基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法技术

本发明专利技术属于超材料吸波技术领域，具体为一种基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法。本发明专利技术超材料吸波体是由吸波体单元沿x和y方向周期性延拓形成的阵列，周期大小为p；吸波体单元由底部金属地板和三层吸波层‑介质板堆叠构成；吸波层为印制在PET薄膜上的ITO电阻膜；吸波体单元的顶层为环形蜿蜒线ITO结构，中层为方形贴片结构，底层为对称四梯形组合型贴片结构；相邻两层PET薄膜间由介质板隔开；单元底部为金属地板；单元结构呈中心对称；本发明专利技术通过优化设计确定吸波体单元结构参数，使超材料吸波体在TE和TM极化波激发下均表现出优越的宽频吸波性能，而在TM极化下具有角度不敏感特性；厚度较小、结构简单、加工方便。

【技术实现步骤摘要】
基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法
本专利技术属于超材料吸波
，具体设计基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法。
技术介绍
现代战争环境变得越来越错综复杂，战场上对武器装备隐身性能和电磁兼容要求也日益提高，传统雷达吸波材料已经难以满足“薄、轻、宽、强”的要求。随着科技发展，在万物互联的应用场景下，多天线干扰、电磁辐射和污染等问题也愈加严重。超材料吸波技术不仅可以为隐身技术、电磁兼容提供解决方案，还能抑制电磁辐射污染，此外在能量收集、传感和探测、通信等诸多领域也有广阔的应用前景，因而在军用和民用领域都受到广泛关注，其研究在国内外都有着重要的战略意义。起初超材料吸波体采用金属谐振工作机制，虽然能够实现“完美吸波”，但由于工作频带窄不易于推广应用。尽管有大量研究尝试通过多单元组合或者利用多层金属谐振结构叠加的方式来拓展频宽，但金属谐振带宽有限，不能达到预期的效果，且单元的尺寸或厚度往往较大，不易于加工。而氧化铟锡(IndiumTinOxide，ITO)电阻膜兼具电阻特性和厚度薄的优势，其在微波频段频散特性弱，可以有效实现宽频吸波。目前超材料吸波主要有以下方法可以拓展带宽，包括平面多尺寸单元排布、垂直空间多层单元堆叠、加载集总元件(例如电阻，电容和二极管)，加载电阻膜和基于人工表面等离激元等。在多层超材料吸波体的设计中，吸波带宽，吸收率和总厚度是三个关键指标。迄今为止，在获得宽频带的同时还能在高吸收率下保持较薄厚度仍然是一个挑战。本专利技术采用了多层结构和加载电阻膜吸波相结合的思路，使吸波特性互补的多个模式级联，从而在较薄厚度下实现宽频吸收的效果。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出一种基于多模电阻的多层宽频吸波体及其设计方法，以解决多层结构实现宽频吸波体时厚度太厚的问题。本专利技术提出的基于多模电阻的多层宽频吸波体，是由吸波体单元沿x和y方向均周期性延拓形成的阵列，周期大小为p；所述吸波体单元由底部金属地板和三对吸波层-介质板堆叠构成，其结构参见图1所示；所述吸波层为印制在连续PET薄膜上的具有一定结构的氧化铟锡(ITO)电阻膜；所述单元的三层ITO结构由上而下分别为：顶层为环形蜿蜒线ITO结构(1)，中层为方形贴片结构(2)，底层为对称四梯形组合贴片结构(3)；相邻两层PET薄膜(4)间用介质板(5)隔开；单元底部为金属地板(6)；所述单元结构呈中心对称。本专利技术中，顶层的环形蜿蜒线，具体形状如下：外形整体围成大正方形状，大正方形状的四角均围成为一小正方形体，大正方形状的每边均有2个向内的方形凸起，中间形成一个向外的方形凸起；记w为环形蜿蜒线宽度，c1为大正方形体的长度，c2为四角的小正方形体外侧长度，c3为环线中各个向内方形凸起的高度，c4为环线中各个向内方形凸起的宽度，环形蜿蜒线总长度为L＝4(c1+4c3)，方阻值记为R1；参见图2所示。本专利技术中，中间层的方形贴片位于中心部位，记b为其一边长度，方阻值记为R2；参见图3所示。本专利技术中，底层的对称四梯形组合贴片，具体形状为由四个同样形状和大小的底角为45度等腰梯形围成的正方形体(即具有四重旋转对称性)，想邻两等腰梯形之间有缝隙；记a1为等腰梯形的上底长度，a2为等腰梯形的下底长度，g为缝隙宽度，方阻值记为R3。