一种覆盖3.7-43.5GHz的超宽带透明电磁吸波器的制作方法

一种覆盖3.7-43.5ghz的超宽带透明电磁吸波器
技术领域
1.本发明属于电磁材料技术领域，具体涉及一种覆盖3.7-43.5ghz的超宽带透明电磁吸波器。


背景技术：

2.电磁吸波器 (electromagnetic absorber，ema) 是一种重要的电磁器件，它在电磁兼容、电磁隐身、信息安全等领域扮演着非常重要的角色。随着科学技术的迅速发展，各类电子元件产生了大量不同频率的电磁辐射，对吸波器的性能、尺寸、角度稳定性等指标提出了更高的要求。ema由于其吸收率高、设计灵活等优点得到了日益广泛的应用。
3.ema的原型最早由美国研究人员 winfield salisbury 在1952年提出的 salisbury screen 中而来，由顶层金属薄膜、具有工作波长四分之一厚度的介质板和底层金属反射板三部分组成，最早被用来降低各种战争设备的雷达散射截面，减少被探测的风险。后来发展出了很多种吸波材料以达到扩展带宽、电磁隐身以及更好地适应复杂电磁环境的目的，可大致分类为以下几种材料：等离子体电磁吸收材料、纳米吸波材料、手性电磁吸波材料、铁氧体吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚合物吸波材料和金属微粉复合吸波材料。但由于它们很难达到现代化隐身材料应用的性能“薄、轻、宽、高”中的大部分，并且制作难度大以及成本高，很难得到广泛应用。
4.透明的电磁吸波器 (transparent electromagnetic absorber) 是近年来提出的一种新型吸波器，与传统的电磁吸波器相比，它的结构均由透明材料构成，具有显著的透光性，打破了传统吸波器件不透光的局限性。透明电磁吸波器的出现扩大了电磁吸波材料的应用场景，例如，对透光性有要求的飞行器驾驶舱使用透明吸波器可以在不影响透光性的情况下很好地实现电磁隐身。随着透明吸波器的出现，各种各样新型结构的透明电磁吸波器相继被提出，而其功能和性能也相继提升，由最初对单频点的入射电磁波进行吸收，到逐渐设计出可以实现双频点、多频点、宽频段的电磁吸波器，并且吸波器最初存在着入射电磁波的极化敏感和入射角敏感的缺点，但随着之后的结构优化设计，使其慢慢克服了这些缺陷。透明电磁吸波器符合现代隐身材料的发展优点“薄、轻、高、宽、透”，从而被现代研究者进行广泛研究。
5.近年来，许多透明电磁吸收体被理论设计和实验制造。对于透明吸收体，拓扑结构和基板均由透明材料制成。在透明吸收设计中，氧化铟锡(indium tin oxide，ito)因其优异的材料性能成为应用最广泛的透明材料。基于ito薄膜的可透光超宽带电磁吸波器，使用ito薄膜来替代传统的电阻膜，使用透明介质基底pet代替传统的介质板，从而实现整体结构的可视性。透明电磁吸波器符合现代隐身材料的发展优点“薄、轻、高、宽、透”，从而被现代研究者进行广泛研究，具有重要的军事和民用价值。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种吸波频带覆盖3.7-43.5ghz的超宽带透明电磁吸波器，包括四
层聚对苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate，pet) 基底，在pet基底上蚀刻的不同方阻值的ito贴片单元，相邻两层pet基底之间设有中间空气层，在实现可透光的同时对特定频段的电磁波有屏蔽作用，解决了现阶段电磁超材料存在的工作频段短、透光性差等问题。
7.实现本发明的技术解决方案为：一种吸波频带覆盖3.7-43.5ghz的宽带透明电磁吸波器，包括自上而下平行分布的四层透明的pet基底，四层透明的pet基底自上而下依次为第一层pet基底、第二层pet基底、第三层pet基底和第四层pet基底，在第一层pet基底、第二层pet基底和第三层pet基底的顶面分别蚀刻有若干周期排布的ito贴片单元，第四层pet基底采用具有全反射特性的全贴片ito-pet基底，相邻两层pet基底之间存在空气层。
