一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构的制作方法

1.本发明属于电磁吸波材料技术领域，具体涉及一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构。


背景技术：

2.随着电子技术的迅速发展，电子设备已经运用到了我们生活中的各个角落，这使得无论在军用上还是在民用上，电磁环境都变得复杂。电磁吸波材料由于适用性强、对环境影响小，已被广泛应用于在雷达隐身、电磁屏蔽等电磁防护方面。
3.电磁吸波材料是指能够对电磁波进行有效阻挡的一类材料，根据其结构大致可分为三种：salisbury屏、jaumann吸波结构和磁性吸波结构。在salisbury屏中，将表面电阻片放置在1/4波长处的介质层上，这类吸波结构在中心频率处达到了理想的吸收，但吸收频带非常窄；jaumann吸波体采用多层结构，获得了较宽范围的吸收特性，但由于间隔层数多且间距大导致整体厚度的增加；磁性吸波结构在介质中掺入羰基铁和铁氧体，其在厚度方面具有明显的优势，且特别适合于低频应用，然而这种吸收结构尽管厚度减小，却使整体重量增加了。因此，宽带，低反射，重量轻的吸收器的设计和开发是艰巨且矛盾的任务。在材料研究基础上，从材料设计和结构设计两方面进行新型吸波结构的研究，是提高吸波性能、增加带宽和满足多种需求的有效手段。
4.频率选择表面(fss)是近年备受关注的一种适于多方面应用的材料结构，其通常由周期性排列的单元构成，将fss嵌入介质层中，可有效增强吸收效果、降低整体厚度、拓宽吸收带宽。但是当吸波结构通过fss电阻层和介质层的多层堆叠时，外介质层与自由空间的介电常数存在差异，导致阻抗匹配不理想。从应用的角度考虑，吸波结构中的fss电阻层直接暴露于外界环境中，没有外介质层保护的fss层很容易发生氧化或腐蚀而失效。因此，吸波结构的设计仍需改进，针对含fss图案层的新型吸波结构的设计还需进一步创新和发展。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构，其吸波频带宽，结构简单，可对入射电磁波在吸波结构的表面形成匹配，解决了夹层吸波结构厚度大的弊端。
6.本发明的目的采用如下技术方案实现：一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构，包括由外至里依次层叠的外介质层、fss电阻层、内介质层和金属底板，所述fss电阻层包括多个周期排列的电阻片单元，所述电阻片单元呈正方形的框体结构。
7.进一步地，所述fss电阻层由掺杂导电材料的导电油墨印刷在内介质层表面上所制成。
8.进一步地，所述导电材料为碳纳米管、石墨烯、碳纳米颗粒、碳纤维、银纳米线、氧化锌锡、氧化铟锡中的至少一种。
9.进一步地，所述fss电阻层的面电阻值r=0～40ω/
□
。
10.进一步地，所述外介质层的介电常数为ε1，所述内介质层的介电常数为ε2，且ε1和ε2的实部为1～5；所述外介质层的厚度为0～10mm，所述内介质层的厚度为0～8mm，所述金属底板的厚度为0.1～0.3mm。
11.进一步地，所述外介质层和内介质层的材料为聚甲基丙烯酰亚胺（pmi）、聚氨酯泡沫（pu）、聚四氟乙烯（ptfe）、聚苯乙烯（ps）、聚碳酸酯（pc）、聚氯乙烯（pvc）、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯树脂（abs）中的至少一种。
12.进一步地，所述金属底板为铜、铝、铁中的任一种或其合金。
13.进一步地，所述外介质层、fss电阻层、内介质层和金属底板之间的界面均由压敏干胶均匀粘结。
14.进一步地，所述电阻片单元在二维平面内呈m
×
n周期排列，其中15≤m≤500，15≤n≤500。
15.进一步地，所述电阻片单元的边长为5-8mm，间距为0.1-2mm，宽度为0.1-2mm。
16.相比现有技术，本发明的有益效果在于：（1）本发明的一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构，所述fss电阻层包括多个周期排列的电阻片单元，所述电阻片单元呈正方形的框体结构，对入射电磁波在吸波结构的表面形成匹配，所以仅通过很薄一层的内部介质层就能够实现对电磁波的强吸收，能够很好地解决了夹层吸波结构厚度大的弊端。同时fss电阻层对低频电磁波的吸收效果好，使所述的吸波结构在三倍频程的带宽内均可达到99%的吸收。
17.（2）本发明的吸波结构在最外层采用了一定厚度的介质层，既有效发挥了fss电阻层拓宽吸波频带的优势，又保护了fss图案免受高温有氧环境的侵蚀。
18.（3）本发明的吸波结构质量轻、厚度薄、结构简单、可靠性高、可灵活应用于电子产品电磁干扰抑制以及武器装备平台隐身，具备较高的军用、民用价值，能够满足装备隐身和电子设备抗电磁干扰的应用需求。
附图说明
19.图1是本发明的一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构的结构示意图。
20.图2是本发明的一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构的fss电阻层的结构示意图。
21.图3是本发明的一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构的实施例1对应的吸波率曲线图。
22.其中，1、外介质层；2、fss电阻层；3、内介质层；4、金属底板。
具体实施方式
23.下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
