利用片状十字形金属单元结构构成的超匹配吸波材料

摘要

本发明公开了一种利用片状十字形金属单元结构构成的超匹配吸波材料。该片状十字形金属单元结构由三层材料组成，底层为金属铜片，中间层为FR4印刷电路板，顶层为多个开槽片状十字形金属铜片等间隔排列在中间层为FR4印刷电路板上，每个十字形金属铜片的四个开口端分别用电阻连接开槽缝隙。通过调整焊接电阻阻值的大小，使得片状十字形金属单元结构在特定工作频率内谐振，让吸收到的能量在电阻上消耗，同时实现与空气的完全匹配。该吸波材料结构简单、厚度薄、质量轻、吸波效率高、与空气中超匹配，本发明可广泛用于飞机隐身、舰艇隐身、雷达隐身以及坦克隐身等各种军事领域以及电磁屏蔽，电磁防护等民用领域。

说明书

技术领域

    本发明涉及电磁波吸波材料，特别是涉及一种利用片状十字形金属单元结构构成的超匹配吸波材料。

背景技术

微波吸收材料，简称吸波材料，是一种能有效吸收入射雷达波，并使其散射大幅度衰减的功能符合材料。新一代吸波材料要求衰减能力强、吸收频带宽、质轻、红外和微波吸收兼容以及综合力学性能优良，其中吸波材料的主用应用领域为军事和民用领域。

军事隐身领域是吸波材料最重要的应用领域。随着军事高新技术的飞速发展，世界各国的防御体系的探测跟踪、攻击能力越来越强。陆、海、空各兵种地面军事目标的生存能力以及武器系统的突防能力日益受到严重威胁，为此，必将大力发展隐身技术。隐身技术分为外隐形和材料隐身两个方面，其中材料隐形就是指在军事目标上大量使用吸波材料来衰减入射雷达波，减小雷达散射截面，也就是雷达隐身技术。雷达隐身技术是现代电子战的一项重要内容，其中雷达隐身材料是应用最广泛的一种方法。雷达吸波材料(Radar Absorbing Material)能有效吸收入射电磁波，并将其能量转化成热量而损耗掉，可以减小电磁波反射能量，已经广泛应用于飞行器隐身及电子设备抗干扰。这必将促进吸波材料的应用和发展。目前，吸波材料已广泛应用在飞机隐身舰船隐身、飞行导弹隐身以及坦克隐身等领域。

民用领域也逐步成为吸波材料新的应用领域，主要包络微波暗室材料的应用，电磁防护材料、建筑吸波材料。

从工程应用角度来看，吸波材料应具有厚度薄、重量轻、吸收频带宽、易于施工和价格便宜等特点，所以实现超薄吸波材料一直是国内外学者的研究目标。为了获得性能优异的吸波材料，世界各国都在致力于开发新型吸波机制的吸波材料。国外学者提出采用光子晶体实现超薄吸波结构，N．Engheta首次提出用metamaterial来获得超薄吸收材料的思想. J，D．J．Kern等人用含损耗的频率选择表面(HZFSS)实现了超薄宽带吸收材料，但设计方法较为复杂，很难在实际中得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用片状十字形金属单元结构构成的超匹配吸波材料，利用电磁波在片状十字形金属单元结构的谐振效应，通过焊接电阻的方式引入损耗，同时适当调整片状十字形金属单元结构的尺寸，使得谐振时里面的电磁能量被电阻消耗同时保证片状十字形金属单元结构的等效相对介电常数和相对磁导率保持相等，这样就实现了超高吸波性能得同时保持与空气的超匹配。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

片状十字形金属单元结构由三层材料组成，底层为金属铜片，中间层为FR4印刷电路板，顶层为多个开槽片状十字形金属铜片等间隔排列在中间层为FR4印刷电路板上，每个十字形金属铜片的四个开口端分别用电阻连接开槽缝隙。

所述的FR4印刷电路板的厚度为3mm。

所述的多个开槽片状十字形金属铜片等间隔排列在中间层为FR4印刷电路板上，其横向与纵向周期均为30mm，每个开槽片状十字形金属铜片的厚度为0.035mm，长度为29mm，宽度为2mm，开槽片状十字形金属铜片中间垂直开两条缝隙槽，缝隙宽度均为1mm。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1）本发明结构简单，厚度薄，质量轻：只加一层简单的开槽片状十字形金属铜片，其余均为常见材料。

