聚苯胺基雷达开关器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及电磁对抗及隐身技术领域，特别涉及一种聚苯胺基雷达开关器件及其制备方法。

背景技术

本征态聚苯胺（PANI）属于一种绝缘态，掺杂态PANI是一种导电态，本征态和掺杂态两者之间可通过相应的氧化还原反应进行可逆转化。通过控制氧化还原电位可获得PANI基雷达开关器件。当不加电时，聚苯胺基雷达开关器件电磁波传输特性呈现屏蔽状态，当对其加电时，聚苯胺基雷达开关器件处于透波态，因此，聚苯胺基雷达开关器件广泛应用于飞机、导弹、舰船等武器装备电磁窗口隐身，提高天线/导引头电磁抗干扰能力。

《聚苯胺的制备与应用》介绍（王献红等编著，北京：科学出版社，2019.11），聚苯胺基雷达开关器件通常采用栅格电极，栅格电极间隔越小，切换速度越快，可逆性变化越好，所需驱动电压越低。

然而，栅格电极的极化问题、角度问题使得聚苯胺基有源器件透波率衰减严重，单纯依靠提升聚苯胺厚度提升其屏蔽性能是以牺牲其透波性能为代价，2022年11月8日公开的中国专利CN115360528A报道了一种加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面，基于电容性周期表面与电感性周期表面耦合的方法设计雷达开关频率选择表面，采用正交的两层切换电极设计电感性周期表面，获得一种新型聚苯胺基雷达开关器件。

CN115360528A报道的聚苯胺基雷达开关器件，其前提条件是两条电极中间处，即氧化还原交界处全部转化为绝缘态。但是，由于聚苯胺掺杂的不同，导致工程应用的聚苯胺，在两条电极之间的氧化还原交界处聚苯胺仍然是屏蔽态，为此，2023年1月17日公开的中国专利CN115621686A公开了一种聚苯胺基双极化雷达开关器件及制备方法，该专利将聚苯胺切换电极、聚苯胺表面氧化反应交界处导电条带组合形成四个电感性金属回路，与之对应设计四个金属方块作为电容性功能层，每个电感性金属回路中心都要每个金属方块的中心重合，此时，电感性金属回路与电容性功能层将形成一个并列LC电路，聚苯胺基雷达开关器件导电时透波将呈现带通滤波效果。器件关闭时，双层聚苯胺处于导电态，与此同时，导电态的聚苯胺将切断电感性层与电容性层的等效LC回路，电容性层与电感性层无法透波，聚苯胺基雷达开关器件将产生一个强屏蔽的状态。

CN115360528A、CN115621686A主要集中在如何消除切换电极对雷达开关器件透波的影响。但是，在电磁窗口隐身、电磁抗干扰应用时，如何优化聚苯胺基雷达开关器件的电磁传输特性，使其在透波态呈现出矩形化、宽通带和高透波的电磁传输特性至关重要。

现有公开技术中，2015年12月16日公开的中国专利CN105161800A优化电磁传输特性的方法是采用双屏或多屏结构级联的方法。2006年8月30日公开的中国专利CN1825678A优化电磁传输特性的方法是基片集成波导技术，但是，在大角度照射下，上述方法在通带内电磁传输特性劣化严重。B.A.Munk 教授在《Frequency Selective Surface andGridArray》（New York: Wiley, 1995）编著中指出，优化电磁传输特性的方法极易出现“过临界耦合状态”，从而导致通带内传输特性劣化，宏观上表现为通带内存在一个透过率较低的“零值凹陷”。虽然，CN115360528A、CN115621686A报道的聚苯胺基雷达开关器件均属于多层结构，能够优化各自电磁传输特性，阻带透波抑制非常好，但是，其通带的带宽以及零值凹陷的情况无法解决，在CN115360528A专利中，器件透波80%的相对带宽24%，在CN115621686A专利中，透波80%的相对带宽26%，且其模型通带内的零值凹陷较为严重。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种聚苯胺基雷达开关器件及其制备方法，能够提高雷达开关器件通带带宽，抑制通带内“零值凹陷”。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的聚苯胺基雷达开关器件，包括沿水平方向和竖直方向周期排列的周期结构；