8.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明由方环ito贴片单元、第一层pet基板、空气层、方环ito贴片单元、第二层pet基板、空气层、方环ito贴片单元、第三层pet基板、空气层、全贴片ito贴片单元以及第四层pet基板自上而下排列，形成叠层结构，第一层pet基底、第二层pet基底、第三层pet基底和第四层pet基底均采用透明度极高的pet，方环ito贴片单元和全贴片ito贴片单元采用透光良好的氧化铟锡材料。与现有技术相比，在保证吸波带宽和吸波率的同时，实现了电磁吸波器的良好透光性能，扩大了应用范围。
9.（2）本发明采用的方环ito贴片单元是由若干个周期排布的透明电阻膜组成的方环阵列，该电阻薄膜方阻为100ω/sq；底板的全贴片ito贴片单元为方阻为5ω/sq的透明薄膜，由于均具有一定的电阻率，因此可以将它们视为金属导体，用于反射电磁波。当电磁波入射到本发明提出的吸波器上时，它将会在介质层间形成多次反射，最终与自由空间的阻抗匹配，产生了宽带吸波的效果，工作带宽内实现了高吸波率，又由于采用的电阻薄膜具有质量轻和厚度薄的特点，在保证宽带吸波效果和高吸波率的同时，减小了吸波器的厚度和重量，更具有实用性，便于与微波系统集成。
10.（3）本发明由于导电薄膜和底板采用氧化铟锡材料与钠钙玻璃，与现有技术相比，具有机械硬度高、化学稳定性好等优点，能够在长时间内保证性能的稳定，使用寿命更长，且价格便宜、加工制作方便，性价比极高。
附图说明
11.图1是本发明的三维结构示意图。
12.图2是本发明的侧视图。
13.图3是本发明的俯视图，其中（a）图为第一层pet基底ito贴片单元示意图，（b）图为第二层pet基底ito贴片单元示意图，（c）图为第四层pet基底ito贴片单元示意图。
14.图4是本发明在不同极化下的吸波率曲线图。
15.图5是本发明在te极化下，不同入射角度下的吸波率曲线图。
16.图6是本发明在tm极化下，不同入射角度下的吸波率曲线图。
17.图7是本发明在4.6ghz下的表面电流分布图。
18.图8是本发明在14ghz下的表面电流分布图。
19.图9是本发明在37.7ghz下的表面电流分布图。
20.p是在第一层pet基底、第二层pet基底和第三层pet基底上的ito贴片单元的排布
周期。
21.l是第三层pet基底上的正方形ito贴片单元的边长。
22.a是第一层pet基底上的方环形ito贴片单元的方环内边长。
23.b是第一层pet基底上的方环形ito贴片单元的方环外边长。
24.c是第二层pet基底上的方环形ito贴片单元的方环宽度。
25.d是第二层pet基底上的方环形ito贴片单元的方环外边长。
26.r
s1
是第四层pet基底上的ito贴片单元的方阻值。
27.r
s2
是第一层pet基底、第二层pet基底和第三层pet基底上的ito贴片单元的方阻值。
28.t是四层pet基底的厚度。
29.h1是第一层pet基底和第二层pet基底的间距。
30.h2是第二层pet基底和第三层pet基底的间距。
31.h3是第三层pet基底和第四层pet基底的间距。
具体实施方式
32.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的一部分实施例，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。
33.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
37.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
38.本发明所述的一种吸波频带覆盖3.7-43.5ghz的宽带透明电磁吸波器，包括自上而下平行分布的四层透明的pet基底，四层透明的pet基底自上而下依次为第一层pet基底、第二层pet基底、第三层pet基底和第四层pet基底，在第一层pet基底、第二层pet基底和第三层pet基底的顶面分别蚀刻有若干周期排布的ito贴片单元，第四层pet基底采用具有全
反射特性的全贴片ito-pet基底，相邻两个pet基底之间存在空气层。ito贴片单元是由若干个周期排布的透明电阻膜组成的方环阵列，具体设计见下文，该电阻薄膜方阻为100ω/sq；底板的全贴片ito贴片单元为方阻为5ω/sq的透明薄膜。所述四层透明的pet基底的相对介电常数为3，磁导率为0.06。
