一种基于超材料和复合材料的2GHz-18GHz波段高效吸波器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超材料和复合材料的2GHz

【技术实现步骤摘要】
一种基于超材料和复合材料的2GHz
‑
18GHz波段高效吸波器


[0001]本专利技术涉及电磁吸波器
，特别是涉及超材料和复合材料的结合设计。
现有技术
[0002]业内常用的微波吸收材料是碳纤维骨架和碳基体(碳粒、碳化硅粉等)组成的复合材料。此种类型的复合材料由于其纤维材料与基底材料均匀混合相对难以控制，难以在宽频段实现微波吸收。同时，由碳纤维骨架和碳基体组成的复合材料因为其纤维的排列随机性和不连续性，使得其无法预先进行材料性能设计以实现最佳的微波吸收特性。其次，由于纤维材料不能够对材料的机械强度进行不同方向上的增强，使得其材料的结构强度仍有欠缺，实用性有所降低。由碳纤维骨架和碳基体组成的复合材料的生产工艺复杂，均匀度不佳，从而导致质量控制困难。
[0003]超材料吸波器作为21世纪迅速发展起来的新型吸波器，可实现对入射电磁波接近完美的吸收。在正常情况下，当电磁波入射到介质表面时会产生反射和透射，而超材料吸波器可以极大程度上损耗并吸收掉电磁波，从而实现零透射和近乎为零的反射。超材料吸波器的结构通常由三部分组成，类似于三明治夹层结构，顶部为具有一定形状结构呈周期排列的单元阵列，中间为较高介电损耗的介质基板，底部为完整的地表面。
[0004]较之传统的复合吸波材料，超材料吸波器具有厚度薄、体积小、结构简单、吸收率高、吸收频带宽等优点。为了提升吸波器在微波波段的吸收带宽和吸收率，业界普遍在谐振结构设计，介质材料选择上追求创新突破。
[0005]从宽带超材料吸波器的发展趋势可以看出，随着石墨烯、面电阻薄膜等各种新型材料的应用，宽带超材料吸波器的吸波性能得到了提升。但是，目前现有的透明超材料吸波器还普遍存在着吸波频带较窄、吸收率低的缺点。
[0006]综上所述，现有技术存在的问题是：
[0007](1)微波吸收复合材料制造的精度要求高，但目前对吸波材料的质量控制较为困难，生产工艺较为复杂。
[0008](2)现有复合材料在制作成成品后结构强度还有所欠缺，使得其实用性有所降低。
[0009](3)现有超材料吸波器也存在一定的制造问题，对制造的精度要求较高，且吸波频段一般较窄、吸收率低。
[0010]专利技术的目的
[0011]近年来，电磁污染、电磁干扰和信息泄漏已经成为了设计现代科学电子仪器、天线系统和军用电子设备时需要考虑的主要因素。因此，高效电磁屏蔽材料和有效吸波材料的研究受到了广泛的关注。其中，陶瓷材料凭借其良好的电磁波吸收性能而被广泛用作电磁吸波材料，如SiC、Al2O3和MgO等。而另一类用途广泛的电磁吸波材料则是超材料吸波器。
[0012]本专利的目的是将复合吸波材料与超材料结合，得到一种高效吸波器，一定程度上解决上述现有技术所遇到的一系列问题。吸波材料由多层纤维增强层压板和介质板堆叠而成，所述纤维增强层压板由以特定形式排布的连续纤维嵌入基体材料中组成。纤维一方
面用于增强基体的强度，另一方面用于和基底一起达到特定吸波效果。利用这种层压复合材料的结构模式，可以很容易地达到机械和化学要求，然后在不改变结构模式的情况下，通过确定一组设计参数，可以实现良好的微波吸收，再通过在层中加入超材料来改善复合材料在某一频段的吸波效果，以达到宽频、高效的微波吸收性能。
[0013]被专利技术的技术方案是：一种基于超材料和复合材料的2GHz
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18GHz波段高效吸波器，其特征在于：
[0014]该吸波器由N层结构组成，底层为第一层，顶层为第N层。
[0015]纤维增强层压板由纤维嵌在基底中构成，基底部分的横截面为正方形，边长为w，所用材料的介电常数ε∈(2.6,4.4)。纤维部分使用SiC，玻璃等材料，横截面为井字形，四条纤维的宽度均为x
i
，井字形结构的中心与基底中心重合，且为中心对称结构。多个纤维增强层压板堆叠得到复合材料层。
[0016]介质层所用材料和纤维增强层压板的基底材料一致。
[0017]PET层所用材料为PET。
