一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构及其制作方法与流程

1.本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构及其制作方法。


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。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.随着现代电子通信、探测设备不断发展，无论是一般民用还是战场，电磁环境日益复杂，对电磁屏蔽材料的需求日益强烈。在民用领域中，电磁屏蔽材料可以屏蔽空间杂波，降低对电子设备的干扰，保证设备正常工作；在战场环境中，电磁屏蔽材料可以屏蔽敌方干扰电磁波或者雷达探测波，有效提升己方装备战场生存能力。频率选择表面是一种空间电磁屏蔽结构，通过周期排布的金属单元结构形成特定频率电磁波下的电磁谐振，使得该频段电磁波能够选择性的透过或屏蔽，但是传统频率选择表面由于传输/屏蔽特性不可调控，对于传输频段及屏蔽频段有重叠或者需极化隔离的工况下则无法应用，需要针对性的研究新型电磁屏蔽技术。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术不足，针对现有技术对于传输频段及屏蔽频段有重叠或者需极化隔离的工况下无法应用的缺陷，提供一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构及其制作方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构，包括：
6.第一介质层，用于支撑微结构层及阻抗匹配；
7.第二金属微结构层，用于调节电磁传输；所述第二金属微结构层加载有第二层金属单元、贴片电容和贴片电阻；其中，所述第二层金属单元采用正方形栅格周期排列，阵列周期为p＝7.5～7.8mm，所述第二层金属单元为四边伸出的方形环，该方形环的边长为a1＝4～5mm、伸出长度为a2＝0.2～1mm、环宽为w1＝0.8～1.8mm，所述贴片电容焊接在每个所述第二层金属单元的一组对边上，所述贴片电容的电容值为c1＝0.2～2pf，所述贴片电阻焊接在每个所述第二层金属单元的另一组对边上，所述贴片电阻的阻值为r1＝200～300ω；所述贴片电容和所述贴片电阻用于调节阻抗匹配；
8.第三介质层，用于支撑微结构层及阻抗匹配；
9.第四金属微结构层，用于调节电磁传输；所述第四金属微结构层加载有第四层金属单元和pin管；其中，所述第四层金属单元采用正方形栅格周期排列，阵列周期为p＝7.5～7.8mm，所述第四层金属单元为正方形环内嵌一个十字形贴片，正方形环中心、十字形贴
片中心以及栅格中心重合，所述十字形贴片的长度为b1＝4～5mm、宽度为w3＝1～1.5mm，所述正方形环的宽度为w2＝0.5～1mm，所述pin管对称加载于所述十字形贴片与所述正方形环之间，一组所述pin管的方向为由所述正方形环向所述十字形贴片，另一组所述pin管的方向为由所述十字形贴片向所述正方形环；所述pin管用于调控结构透波状态的切换；
10.第五介质层，用于支撑微结构层及阻抗匹配；
11.所述第一介质层、所述第二金属微结构层、所述第三介质层、所述第四金属微结构层和所述第五介质层依次由上到下，且所述第二层金属单元与所述第四层金属单元采用对称性加载。
12.可选地，所述第一介质层、所述第三介质层和所述第五介质层是单一材料或复合材料。
13.可选地，所述第一介质层的厚度为h1＝0.05p～0.1p。
14.可选地，所述第三介质层的厚度为h2＝0.2p～0.3p。
15.可选地，所述第五介质层的厚度为h3＝0.3p～0.5p。
16.可选地，所述pin管包括pin1、pin2、pin3和pin4，其中，所述pin1和所述pin3为一组，焊接方向为由所述正方形环向所述十字形贴片，所述pin2和所述pin4为一组，焊接方向为由所述十字形贴片向所述正方形环；
17.其中，
18.当所述pin1、所述pin2、所述pin3和所述pin4均处于断开状态时，在x波段具备电磁透波通带，且在l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能；
19.当所述pin1和所述pin3两端加载正向电压控制其导通时，在x波段对垂直极化波的屏蔽，且保持对水平极化波的透过；
