为0.06p～0.15p，第五层的网格单元的边长为0.5p)实现了在c波段透波、低频吸波的特性，可应用于天线罩、天线窗等各类透波结构，用于改善结构阻带抑制特性，以满足隐身、电磁兼容等方面应用需求。
附图说明
23.图1为本发明的低频吸波高频透波的超材料结构示意图；
24.图2为本发明的低频吸波高频透波的超材料结构第二层示意图；
25.图3为本发明的低频吸波高频透波的超材料结构第五层示意图；
26.图4为本发明实施例1的低频吸波高频透波的超材料结构在0.1ghz-8ghz的传输和反射特性。
具体实施方式
27.为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
28.本发明提供的一种低频吸波高频透波的超材料结构，由六层结构组成，如图1所示。自上而下第一层为介质层，厚度为h1；第二层为由介质基板层以及位于其上的金属微结构层组成，基板厚度为h2，金属微结构层由正方形网格单元周期排列构成，网格单元的边长为p，每个网格单元由一个金属方环构成，在方环四条边分别加入两个微带电容和两个电感，方环4个角分别焊接一个贴片电阻，如图2所示，方环边长为a1，环宽度为w1，电容两个贴片间隙为cg，贴片长度为cl，贴片宽和电感线宽均为cw，长度为l1，贴片电阻阻值为r；第三层为介质层，厚度为h3；第四层为铁氧体材料层，厚度为h4；第五层为金属微结构层，同样由正方形网格单元周期排列构成，网格单元的边长为0.5p，网格单元为正方形金属贴片的基础上中间刻蚀一个圆孔，圆孔的半径为r1，如图3所示。第六层为介质层，厚度为h6。其中第一层和第六层的介质层作为蒙皮层，既能起到隔离、支撑作用，又能起到调节阻抗匹配的作用。
29.作为一种优选的实施方式，单元网格边长p＝26～32mm。
30.作为一种优选的实施方式，第一层及第六层中介质厚度为h1＝0.1～0.5mm，h6＝0.1～0.5mm。
31.作为一种优选的实施方式，第二层中微带电容的尺寸a1＝0.8p～0.9p，w1＝0.5～1mm，cl＝1～3mm，cw＝0.1～0.5mm，cg＝0.2～0.4mm，l1＝2～5mm，介质层厚度为h2可根据pcb板材规格选择0.5mm、1mm等，电阻值r＝100～400ω。
32.作为一种优选的实施方式，第三层中介质厚度为h3＝0.3p～0.5p。
33.作为一种优选的实施方式，第四层中铁氧体材料厚度为h4＝0.06p～0.15p。
34.作为一种优选的实施方式，第五层中圆孔的半径r1＝3～8mm。
35.本发明的低频吸波高频透波的超材料结构结构，通过结合第二层和第五层的金属化微结构阵列的电磁滤波作用及贴片电阻和第三层的铁氧体材料的电磁吸波损耗作用，同时实现超材料结构的高频透波、低频吸波特性。对于c波段电磁波，利用两层微结构层的电磁滤波特性，通过微结构特殊的尺寸设计，使得该频段电磁波在贴片电阻以及铁氧体中损耗较小，从而实现对电磁波的高透过特性；对于c波段以下频段电磁波，首先利用第五层微结构对低频电磁波的反射作用与第二层包含贴片电阻的金属微结构层的电磁调制作用相结合，实现对低频电磁波的损耗，同时利用第四层的铁氧体材料低频损耗大的特性进一步增强低频损耗，最终实现对超材料结构的高透低吸特性。通过参数调整可以调节透波通带、吸波带特性。
36.以下结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。
37.实施例1
38.本实施例中第一层、第六层介质层采用石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料，介电常数为3.4，损耗角正切值为0.008，第二层为fr4基底上先刻蚀出金属微结构，然后在环的4个角焊接贴片电阻，第三层为pmi泡沫层，介电常数为1.2，损耗角正切值为0.003，第四层为铁氧体材料层，第五层为pi薄膜基底上采用pcb加工工艺刻蚀出金属微结构层。
39.优选的，第二层的网格单元边长为p＝30mm，结构其余参数取为a1＝28mm，w1＝
0.8mm，cl＝2mm，cw＝0.2mm，cg＝0.6mm，l1＝2.5mm，r1＝7mm，贴片电阻阻值为249ω，第一层及第六层介质厚度分别为h1＝0.2mm，h6＝0.2mm，第二层中基底厚度为h2＝0.5mm，第三层pmi泡沫层厚度为h3＝10mm，第四层铁氧体材料厚度为h4＝2mm。
40.图4所示为本结构0.1～8ghz电磁透射及反射系数曲线，其中纵坐标的s参数即散射参数，是微波传输中的一个重要参数；s21为正向传输系数，即增益；s11为输入反射系数，即输入回波损耗。由图4可知，在c波段5.3ghz附近，存在一个传输通带，传输损耗-3db以内带宽为1.5ghz；l波段1.6ghz附近电磁传输及反射均较小，表明大部分电磁波被吸收损耗掉了，反射率-10db以下带宽为1ghz；s波段2～4ghz透射及反射系数也均较低，反射系数在-6db以下。由以上表明本结构具有低频吸波高频透波的特性。
41.实施例2
42.本实施例中基本结构与实施例1中一致，第一层、第六层介质层采用石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料，介电常数为3.4，损耗角正切值为0.008，第二层为fr4基底上先刻蚀出金属微结构，然后在环的4个角焊接贴片电阻，第三层为pmi泡沫层，介电常数为1.2，损耗角正切值为0.003，第四层为铁氧体材料层，第五层为pi薄膜基底上采用pcb加工工艺刻蚀出金属周期结构，只是对结构参数进行了调整。
43.优选的，第二层的网格单元边长为p＝28mm，结构其余参数取为a1＝25mm，w1＝0.9mm，cl＝2.2mm，cw＝0.2mm，cg＝0.6mm，l1＝2.7mm，r1＝6mm，贴片电阻阻值为249ω，第一层及第六层介质厚度分别为h1＝0.3mm，h6＝0.3mm，第二层中基底厚度为h2＝0.5mm，第三层pmi泡沫层厚度为h3＝12mm，第四层铁氧体材料厚度为h4＝2.1mm。
44.同样地，本结构在c波段存在一个传输通带，传输损耗-3db以内带宽为1.4ghz；同时l、s波段保持低的透波系数及反射系数，表明存在吸波带，反射率-10db以下带宽为1.2ghz，可见本结构具备低频吸波高频透波的特性。
45.本发未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
46.虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。