[0018]超材料层则使用ITO导电膜，刻蚀图案为圆环。
[0019]该吸波器由上述纤维增强层压板、介质层、PET层和超材料层堆叠而成，对层数N、每一层的厚度h
i
、纤维的宽度x
i
，圆环的内外半径R1,R2以及ITO导电玻璃刻蚀圆环的阻抗值Ω进行适当的优化，即可得到满足吸波要求的吸波器。
[0020]本专利技术所提出的一种结合超材料和复合材料的高效吸波器通过良好的设计，可以在2GHz
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18GHz的频段内实现
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20dB以上的电磁波衰减。复合材料部分通过将电磁能转换为热能来达到吸波效果，超材料部分通过共振来消耗电磁能，从而达到吸波效果。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例的整体结构设计图。
[0022]图2是本专利技术实施例的复合材料层结构示意图。
[0023]图3是本专利技术实施例的介质层结构示意图。
[0024]图4是本专利技术实施例的PET层结构示意图。
[0025]图5是本专利技术实施例的超材料层结构示意图。
[0026]图6是本专利技术实施例中第一层到第五层结构中所使用的纤维在纤维轴向垂直于电场方向时的介电常数实部数据图。
[0027]图7是本专利技术实施例中第一层到第五层结构中所使用的纤维在纤维轴向垂直于电场方向时的介电损耗角正切数据图。
[0028]图8是本专利技术实施例中第一层到第五层结构中所使用的纤维在纤维轴向平行于电场方向时的介电常数实部数据图。
[0029]图9是本专利技术实施例中第一层到第五层结构中所使用的纤维在纤维轴向平行于电场方向时的介电损耗角正切数据图。
[0030]图10是本专利技术实施例中结合超材料和复合材料的高效吸波材料在2GHz
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18GHz频段上其S
11
数据图。
[0031]实施实例
[0032]以下为通过在实验室中进行实测得出真实的测试数据，例证一种结合复合材料和
超材料的高效吸波器在2GHz
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18GHz的微波吸收性能。
[0033]设计得到了一种高效吸波器，第一层厚度为2.5mm，纤维宽度为4.862mm；第二层厚度为1.773mm，纤维宽度为3.479mm；第三层厚度为2.488mm，纤维宽度为4.885mm；第四层厚度为1.141mm，纤维宽度为1.787mm；第五层厚度为1.537mm，纤维宽度为0.5mm。
[0034]第六层的厚度为1.486mm；第七层的厚度为0.05mm；第八层的厚度为2.013mm；第十层的厚度为2.5mm。
[0035]第九层的厚度为0.05mm，蚀刻圆环的外圆半径为4.885mm，内圆半径为4.379mm，圆环阻抗为143.9Ω。
[0036]针对上述结合复合材料和超材料的高效吸波器，测试电磁波为平面波垂直入射，电场极化方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料和复合材料的2GHz
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18GHz波段高效吸波器，其特征在于：该吸波器从底层到顶层依次由纤维增强层压板、介质层、PET层和超材料层堆叠而成，所述各层结构中，底层为第一层，顶层为第N层；所述纤维增强层压板由纤维嵌在基底中构成，基底部分的横截面为正方形，边长为w，所用材料的介电常数ε∈(2.6,4.4)；纤维部分的横截面为井字形，四条纤维的宽度均为x
i
，井字形结构的中心与基底中心重合，且为中心对称结构；多个纤维增强层压板堆叠得...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长侑，阳昶佑，孙凯，张舒，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：