2）本发明吸波能量强，匹配性能好：经过实验验证，该吸波材料在工作频带内最高的吸收率为36dB，而且与空气完全匹配。

3）本发明结构多变，针对不同的隐身对象设计不同的形状和大小以完全覆盖隐身物体。

本发明可广泛用于飞机隐身、舰艇隐身、雷达隐身以及坦克隐身等各种军事领域以及电磁屏蔽，电磁防护等民用领域。

附图说明

图1是片状十字形金属单元结构示意图。

图2是整体吸波材料示意图。

图中：1.金属铜片，2.FR4印刷电路板，3. 开槽片状十字形金属铜片，4.电阻。

具体实施方式

下面将结合附图和实例施对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明的片状十字形金属单元结构由三层材料组成，底层为金属铜片1，中间层为FR4印刷电路板2，顶层为多个开槽片状十字形金属铜片3等间隔排列在中间层为FR4印刷电路板2上，每个十字形金属铜片3的四个开口端分别用电阻4连接开槽缝隙。入射到该结构上的电磁波，在里面产生磁谐振和电谐振，当调节开槽片状十字形金属铜片3的尺寸时，可以实现在某个频率时候该金属单元的等效相对介电常数和相对磁导率相等，同时又有较大的虚部。这样就实现了超匹配吸波。电阻4的阻值为4.9k欧姆，连接开槽缝隙，作用为引入电阻可以将谐振时流过电阻的能量转化为热能损耗。

所述的FR4印刷电路板2的厚度为3mm，相对介电常数为4.6，损耗正切为0.02.，相对磁导率为1。主要作用为支撑开槽片状十字形金属铜片。

所述的多个开槽片状十字形金属铜片3等间隔排列在中间层为FR4印刷电路板2上，其横向与纵向周期均为30mm，每个开槽片状十字形金属铜片3的厚度为0.035mm，长度为29mm，宽度为2mm，开槽片状十字形金属铜片3中间垂直开两条缝隙槽，缝隙宽度均为1mm。

本发明的工作原理是：

该片状十字形金属单元结构在电磁波垂直入射到上面时，上面的开槽片状十字形金属铜片与底层的金属铜一起作用会产生电谐振和磁谐振，使得该金属单元结构可以等效为均匀介质。其等效的相对介电常数和相对磁导率可以表示为：                                               和，其中为该等效介质相对介电常数的实部，为该等效介质相对介电常数的虚部（这部分的大小决定了材料的电损耗大小，越大表示材料电损耗越大）. 为该等效介质相对介电常数的实部， 为该等效介质相对介电常数的虚部（这部分的大小决定了材料的磁损耗大小，越大表示材料磁损耗越大）。等效均匀介质为色散介质，即相对介电常数和相对磁导率都会随着频率的变化而变化，因此适当改变开槽片状十字形金属铜片的的长度、宽度、开槽缝隙的宽度以及焊接在开槽缝隙处的电阻阻值的大小，可以使得该介质的介质参数在某个频率上得到，即相对介电常数的实部与相对磁导率的实部相等，相对介电常数的虚部与相对磁导率的虚部相等，这样就实现了与空气中的阻抗完全匹配。同时由于虚部和的存在，使得该介质有很大的损耗。

将上述的片状十字形金属单元结构以30mm为周期排列可以得到最终的片状吸波材料如图2所示，本发明介绍的结构工作频率为2.5GHz，即工作皮长为120mm，而本材料的厚度仅为3mm，即仅相当于工作波长的四十分之一的厚度。根据实验结果显示，在工作频带中心，吸波率最高达到36dB。由于该结构底层为金属板即投射率为0,所以相当于入射到该介质上的电磁波能量仅有3/10000被反射，其余的9997/10000的能量均被结构吸收。

本发明的工作频率为2.5GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整片状十字形金属单元结构的尺寸以及电阻值的大小。

以上所述，仅是本发明的在2.5GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的范围内。