参见图4所示。本专利技术中，所述组合型贴片与方形贴片在结构上互补，即2种ITO结构投影到平面上基本为完整大方形结构。本专利技术中，记自上而下三个介质板的厚度依次为h1、h2、h3，t为PET薄膜厚度；参见图1所示。这些参数均与本专利技术多层宽频吸波体的性能密切相关，需要本专利技术进行优化设计的。本专利技术中，所述的吸波体单元中，介质板采用环氧树脂(FR-4)，介电常数为εr＝4.3，电正切损耗为tanδ＝0.025；吸波层通过采用磁控溅射技术，在PET薄膜基材上溅射ITO导电薄膜镀层并经过高温退火处理得到；PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)，介电常数为εr＝3，正切损耗为tanδ＝0.018，厚度为t＝0.175mm；ITO结构为具有一定方阻值的半导体图案；金属地板材料为铜，其电导率为σ＝5.8×107S/m，厚度为0.036mm。本专利技术中，经过优化的超材料单元结构的参数如下：p＝12mm，h1＝h2＝h3＝1mm，a1＝4mm，a2＝10mm，g＝0.5mm，b＝4mm，c1＝10.5mm，c2＝3mm，c3＝2mm，c4＝2mm，w＝0.6mm；三层ITO结构的方阻值分别为R1＝200Ω/sq，R2＝100Ω/sq，R3＝40Ω/sq。本专利技术提供的多层宽频超材料吸波体设计方法，具体步骤如下：第一步：根据吸波体性能需求和工作频率来初步确定吸波体厚度h和单元周期p吸波体性能可以用以下参数来衡量，中心工作频率f0，相对带宽BW，吸收率A。用fH和fL分别表示工作频带内的最高和最低工作频率。相对带宽的计算公式为吸收率A＝1-T(ω)-R(ω)，其中T和R分别代表传输率和反射率。一般来说，在特定的频段吸波特性取决于厚度h和介质的介电常数εr，根据经验公式(2)可初步确定吸波体的初始厚度；从公式(2)中可见厚度随频率的降低而增大。根据有效媒质理论可知超材料整体可用等效电磁参数来表征，为了实现强吸收需要满足ε＝μ，从而确定满足最强吸收的频率，也就意味着在给定厚度下特定频率只有一个最佳周期，而最佳周期和频率、厚度又有一定的关系，当电磁波入射到超材料内部时，假设电磁场作用在金属地板上会产生感应电流KE，电场在吸波体表面激发的等效磁流为KM，则二者分别表示为：KE＝H0×n(3)其中，n是法向单位矢量，与金属地板相垂直。当KE＝KM时，对于垂直入射条件下有H0＝E0，从而可以得到：p≈4h(5)对于所有基于介质损耗的无源吸波体，其厚度极限可简化为(6)式。其中，hmin为吸波体最小理论厚度，R(λ)为反射系数，可见吸收率会直接影响吸波体的最低设计带宽。以工作频率范围在6-22GHz为例，其中心频率f0＝14GHz，可求出h≈5mm，根据厚度极限公式，取|S11|＝-10dB，R(λ)为0.1，最小厚度为hmin＝2.2mm，综合考虑取h＝3mm，p＝12mm。第二步：根据单元的周期、厚度和带宽确定单元结构、层数和工作于不同频段的多个工作模式(不同层内的ITO结构)确定单元的厚度和周期后，根据带宽需求，采用多层结构叠加的方式将多个吸波模式级联来拓展吸波带宽。所述吸波模式是由结构类型和方阻值来共同决定，根据电阻膜型吸波体的吸波特性可将ITO结构大致分为三类，即单模、双模和多模工作型。所述单模工作型，是指工作频段范围内仅有一个工作模式，即工作于单频段；所述双模工作型，是指有两个工作模式，可以在两个离散的频段内实现双峰吸波；所述多模工作型，是指有三个或超过三个工作模式，可实现多个吸收峰级联。方阻值的大小在工作模式上起重要作用，当方阻值较小时为双模工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，是由吸波体单元沿x和y方向周期性延拓形成的阵列，周期为p；所述吸波体单元由底部金属地板和三层吸波层-介质板堆叠构成；所述吸波层为印制在连续PET薄膜上的具有一定结构的ITO电阻膜；所述吸波体单元的三层为：顶层环形蜿蜒线ITO结构，中层方形贴片结构，底层对称四梯形组合型贴片结构；相邻两层PET薄膜间由介质板隔开；单元底部为金属地板；单元结构呈中心对称；其中：/n顶层的环形蜿蜒线的具体形状如下：外形整体围成大正方形状，大正方形状的四角均围成为一小正方形体，大正方形状的每边均有2个向内的方形凸起，中间形成一个向外的方形凸起；记w为环形蜿蜒线宽度，c