24.实施例1一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构，如图1-2所示，按照来自外界的电磁波的入射方向，包括由外至里依次层叠的外介质层1、fss电阻层2、内介质层3和金属底
板4，所述fss电阻层2包括多个周期排列的电阻片单元，所述电阻片单元呈正方形的框体结构。当电磁波垂直入射到该表面时，反射波与入射波电场由于相位相同从而获得同相反射特性，宽频带范围的入射电磁波在吸波结构的表面形成匹配。
25.所述外介质层1为丙烯晴-丁二烯-苯乙烯树脂（abs），其介电常数为1.8
×
(1-j0.003)，磁导率为1，厚度h1=5.9mm。
26.所述fss电阻层2采用了掺杂银纳米线的导电油墨经过丝网印刷的工艺直接印刷在内介质层3表面上形成；所述fss电阻层2包括在二维平面内呈m
×
n周期排列的电阻片单元，其中单元个数m=n=30，电阻片单元呈正方形的框体结构，电阻片单元的边长l=6.4mm，周期单元的大小d=7mm，电阻片单元间距g=0.6mm，电阻片单元宽度w=0.5mm，电阻层的厚度h2可根据所需面电阻值确定，本实施例中面电阻值为20ω/
□
，得到的电阻层的厚度h2=12μm。
27.所述内介质层3采用聚四氟乙烯树脂（ptfe），其介电常数为2.5
×
(1-j0.007)，磁导率为1，厚度h3=5mm；所述金属底板4为铝合金板，厚度h4=0.2mm。
28.各层之间的界面由设有压敏干胶均匀粘结，形成中间粘接层，本实施例的压敏干胶为丙烯酸酯压敏干胶，中间粘接层的压敏干胶的介电常数为3.0
×
(1-j0.003)。
29.实施例2一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构，如图1-2所示，按照来自外界的电磁波的入射方向，包括由外至里依次层叠的外介质层1、fss电阻层2、内介质层3和金属底板4，所述fss电阻层2包括多个周期排列的电阻片单元，所述电阻片单元呈正方形的框体结构。当电磁波垂直入射到该表面时，反射波与入射波电场由于相位相同从而获得同相反射特性，宽频带范围的入射电磁波在吸波结构的表面形成匹配。
30.所述外介质层1为聚甲基丙烯酰亚胺，其介电常数为2.1
×
(1-j0.003)，磁导率为1，厚度h1=6.5mm。
31.所述fss电阻层2采用了掺杂碳纳米管的导电油墨经过丝网印刷的工艺直接印刷在内介质层3表面上形成；所述fss电阻层2包括在二维平面内呈m
×
n周期排列的电阻片单元，其中单元个数m=n=40，电阻片单元呈正方形的框体结构，电阻片单元的边长l=7mm，周期单元的大小d=7.8mm，电阻片单元间距g=0.8mm，电阻片单元宽度w=0.6mm，电阻层的厚度h2可根据所需面电阻值确定，本实施例中面电阻值为40ω/
□
，得到的电阻层的厚度h2=5μm。
32.所述内介质层3采用聚苯乙烯树脂，其介电常数为2.8
×
(1-j0.007)，磁导率为1，厚度h3=6mm；所述金属底板4为铁合金板，厚度h4=0.2mm。
33.各层之间的界面由设有压敏干胶均匀粘结，形成中间粘接层，本实施例的压敏干胶为丙烯酸酯压敏干胶，中间粘接层的压敏干胶的介电常数为3.0
×
(1-j0.003)。
34.实施例3一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构，如图1-2所示，按照来自外界的电磁波的入射方向，包括由外至里依次层叠的外介质层1、fss电阻层2、内介质层3和金属底板4，所述fss电阻层2包括多个周期排列的电阻片单元，所述电阻片单元呈正方形的框体结构。当电磁波垂直入射到该表面时，反射波与入射波电场由于相位相同从而获得同相反射特性，宽频带范围的入射电磁波在吸波结构的表面形成匹配。
35.所述外介质层1为聚碳酸酯，其介电常数为1.6
×
(1-j0.003)，磁导率为1，厚度h1=5.5mm。
36.所述fss电阻层2采用了掺杂氧化铟锡的导电油墨经过丝网印刷的工艺直接印刷在内介质层3表面上形成；所述fss电阻层2包括在二维平面内呈m
×
n周期排列的电阻片单元，其中单元个数m=n=15，电阻片单元呈正方形的框体结构，电阻片单元的边长l=6mm，周期单元的大小d=6.5mm，电阻片单元间距g=0.5mm，电阻片单元宽度w=0.4mm，电阻层的厚度h2可根据所需面电阻值确定，本实施例中面电阻值为10ω/
□
，得到的电阻层的厚度h2=20μm。
37.所述内介质层3采用聚氯乙烯，其介电常数为2.3
×
(1-j0.007)，磁导率为1，厚度h3=4.5mm；所述金属底板4为铜合金板，厚度h4=0.2mm。
38.各层之间的界面由设有压敏干胶均匀粘结，形成中间粘接层，本实施例的压敏干胶为丙烯酸酯压敏干胶，中间粘接层的压敏干胶的介电常数为3.0
×
(1-j0.003)。
39.性能测试利用商业电磁仿真软件cst microwave studio对本发明的实施例1的一种基于内嵌方形环图案的高吸收宽带吸波结构的吸波性能和带宽进行仿真计算，仿真计算频率为2～16ghz，结果如图3所示；同时将实施例2-3的吸波结构进行相同的测试，结果与图3相似。仿真计算过程中，吸波性能通过计算材料底板带有全金属反射面时的s11而获得，经公式“吸收率/100%=1-(s11)
2”转换为吸波率与频率之间的关系。
40.如图3所示，本发明的吸波结构在频率为4.3～13.7ghz之间时，能吸收99%的电磁波，实现了吸波结构在超过三倍频程的带宽内均可达到99%的吸收。以上仿真结果说明，本发明的吸波结构具有低反射率和宽频带的吸波特性。
41.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。