一种基于电阻表面的吸波体周期单元及超宽带吸波体

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，特别是超宽带吸波体技术领域，具体涉及一种基于电阻表面的吸波体周期单元及超宽带吸波体。

背景技术

超材料作为人工电磁材料的一种，在电磁调控领域应用广泛。基于超材料原理设计的超宽带吸波体，利用其单元结构产生的谐振、欧姆损耗、介质损耗等，实现对入射电磁波的束缚与吸收，可大大降低传统吸波材料的剖面高度、增大工作频带宽度、减小体积重量、降低加工成本，且易于平台共形，在隐身领域应用广泛。

然而，日益复杂化的电磁环境使得现有的超宽带吸波体显现出了下述缺陷：1、低频吸波难；2、工作带宽无法适应日益复杂化的电磁环境，在一些频段的吸波效果较差，急需增大其工作带宽。此外，随着雷达隐身等领域对低剖面的更高要求，基于目前的吸波体结构，其剖面高度难以进一步降低。可见，如何在更低的剖面高度下，实现该种形式吸波体工作频带宽度的增加以及低频吸波性能的增强，是本技术领域技术人员长期努力探索的方向。

综上所述，一种改进地超宽带吸波体结构亟待提出。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于电阻表面的吸波体周期单元及超宽带吸波体，以解决现有的超宽带吸波体结构难以实现更低的剖面高度、更宽的工作频带和更强的低频吸波性能的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面

本发明的第一方面提出了一种基于电阻表面的吸波体周期单元，包括相互层叠的多个尺寸相同的正方形结构层，各个结构层自上而下依次为第一介质层、第二介质层和金属地板；

第一介质层的上表面设置有分片型第一电阻膜，第一电阻膜包括九个矩形的电阻分片，其中，第一个至第四个电阻分片形状相同且一一对应分布在第一介质层上表面的各个内角处，第五个至第六个电阻分片形状相同且沿第一介质层上表面的两个侧边一一对应分布，两个侧边互为对边，第七个至第八个电阻分片形状相同且沿第一介质层上表面的另外两个侧边一一对应分布，第九个电阻分片设置在第一介质层上表面的中心位置，所有电阻分片组成的图案的外轮廓为与第一介质层外轮廓重合的正方形，所有电阻分片组成的图案为中心对称图形；

第一介质层的下表面设置有第二电阻膜，第二电阻膜通过对第一电阻膜旋转90度得到；

第一电阻膜和第二电阻膜上的各个电阻分片共同形成上下交替垂直交叉的电阻条带；

第二介质层的上表面设置有与第一电阻膜构造相同的第三电阻膜，第二介质层的下表面设置有与第二电阻膜构造相同的第四电阻膜。

进一步改进地，所述第一电阻膜和第二电阻膜通过在第一介质层上涂刷厚度均匀的电阻浆料制成，所述第三电阻膜和第四电阻膜通过在第二介质层上涂刷厚度均匀的电阻浆料制成。

进一步改进地，所述第一介质层和第二介质层的材料为具有各向同性的非金属介质。

进一步改进地，所述第一介质层和第二介质层的材料均为聚四氟乙烯。

进一步改进地，所述金属地板的厚度大于工作频率趋肤深度。

进一步改进地，所述第一电阻膜和第二电阻膜的表面电阻率相同，第三电阻膜和第四电阻膜的表面电阻率相同。

本发明的第一方面具有的有益效果为：

（1）通过参考编织花纹图案（横向的某一根编织条带会交替性地与纵向排布的一系列编织条带相叠，有时候该横向的编织条带位于上方，有时候该横向的编织条带位于下方），体现在第一介质层上时，该横向编织条带交替性地出现在第一介质层的两个表面，而且当该横向编织条带位于第一介质层的其中一个表面时，与其交叠的纵向编织条带就位于第一介质层的另一个表面，据此形成了相互交错的分片型第一电阻膜和第二电阻膜（第一电阻膜和第二电阻膜内所有电阻分片共同构成上下交替垂直交叉的电阻条带，呈现出编织花纹图案），同理形成第三电阻膜和第四电阻膜，吸波体周期单元通过采用上述交错相叠的结构，降低了吸波体周期单元的剖面高度；此外，受各个电阻分片之间的相互影响，电磁波在吸波体周期单元内的场分布不再局限于各个电阻分片的边缘，例如处于各个电阻膜中心的电阻分片其表面和边缘共同形成了四个场集中区域，可见，电磁波在各个电阻膜上的电流路径长度得到了增大，使得基于编织花纹图案构造的各个电阻表面具备了更好的吸波效果；