【技术特征摘要】
1.基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，是由吸波体单元沿x和y方向周期性延拓形成的阵列，周期为p；所述吸波体单元由底部金属地板和三层吸波层-介质板堆叠构成；所述吸波层为印制在连续PET薄膜上的具有一定结构的ITO电阻膜；所述吸波体单元的三层为：顶层环形蜿蜒线ITO结构，中层方形贴片结构，底层对称四梯形组合型贴片结构；相邻两层PET薄膜间由介质板隔开；单元底部为金属地板；单元结构呈中心对称；其中：
顶层的环形蜿蜒线的具体形状如下：外形整体围成大正方形状，大正方形状的四角均围成为一小正方形体，大正方形状的每边均有2个向内的方形凸起，中间形成一个向外的方形凸起；记w为环形蜿蜒线宽度，c1为大正方形体的长度，c2为四角的小正方形体外侧长度，c3为环线中各个向内方形凸起的高度，c4为环线中各个向内方形凸起的宽度，环形蜿蜒线总长度为L＝4(c1+4c3)，方阻值记为R1；
中间层的方形贴片位于中心部位，记b为其一边长度，方阻值记为R2；
底层的对称四梯形组合型贴片，具体形状为由四个同样形状和大小的底角为45度等腰梯形围成的正方形体，相邻两等腰梯形之间有缝隙；记a1为等腰梯形的上底长度，a2为等腰梯形的下底长度，g为缝隙宽度，方阻值记为R3；
所述组合型贴片与方形贴片在结构上互补，即2种ITO结构投影到平面上基本为完整大方形结构；
记自上而下三个介质板的厚度依次为h1、h2、h3，t为PET薄膜厚度。


2.根据权利要求1所述的基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，介质板为环氧树脂(FR-4)，介电常数为εr＝4.3，电正切损耗为tanδ＝0.025；吸波层通过采用磁控溅射技术，在PET薄膜基材上溅射ITO导电薄膜镀层并经过高温退火处理得到，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，介电常数为εr＝3，正切损耗为tanδ＝0.018，厚度为t＝0.175mm；金属地板材料为铜，其电导率为σ＝5.8×107S/m，厚度为0.036mm。


3.根据权利要求1所述的基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，经过优化的结构的参数如下：p＝12mm，h1＝h2＝h3＝1mm，a1＝4mm，a2＝10mm，g＝0.5mm，b＝4mm，c1＝10.5mm，c2＝3mm，c3＝2mm，c4＝2mm，w＝0.6mm；三层ITO结构的方阻值分别为R1＝200Ω/sq，R2＝100Ω/sq，R3＝40Ω/sq。


4.一种如权利要求1所述的多层宽频超材料吸波体的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：根据吸波体性能需求和工作频率来初步确定吸波体厚度h和单元周期p；
吸波体性能用以下参数来表征，中心工作频率f0，相对带宽BW和吸收率A；用fH和fL分别表示工作频带内的最高和最低工作频率；相对带宽的计算公式为：



吸收率A＝1-T(ω)-R(ω)，其中T和R分别代表传输率和反射率；吸波体厚度h和工作频率f0以及介电常数紧密相关，设介质的介电常数为εr，由经验公式(2)和(3)初步确定吸波体厚度h和单元周期p：



p≈4h(3)
对于所有基于介质损耗的无源吸波体，其厚度极限可简化为(4)式：



其中，hmin为吸波体最小理论厚度，R(λ)为反射系数：
当工作频率范围在6-22GHz时，其中心频率f0＝14GHz，求出h≈5mm，根据厚度极限公式，取|S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：许河秀，王彦朝，王朝辉，逄智超，徐健，徐硕，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61