周期结构依次包括第一金属贴片层、第一电介质层、第一聚苯胺材料层、第一导电带层、第一电解质层、第一栅格电极、支撑电介质层、第二栅格电极、第二电解质层、第二导电带层、第二聚苯胺材料层、第二电介质层以及第二金属贴片层；

支撑电介质层用于支撑正交的第一栅格电极和第二栅格电极；

第一导电带层为聚苯胺电化学反应过渡区域形成的第一导电条带，第二导电带层为聚苯胺电化学反应过渡区域形成的第二导电条带，第一导电条带的方向与第一栅格电极的方向一致，第二导电条带的方向与第二栅格电极的方向一致；

第一金属贴片层和第二金属贴片层由环形金属贴片图案构成，第一电介质层用于支撑第一金属贴片层中的环形金属贴片图案，第二电介质层用于支撑第二金属贴片层中的环形金属贴片图案；

第一栅格电极和第二栅格电极与第一导电条带和第二导电条带组合形成四个电感性金属回路，环形金属贴片图案作为电容性功能层，每个电感性金属回路中包含一个环形金属贴片图案，形成四极子谐振电路，以优化聚苯胺基雷达开关器件的电容性周期表面，提高聚苯胺基雷达开关透波带宽，抑制通带内零值凹陷。

优选地，环形金属贴片图案为回字环形金属贴片图案、圆环形金属贴片图案中的其中一种。

优选地，第一栅格电极为竖直方向电极，第一栅格电极由两条竖直方向的第一金属条带构成；第二栅格电极为水平方向电极，第二栅格电极由两条水平方向的第二金属条带构成，第二金属条带的宽度大小与第一金属条带的宽度大小一致。

优选地，第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层的电导率≥10

优选地，第一导电带层和第二导电带层的厚度为0.1mm～0.2mm。

优选地，第一电解质层和第二电解质层为离子液体，离子液体的介电常数在1～6之间；第一电解质层和第二电解质层的损耗角正切值tanδ≤0.01，第一电解质层和第二电解质层的厚度为100μm±10μm。

优选地，支撑电介质层为聚酰亚胺膜。

本发明提供的聚苯胺基雷达开关器件的制备方法，包括如下步骤：

S1、在第一电介质层和第二电介质层的相对外侧分别制作环形金属贴片图案；

S2、在第一电介质层和第二电介质层的相对内侧分别加载掺杂第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层，第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层分别形成第一导电带层和第二导电带层；

S3、在第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层的相对内侧分别加载第一电解质层和第二电解质层；

S4、在支撑电介质层的两侧分别制作第一栅格电极和第二栅格电极，第一栅格电极和第二栅格电极的相对外侧分别与第一电解质层和第二电解质层相连。

本发明能够取得如下技术效果：

本发明提供的聚苯胺基雷达开关器件，综合考虑了切换电极、聚苯胺氧化还原交界处导电条带排布方式，采用四极子谐振电路优化聚苯胺基雷达开关器件的电容性周期表面，提高了聚苯胺基雷达开关透波带宽，抑制通带内零值凹陷；同时本发明提供的聚苯胺基雷达开关器件采用多极子谐振电路设计电容性表面，能够实现雷达开关器件的小型化。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件周期结构的示意图。

图2是根据本发明实施例提供的周期结构中第一金属贴片层或第二金属贴片层的一种结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的多极子谐振等效电路与单极子谐振等效电路的结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的周期结构中第一金属贴片层或第二金属贴片层的圆环形结构示意图。