（2）第一电阻膜和第二电阻膜内各个上下相叠的电阻分片之间存在耦合电容，第一电阻膜/第二电阻膜自身内部正交相遇的电阻分片之间也存在耦合电容，第三电阻膜和第四电阻膜同理，可见本发明实现的吸波体周期单元具有更强的场耦合，大大拓展了低频吸收能力，增大了吸波体的工作带宽；

（3）通过多层介质层的设置，使得处于中层的第二介质层破坏了传统的单层介质与金属地板之间的谐振点，从而进一步拓宽了吸波体的工作带宽。

第二方面

本发明的第二方面提出了一种基于电阻表面的超宽带吸波体，包括若干个本发明的第一方面所述的一种基于电阻表面的吸波体周期单元，各个所述吸波体周期单元沿水平方向紧密排布为一维线形阵列或二维阵列。

本发明的第二方面具有与本发明的第一方面相同的有益效果，在此不再赘述。此外，一维线阵形式或二维的超宽带吸波体具有结构简单的特点，并且在实现更低剖面高度的同时，兼具了更宽的吸波带宽和更优的低频吸波性能。

附图说明

图1为基于电阻表面的吸波体周期单元的一种结构示意图；

图2为第一电阻膜的一种结构示意图；

图3为第二电阻膜的一种结构示意图；

图4为介质透明设置后的一种编织花纹图案示意图；

图5为1.2GHz时吸波体周期单元内第一介质层的场分布示意图；

图6为1.2GHz时吸波体周期单元内第二介质层的场分布示意图；

图7为3.6GHz时吸波体周期单元内第一介质层的场分布示意图；

图8为3.6GHz时吸波体周期单元内第二介质层的场分布示意图；

图9为6GHz时吸波体周期单元内第一介质层的场分布示意图；

图10为6GHz时吸波体周期单元内第二介质层的场分布示意图；

图11为超宽带吸波体为二维面阵时的一种侧视图；

图12为超宽带吸波体为二维面阵时的一种俯视示意图；

图13为超宽带吸波体为二维面阵时自第一介质层下表面方向的一种仰视示意图；

图14为组成超宽带吸波体的面阵为无限大阵列时的一种吸收率仿真图；

图中，1、第一介质层；2、第二介质层；3、第一电阻膜；301、电阻分片；4、第二电阻膜；5、第三电阻膜；6、第四电阻膜；7、金属地板。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付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。

实施例一

参阅图1-图14，本实施例提供了一种基于电阻表面的吸波体周期单元，包括自上而下相互层叠的三个结构层，各个结构层的尺寸相同且均为正方形，三个结构层自上而下依次为：具有电阻表面的第一介质层1、具有电阻表面的第二介质层2以及金属地板7。第一介质层1和第二介质层2的构造相同。

第一介质层1具有的电阻表面包括第一电阻膜3和第二电阻膜4。如图2所示，第一电阻膜3印刷在第一介质层1的上表面。第一电阻膜3为分片型，具体包括九个矩形的电阻分片301。九个电阻分片301中，第一个至第四个电阻分片301形状相同且一一对应分布在第一介质层1上表面的各个内角处。第五个至第六个电阻分片301形状相同且沿第一介质层1上表面的两个侧边一一对应分布，两个侧边互为对边，即为：第五个电阻分片301沿第一介质层1上表面的第一个侧边分布，第六个电阻分片301沿第一介质层1上表面的第二个侧边分布，第一个侧边和第二个侧边正相对。第七个至第八个电阻分片301形状相同且沿第一介质层1上表面的另外两个侧边一一对应分布，即为：第七个电阻分片301沿第一介质层1上表面的第三个侧边分布，第八个电阻分片301沿第一介质层1上表面的第四个侧边分布，第三个侧边和第四个侧边正相对。第九个电阻分片301垂直设置在第一介质层1上表面的中心位置。此外所有电阻分片301组成的图案的外轮廓为与第一介质层1外轮廓重合的正方形，即沿第一介质层1上表面各个侧边分布的电阻分片301的一条边与对应的侧边共线。所有电阻分片301组成的图案为中心对称图形。如图3所示，第二电阻膜4印刷在第一介质层1的下表面，第二电阻膜4通过将第一电阻膜3旋转90度得到。第一电阻膜上的各个电阻分片和第二电阻膜上的各个电阻分片共同形成上下交替垂直交叉的电阻条带。为便于观察到第一电阻膜3内各个电阻分片301与第二电阻膜4内各个电阻分片301之间的交叠关系，图4示出了将第一介质层1介质透明后的第一电阻膜3和第二电阻膜4的结构示意图。从图4可知，第一电阻膜3和第二电阻膜4构成的图案形似竹编工艺中的编织花纹，即为：所有电阻分片共同组成的上下交替垂直交叉的电阻条带形似于竹编工艺中相互交叠的横向编织条带和纵向编织条带。