20.当所述pin2和所述pin4两端加载正向电压控制其导通时，在x波段实现对水平极化波的屏蔽，且保持对垂直极化波的透过。
21.可选地，所述pin1、所述pin2、所述pin3和所述pin4的型号为bar6403we6327。
22.可选地，所述第一介质层、所述第三介质层和所述第五介质层采用石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料。
23.为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构的制作方法，包括：
24.为第一介质层、第三介质层和第五介质层选取单一材料或复合材料；所述第一介质层、所述第三介质层和所述第五介质层用于支撑微结构层及阻抗匹配；
25.在用于调节电磁传输的第二金属微结构层加载第二层金属单元、贴片电容和贴片电阻；其中，将所述第二层金属单元采用正方形栅格周期排列，阵列周期为p＝7.5～7.8mm，所述第二层金属单元为四边伸出的方形环，该方形环的边长为a1＝4～5mm、伸出长度为a2＝0.2～1mm、环宽为w1＝0.8～1.8mm，将所述贴片电容焊接在每个所述第二层金属单元的一组对边上，所述贴片电容的电容值为c1＝0.2～2pf，将所述贴片电阻焊接在每个所述第二层金属单元的另一组对边上，所述贴片电阻的阻值为r1＝200～300ω；所述贴片电容和所述贴片电阻用于调节阻抗匹配；
26.在用于调节电磁传输的第四金属微结构层加载第四层金属单元和pin管；其中，将所述第四层金属单元采用正方形栅格周期排列，阵列周期为p＝7.5～7.8mm，将所述第四层
金属单元加载为正方形环内嵌一个十字形贴片，正方形环中心、十字形贴片中心以及栅格中心重合，所述十字形贴片的长度为b1＝4～5mm、宽度为w3＝1～1.5mm，所述正方形环的宽度为w2＝0.5～1mm，将所述pin管对称加载于所述十字形贴片与所述正方形环之间，一组所述pin管的方向为由所述正方形环向所述十字形贴片，另一组所述pin管的方向为由所述十字形贴片向所述正方形环；所述pin管用于调控结构透波状态的切换；
27.将所述第一介质层、所述第二金属微结构层、所述第三介质层、所述第四金属微结构层和所述第五介质层依次由上到下排列，且所述第二层金属单元与所述第四层金属单元采用对称性加载。
28.可选地，将所述第一介质层、所述第三介质层和所述第五介质层选取为石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料。
29.可选地，将所述第一介质层的厚度选取为h1＝0.05p～0.1p。
30.可选地，将所述第三介质层的厚度选取为h2＝0.2p～0.3p。
31.可选地，将所述第五介质层的厚度选取为h3＝0.3p～0.5p。
32.可选地，所述pin管包括pin1、pin2、pin3和pin4，所述pin1、所述pin2、所述pin3和所述pin4的型号为bar6403we6327，其中：
33.将所述pin1和所述pin3对称焊接方向为由所述正方形环向所述十字形贴片，将所述pin2和所述pin4对称焊接方向为由所述十字形贴片向所述正方形环；
34.使得，
35.当所述pin1、所述pin2、所述pin3和所述pin4均处于断开状态时，在x波段具备电磁透波通带，且在l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能；
36.当所述pin1和所述pin3两端加载正向电压控制其导通时，在x波段对垂直极化波的屏蔽，且保持对水平极化波的透过；
37.当所述pin2和所述pin4两端加载正向电压控制其导通时，在x波段实现对水平极化波的屏蔽，且保持对垂直极化波的透过。
38.为了解决上述技术问题，本发明又提供了上述极化屏蔽状态独立控制的超材料结构在电磁屏蔽领域的应用，极化屏蔽状态独立控制的超材料结构适于制作各种电磁屏蔽物件，例如天线窗、屏蔽机箱等。
39.实施本发明的一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构及其制作方法，具有以下有益效果：
40.利用pin管开/关状态电阻差异，通过在第四层金属单元中焊接pin管实现微结构单元的重构，结合第四金属微结构层的电磁传输调控作用与pin管开/关状态电阻差异实现超材料结构的透波、屏蔽状态的快速切换，为解决电磁屏蔽及天线罩带内隐身问题提供了解决途径；