图5是根据本发明实施例提供的周期结构中第一聚苯胺材料层及其形成的第一导电带层的结构示意图。

图6是根据本发明实施例提供的周期结构中第二聚苯胺材料层及其形成的第二导电带层的结构示意图。

图7是根据本发明实施例提供的周期结构中第一栅格电极以及支撑电介质层的结构示意图。

图8是根据本发明实施例提供的周期结构中第二栅格电极以及支撑电介质层的结构示意图。

图9是根据本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件加电时大角度50°垂直极化透波曲线图。

其中的附图标记包括：

第一金属贴片层1、第一电介质层2、第一聚苯胺材料层3、第一导电带层4、第一电解质层5、第一栅格电极6、支撑电介质层7、第二栅格电极8、第二电解质层9、第二导电带层10、第二聚苯胺材料层11、第二电介质层12、第二金属贴片层13。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供的一种聚苯胺基雷达开关器件，包括沿水平方向和竖直方向周期排列的周期结构；图1示出了本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件的周期结构，如图1所示，周期结构依次包括第一金属贴片层1、第一电介质层2、第一聚苯胺材料层3、第一导电带层4、第一电解质层5、第一栅格电极6、支撑电介质层7、第二栅格电极8、第二电解质层9、第二导电带层10、第二聚苯胺材料层11、第二电介质层12以及第二金属贴片层13；支撑电介质层7用于支撑正交的第一栅格电极6和第二栅格电极8。

第一金属贴片层1和第二金属贴片层13由环形金属贴片图案构成，第一电介质层2用于支撑第一金属贴片层1中的环形金属贴片图案，第二电介质层12用于支撑第二金属贴片层13中的环形金属贴片图案。

图2示出了本发明实施例提供的周期结构中第一金属贴片层1或第二金属贴片层13的一种结构，如图2所示，第一金属贴片层1或第二金属贴片层13的环形金属贴片图案为回字环形金属贴片图案，聚苯胺基雷达开关器件的周期大小用T表示，回字环形金属贴片的金属线宽用W表示，回字图案之间的间隔用S表示，回字边长用a表示，排布方式保证一个周期内包含四个回字环形图案。

图3示出了本发明实施例提供的多极子谐振等效电路与单极子谐振等效电路的结构。以专利CN115360528A、CN115621686A为代表的雷达开关器件，其电磁传输工作机制是电容性、电感性耦合传播，从等效电路角度分析，都是单极子谐振。单极子谐振对应一个谐振波长，多极子谐振对应多个谐振波长，基于上述内容，本发明基于多极子谐振展宽雷达开关器件的带宽，多极子谐振为环形金属贴片图案对应的四极子谐振等效电路。

图4示出了本发明实施例提供的周期结构中第一金属贴片层或第二金属贴片层的圆环形结构，如图4所示，第一金属贴片层1或第二金属贴片层13的环形金属贴片图案可以选用圆环形金属贴片图案。

图5和图6示出了本发明实施例提供的周期结构中第一聚苯胺材料层及其形成的第一导电带层以及第二聚苯胺材料层及其形成的第二导电带层的结构，如图5和图6所示，第一导电带层4为聚苯胺电化学反应过渡区域形成的第一导电条带，第二导电带层10为聚苯胺电化学反应过渡区域形成的第二导电条带，第一导电条带的方向与第一栅格电极6的方向一致，第二导电条带的方向与第二栅格电极8的方向一致。第一聚苯胺材料层3和第二聚苯胺材料层11的周期大小为T，第一聚苯胺材料层3上形成的竖立导电条带即为第一导电带层4，第一导电带层4的宽度大小用WP表示，第一导电带层4与竖直方向周期边缘的距离为（T-WP）/2，第二聚苯胺材料层11上形成的水平导电条带即为第二导电带层10，其宽度大小也用WP表示，第二导电带层10与水平方向周期边缘之间的距离同样为（T-WP）/2。

图7和图8示出了本发明实施例提供的周期结构中第一栅格电极和支撑电介质层以及第二栅格电极和支撑电介质层的结构，如图7和图8所示，周期大小同样用T表示，第一栅格电极6为竖直方向电极，第一栅格电极6由两条竖直方向的第一金属条带构成；两条第一金属条带的宽度大小用WD/2表示，两条竖直方向的第一金属条带分别置于两个竖直方向周期边缘；第二栅格电极8为水平方向电极，第二栅格电极8由两条水平方向的第二金属条带构成，第二金属条带的宽度大小与第一金属条带的宽度大小一致，第二金属条带的宽度大小也用WD/2表示，两条水平方向的第二金属条带分别置于两个水平方向周期边缘。