39.ito是一种透明的面阻型导电薄膜，其主要组成部分是氧化铟锡，在日常工业中它被广泛应用于各种电子产品的显示器中，是一种制作工艺较为完善的常见的面阻型材料。ito的方阻电阻值越小，其导电性能越好，越接近金属，对电磁波的能量形成反射越多，同时ito的厚度与方阻和透光率成反比。因此，本发明利用ito接近金属的导电功能的性质，将其替代传统金属谐振结构的材料来构建新型柔性透明超材料吸波器，其对入射电磁波除了结构的谐振损耗外，还可以额外增加欧姆损耗，实现更强的吸波效果。pet基底选用高透光的钠钙玻璃，其具有良好的力学性能，耐弯性好，是一种柔性透明、化学性能稳定的电气绝缘材料，其介电常数ε=3、磁导率
µ
=0.06、电导率σ=0 s/m，作为吸波器的中间介质层可以很好的对入射电磁波进行电磁损耗，可做为 ito的溅射基板。
40.如图1、图2所示，本发明公开了一种吸波频带覆盖3.7-43.5ghz的宽带透明电磁吸波器，包括ito贴片单元、第一层pet基底、第二层pet基底、第三层pet基底第四层pet基底以及三个空气层。其中ito贴片单元采用磁溅射技术分别印制在第一层pet基底、第二层pet基底和第三层pet基底的上表面,若干个方环单元呈周期排布，第四层pet基底上被具有导电性的全贴片ito贴片单元完全覆盖。如图2和图3所示，pet基底宽为p=5.5mm，pet基底长为l=5.4mm，第一层ito贴片单元内边长为a=3.2mm，第一层ito贴片单元外边长为b=4.5mm，第二层ito贴片单元内边长为c=1.4mm，第二层ito贴片单元外边长为d=5.2mm，第四层全贴片ito贴片单元阻值为r
s1
=5ω/sq，其余ito贴片单元阻值为r
s2
=100ω/sq，pet基底厚度为t=0.175mm，第一层pet基底和第二层pet基底的间距（即空气层高度）为h1=2.5mm，第二层pet基底和第三层pet基底的间距（即空气层高度）为h2=2.5mm，第三层pet基底和第四层pet基底的间距（即空气层高度）为h3=3mm。
41.四层pet基底均采用相对介电常数为3，损耗角正切为0.06，厚度为0.175mm的pet。层间的空气层用于实现电磁波的层间耦合，使吸波器内的阻抗与自由空间的阻抗匹配，实现更好的吸波效果。
42.结合图4是利用图1的周期结构通过商业电磁仿真软件cst studio suite仿真得到的在3.7-43.5ghz不同极化下的透明吸波器的吸波率曲线，横坐标表示频率，纵坐标表示对电磁波能量的吸收率，可以看出在3.7-43.5ghz内的吸波率大于90%。结合图5是本发明在te极化下，不同入射角度下的吸波率曲线，横坐标是频率，纵坐标是对电磁能量的吸收率。结合图6是本发明在tm极化下，不同入射角度下的吸波率曲线。
43.为了更好地理解本发明所提出的宽带吸波器的吸收机制，结合图7~图9，分别显示了在吸收率最大的4.6ghz、14ghz以及37.7ghz三个频率点处自上而下各层结构的表面电流分布。参照图7看出在4.6ghz时，ema各层电流分布强，底层电流自下而上分布，其他三层自上而下分布。因此，底层与其他层之间形成磁共振，其他层之间的电流方向相同，电流分布形成闭合回路，形成电谐振。同样，在参照图8中，下两层结构的电流分布从下到上，而其他两层的电流分布相反，在参照图9中，底层和顶层结构的电流分布从下到上，而其他两层的电流分布相反。此时，ema内部会产生一个电共振和两个磁共振。因此，当ito贴片单元表面
的电流分布较大时，相应ito贴片单元的欧姆损耗也会增加，从而将更多的电磁能转化为热量。此外，三谐振的存在可以大大扩展ema的带宽，实现宽带化。
44.仿真结果表明，本发明的绝对工作带宽大于39.85ghz，相对带宽达到169.03%，吸波带宽内吸波率大于90%，吸波器厚度仅为0.68λ0（其中λ0为吸波中心频点对应的波长）。除此之外，本发明所提出的吸波器还具有极化不敏感以及角度稳定的特性，与现有技术相比，在保证吸波率和吸波带宽同时,体现出更高的透光性和更小的重量。以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本技术的保护范围之内。