41.相比于常见的可调超材料结构，本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构可以实现对垂直极化波及水平极化波屏蔽状态的独立控制，增加了调控的灵活性，对于一些极化隔离场景具有更好的适用性；
42.本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构，除在x波段可提供一个可以单极化开关的屏蔽带外，在x波段两侧的l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能，可用于电磁兼容及隐身等领域；
43.第二金属微结构层的第二层金属单元与第四金属微结构层的第四层金属单元采用对称性设计，可有效改善周期结构极化稳定性，同时在第二层金属单元之间加入贴片电容和贴片电阻，可以起到调节结构阻抗特性的作用，并使得结构整体的厚度大幅减小；
44.本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构能够应用于电磁兼容、天线罩等电磁屏蔽领域，用于解决电磁干扰及天线罩带内隐身问题。
附图说明
45.图1为本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构示意图；
46.图2为本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构第二层示意图；
47.图3为本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构第四层示意图一；
48.图4为本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构第四层示意图二；
49.图5为本发明实施例中的超材料结构在pin管断开状态下的传输特性曲线；
50.图6为本发明实施例中的超材料结构在pin1及pin3导通状态下的传输特性曲线；
51.图7为本发明实施例中的超材料结构在pin2及pin4导通状态下的传输特性曲线。
52.图中，1：第一介质层；2：第二金属微结构层；3：第三介质层；4：第四金属微结构层；5：第五介质层；6：第二层金属单元；7：贴片电容；8：贴片电阻；9：第四层金属单元；10：正方形环；11：十字形贴片；12：pin管。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动的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。
54.本发明的目的在于提供一种透波/屏蔽状态可切换的超材料结构，该超材料结构在x波段两侧的l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能，在x波段具备一个透波/屏蔽状态可开关切换的通带，且该通带可实现对垂直极化及水平极化屏蔽状态的独立控制，可用于抗干扰、隐身等应用中。
55.为实现上述目的，本发明提出一种多层的复合材料结构，即极化屏蔽状态独立控制的超材料结构，其由五层结构组成，如图1所示，由上到下依次为第一介质层1、第二金属微结构层2、第三介质层3、第四金属微结构层4和第五介质层5。
56.第一介质层为介质层，其厚度为h1＝0.05p～0.1p。
57.第二金属微结构层为加载了第二层金属单元6、贴片电容7和贴片电阻8的金属周期结构，采用正方形栅格周期排列，栅格边长(即阵列周期)为p，贴片电容7的电容值为c1，贴片电阻8的阻值为r1，第二层金属单元6为方形环，其边长为a1，环四边伸出一段，伸出长度为a2，环宽为w1，如图2所示。
58.第三介质层同样为介质层，其厚度为h2＝0.2p～0.3p。
59.第四金属微结构层为加载了第四层金属单元9和pin管12的金属周期结构，采用正方形栅格周期排列，栅格边长(即阵列周期)为p，第四层金属单元9为正方形环10内嵌一个十字形贴片11，正方形环中心、十字贴片中心以及栅格中心重合，十字形贴片11与正方形环
10之间对称加载pin管12，其中pin1和pin3为一组，方向为由正方形环10向十字形贴片11，pin2和pin4为一组，方向为由十字形贴片11向外侧正方形环10，十字形贴片11的长度为b1、宽度为w3，正方形环10的环边宽为w2，如图3和4所示。