第二介质层2具有的电阻表面包括第三电阻膜5和第四电阻膜6，对应的，第三电阻膜5与第一电阻膜3的构造相同，第四电阻膜6与第二电阻膜4的构造相同。

在一些实施例中，第一电阻膜3和第二电阻膜4通过在第一介质层1上涂刷厚度均匀的电阻浆料制成，第三电阻膜5和第四电阻膜6通过在第二介质层2上涂刷厚度均匀的电阻浆料制成。通过电阻浆料的均匀涂刷，使得第一电阻膜3、第二电阻膜4、第三电阻膜5和第四电阻膜6各自形成的电阻表面均具备了稳定的表面电阻率。第一电阻膜3和第二电阻膜4的表面电阻率相同。第三电阻膜5和第四电阻膜6的表面电阻率相同。第一电阻膜3和第三电阻膜5的表面电阻率可一致，也可不一致。第一介质层1和第二介质层2的介质均为工作频段内具有各向同性的非金属介质，例如可选择聚四氟乙烯等常见的有机物，这些有机物在工作频段内均保持较为稳定的介电常数和磁导率。金属地板7使用导电性能良好的金属材料，金属地板7的厚度远大于工作频率的趋肤深度。

实施例二

本实施例中，第一介质层1、第二介质层2和金属地板7的厚度均为1mm，第一介质层1和第二介质层2所选取的介质的介电常数为2.65；第一介质层1的边长P为50mm；各个结构层之间的层间间隔均为15mm；位于各个电阻膜中心位置的电阻分片301的长度为P/2，宽度为11mm；第一电阻膜3和第二电阻膜4的表面电阻率选取为220Ω/m

通过对本实施例实现的吸波体周期单元进行仿真后，得到如图5至图10所示的场分布图，图中各个a处表示第一介质层1和第二介质层2上场分布最为集中的区域。由图5至图10所示，在1.2GHz至6GHz频段内，入射电磁波在吸波体周期单元内的场分布不再局限于电阻分片的边缘，通过观察处于各个电阻膜中心的电阻分片可知，其表面和边缘共同形成了四个场集中区域，可见，吸波体周期单元达到了良好的吸波性能。

实施例三

本实施例提供了一种基于电阻表面的超宽带吸波体，通过将若干个实施例一或实施例二实现的吸波体周期单元进行水平方向的一维周期组阵而得到。

实施例四

参阅图11至图14，本实施例提供了另外一种基于电阻表面的超宽带吸波体，通过将若干个实施例一或实施例二实现的吸波体周期单元进行水平方向的二维周期组阵而得到，图11至图13只是一种周期组阵的示意，实际的超宽带吸波体包括更多的吸波体周期单元。在超宽带吸波体中，同一介质层上表面和下表面的电阻膜图案在相差奇数个1/2周期时一致，在相差偶数个1/2周期时不一致且相互交错。

作为一种优选，通过将若干个实施例二实现的吸波体周期单元进行二维组阵得到超宽带吸波体，且同一介质层上任意相邻的两个电阻分片之间的间距均为P/2。假定超宽带吸波体为无限大阵列时，经3D电磁仿真表明，由垂直方向入射的线极化电磁波的吸收率如图14所示，在1.02-6.48GHz范围内，吸收率均大于90%，超宽带吸波体的剖面高度约为0.102λ

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。