优选的实施方式中，第一聚苯胺材料层3和第二聚苯胺材料层11的电导率≥10

图9示出了本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件加电时大角度50°垂直极化透波曲线，如图9所示，聚苯胺基雷达开关器件加电时在大角度50°照射下，在14.5~21GHz范围内透波率均超过80%，即透过率80%相对带宽达到36%。参考曲线是采用单极子谐振等效电路设计的聚苯胺基雷达开关器件电磁传输特性曲线。

本发明实施例还提供一种上述聚苯胺基雷达开关器件的制备方法，包括如下步骤：

S1、在第一电介质层和第二电介质层的相对外侧分别制作环形金属贴片图案；

S2、在步骤S1的基础上，在第一电介质层和第二电介质层的相对内侧分别加载掺杂第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层，第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层分别形成第一导电带层和第二导电带层；

S3、在步骤S2的基础上，在第一聚苯胺材料层和第二聚苯胺材料层的相对内侧分别加载第一电解质层和第二电解质层；

S4、在支撑电介质层的两侧分别制作第一栅格电极和第二栅格电极，第一栅格电极和第二栅格电极的相对外侧分别与第一电解质层和第二电解质层相连。

以下结合具体实施例进一步详细介绍说明。

以80%透波率带宽覆盖14.5GHz~21GHz，大扫描角50°，通带内无“零值凹陷”的雷达开关器件为例。

首选，根据图1所示的聚苯胺基雷达开关器件的频率选择表面物理模型，在电磁仿真软件中建立一个周期单元模型，其中基础材料设置包括：

1）支撑电介质层7使用聚酰亚胺薄膜，相对介电常数ε

2）第一电解质层5和第二电解质层9使用离子液体电解质，相对介电常数ε

3）第一聚苯胺材料层3和第二聚苯胺材料层11的相对介电常数ε

4）第一聚苯胺材料层3和第二聚苯胺材料层11分别形成第一导电带层4和第二导电带层10，其宽度WP=0.1mm；

5）第一电介质层2和第二电介质层12使用聚酰亚胺板材，其相对介电常数ε

随后，采用电磁仿真软件CST或HFSS、Feko等扫参功能，寻找最佳的几何特征，最终获得聚苯胺基雷达开关器件的几何特征尺寸为：

1）单元周期间隔T=2.9mm，回字线宽W=0.1mm、间隔S=0.1mm，边长a=1.35mm；

2）切换电极宽度WD=0.1mm。

通过仿真分析，聚苯胺基雷达开关器件加电时在大角度50°照射下，在14.5~21GHz范围内透波率均超过80%，即透过率80%相对带宽达到36%，如图9所示。

最后，采用双面覆铜的聚酰亚胺薄膜（推荐但不限于型号：GHD051312AJB），经过标准印刷线路板（PCB）工艺制备第栅格电极6和第二栅格电极8，采用单面覆铜聚酰亚胺薄膜（推荐但不限于型号：GSI13R18），经过标准印刷线路板（PCB）工艺制备第一金属贴片层1和第二金属贴片层13，采用超声波喷涂工艺一层将离子液体电解质、掺杂聚苯胺（即第一电解质层5、第二电解质层9、第一聚苯胺材料层3和第二聚苯胺材料层11）涂覆在正交的第一栅格电极6和第二栅格电极8两侧，将第一聚苯胺材料层3、第一导电带层4、第一电解质层5、第一栅格电极6、支撑电介质层7、第二栅格电极8、第二电解质层9、第二导电带层10以及第二聚苯胺材料层11用聚酰亚胺膜或聚烯烃膜封装，并采用聚酰亚胺双面胶（型号：5413）将第一电介质层2与第一聚苯胺材料层3两层之间，第二聚苯胺材料层11与第二电介质层12两层之间胶合，最后得到本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件。

本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件，克服了现有技术中聚苯胺基雷达开关器件电磁传输特性差的问题，80%透过率工作相对带宽达到了36%，抑制了通带内的“零值凹陷”；同时，本发明实施例提供的聚苯胺基雷达开关器件采用多极子谐振电路设计电容性表面，实现了聚苯胺基雷达开关器件小型化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。