60.第五介质层同样为介质层，其厚度为h3＝0.3p～0.5p。
61.需要注意的是，第一、第三及第五层介质层可以是单一材料，也可以是复合材料等，介质层可以是同种材料，也可以选择不同种材料。作为一种优选的实施方式，可以均采用石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料。
62.需要说明的是，第二金属微结构层与第四金属微结构层的单元同中心对齐，即第二层金属单元与第四层金属单元采用对称性加载，相互对应的第二层金属单元与第四层金属单元同中心对齐，且栅格排布周期均为p。
63.作为一种优选的实施方式，第二金属微结构层中第二层金属单元的方形环边长a1为4～5mm，环宽w1为0.8～1.8mm，四边伸出部分长度a2为0.2～1mm，贴片电容的电容值c1为0.2～2pf，贴片电阻的电阻值r1为200～300ω。第四金属微结构层中第四层金属单元的正方形环宽度w2为0.5～1mm，十字形贴片长度b1为4～5mm、宽度w3为1～1.5mm。
64.本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构，由复合材料介质层、加载贴片电容和贴片电阻的第二金属微结构层、加载pin管的第四金属微结构层组成，其中，介质层包括第一介质层、第三介质层和第五介质层，起到支撑微结构层及阻抗匹配的作用，两个金属微结构层(即第二金属微结构层和第四金属微结构层)起到调节电磁传输的作用，加载pin管用于调控结构透波状态的切换，同时通过加载贴片电容及贴片电阻调节结构阻抗匹配，进而调整谐振频率。
65.工作时，通过控制两组pin管的导通与断开完成结构透波、屏蔽状态的切换。当pin管均处于断开状态时，本发明的超材料结构在x波段具备电磁透波通带，同时在其两侧的l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能；而当pin1及pin3两端加载正向电压控制其导通时，该超材料结构在x波段实现对垂直极化波的屏蔽，同时保持对水平极化波的透过；而当pin2及pin4两端加载正向电压控制其导通时，该超材料结构在x波段实现对水平极化波的屏蔽，同时保持对垂直极化波的透过。该超材料结构可用于电磁兼容及雷达天线罩等领域中，通过控制结构透波、屏蔽状态的切换实现对特定频段电磁波的按需屏蔽，解决抗干扰、隐身等问题。
66.为实现上述目的，本发明还提出一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构的制作方法，主要包括以下步骤：
67.为第一介质层、第三介质层和第五介质层选取单一材料或复合材料。第一介质层、第三介质层和所述第五介质层用于支撑微结构层及阻抗匹配。作为一种优选的实施方式，将所述第一介质层、所述第三介质层和所述第五介质层选取为石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料，使第一介质层的厚度为h1＝0.0p5～0p，第三介质层的厚度为h2＝0.2p～0.p，使第五介质层的厚度为h3＝0.3p～0.5p。
68.在第二金属微结构层加载第二层金属单元、贴片电容和贴片电阻。其中，将所述第二层金属单元采用正方形栅格周期排列，阵列周期为p＝7.5～7.8mm，所述第二层金属单元为四边伸出的方形环，该方形环的边长为a1＝4～5mm、伸出长度为a2＝0.2～1mm、环宽为w1＝0.8～1.8mm，将所述贴片电容焊接在每个所述第二层金属单元的一组对边上，所述贴片电容的电容值为c1＝0.2～2pf，将所述贴片电阻焊接在每个所述第二层金属单元的另一组
对边上，所述贴片电阻的阻值为r1＝200～300ω。
69.在第四金属微结构层加载第四层金属单元和pin管。其中，将所述第四层金属单元采用正方形栅格周期排列，阵列周期为p＝7.5～7.8mm，将所述第四层金属单元加载为正方形环内嵌一个十字形贴片，正方形环中心、十字形贴片中心以及栅格中心重合，所述十字形贴片的长度为b1＝4～5mm、宽度为w3＝1～1.5mm，所述正方形环的宽度为w2＝0.5～1mm，将所述pin管对称加载于所述十字形贴片与所述正方形环之间，一组所述pin管的方向为由所述正方形环向所述十字形贴片，另一组所述pin管的方向为由所述十字形贴片向所述正方形环。pin管可以包括pin1、pin2、pin3和pin4，并将所述pin1和所述pin3对称焊接方向为由所述正方形环向所述十字形贴片，以及将所述pin2和所述pin4对称焊接方向为由所述十字形贴片向所述正方形环。作为一种优选的实施方式，可以将pin1、pin2、pin3和pin4的型号选择为bar6403we6327。
70.将所述第一介质层、所述第二金属微结构层、所述第三介质层、所述第四金属微结构层和所述第五介质层依次由上到下排列，且所述第二层金属单元与所述第四层金属单元采用对称性加载。
71.此外，本发明提出的一种极化屏蔽状态独立控制的超材料结构能够应用于电磁兼容、天线罩等电磁屏蔽领域，适于制作各种电磁屏蔽物件，例如天线罩等，用于解决电磁干扰及天线罩带内隐身问题。
72.以下结合具体实例对本发明进行详细说明。
73.实施例一
74.本实施例中第一、第三、第五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3.1，损耗角正切值为0.008。
75.阵列周期为p＝7.5mm，结构其余参数取为a1＝4.3mm，a2＝0.3mm，w1＝1mm，b1＝4.5mm，w2＝0.8mm，w3＝1mm，贴片电容的电容值为c1＝0.5pf，贴片电阻的电阻值为r1＝24ω9，pin管型号为bar6403we6327，介质层厚度分别为h1＝0.5mm、h2＝1.8mm、h3＝3mm。
76.如图5所示为pin管断开时结构的电磁波透波率曲线，当pin管处于断开状态时，结构处于x波段双极化导通状态，垂直极化和水平极化透波率均在60％以上。
77.如图6所示为pin1和pin3处于导通状态时结构的电磁波透波率曲线，此时结构x波段垂直极化由透波状态切换为屏蔽状态，透波率下降到30％以下，水平极化保持透波状态。
78.如图7所示为pin2和pin4处于导通状态时结构的电磁波透波率曲线，此时结构x波段水平极化由透波状态切换为屏蔽状态，透波率下降到15％以下，垂直极化保持透波状态。
79.需要说明的是，无论是在pin管处于导通还是断开状态，结构在x波段两侧的l、s以及k波段处于电磁屏蔽状态。
80.实施例二
81.本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
82.阵列周期为p＝7.8mm，结构其余参数取为a1＝4.5mm，a2＝0.5mm，w1＝1mm，b1＝4mm，w2＝0.8mm，w3＝1.2mm，贴片电容的电容值为c1＝0.3pf，贴片电阻的电阻值为r1＝24ω9，pin管型号为bar6403we6327，介质层厚度分别为h1＝0.5mm、h2＝2mm、h3＝2.8mm。同样的，结构可以实现通过pin管导通状态的切换，独立控制x波段垂直极化和水平极化屏蔽状态的功能，同时在x波段两侧的l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能。
83.综上所述，本发明与现有技术相比的有益效果为：
84.利用pin管开/关状态电阻差异，通过在第四层金属单元中焊接pin管实现微结构单元的重构，结合第四金属微结构层的电磁传输调控作用与pin管开/关状态电阻差异实现超材料结构的透波、屏蔽状态的快速切换，为解决电磁屏蔽及天线罩带内隐身问题提供了解决途径；
85.相比于常见的可调超材料结构，本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构可以实现对垂直极化波及水平极化波屏蔽状态的独立控制，增加了调控的灵活性，对于一些极化隔离场景具有更好的适用性；
86.本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构，除在x波段可提供一个可以单极化开关的屏蔽带外，在x波段两侧的l、s以及k波段具备电磁屏蔽功能，可用于电磁兼容及隐身等领域；
87.第二金属微结构层的第二层金属单元与第四金属微结构层的第四层金属单元采用对称性设计，可有效改善周期结构极化稳定性，同时在第二层金属单元之间加入贴片电容和贴片电阻，可以起到调节结构阻抗特性的作用，并使得结构整体的厚度大幅减小；
88.本发明的极化屏蔽状态独立控制的超材料结构能够应用于电磁兼容、天线罩等电磁屏蔽领域，用于解决电磁干扰及天线罩带内隐身问题。
89.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。