一种基于低介电常数材料的介质结构型多频带雷达吸波材料

摘要

本发明公开了一种基于低介电常数材料的介质结构型多频雷达吸波材料，该雷达吸波材料由介质结构型超材料结构和全反射衬板基底构成；所述介质结构型超材料结构由至少两层介质结构组成，每层介质结构采用相同的低介电常数材料及不同的形状和尺寸设计，通过特殊的结构设计，实现单一低介电常数材料制备具有多频的吸收效果的雷达吸波材料。该雷达吸波材料设计简单、成本低、可操作性强，适用于雷达吸波、电磁屏蔽等领域，由于低电介质材料具有强抗氧化性和强耐腐蚀性，由此方法设计的多频雷达吸波材料可以服役于海洋等复杂环境。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达吸波材料，特别涉及一种基于单一低介电材料制备的介质结构型多频带雷达吸波材料，属于吸波功能材料领域。

背景技术

近年来，电磁波技术的飞速发展使得其在军用和民用领域的应用都受到了广泛的关注。尤其是在军用领域，雷达探测技术、电磁干扰技术、电磁压制技术等已经成为敌我双方较量的重要手段。与此同时，电磁波吸波材料的研究也取得了长足的进步。自2008年Landy首次提出完美吸波体的概念，国内外学者对超材料吸波体开展了大量的研究。多频超材料吸波体在电磁兼容性保护、电磁谐振器及射频等方面具有广阔的应用前景。一般的多频超材料吸波体通常采用“三明治”结构，金属结构+介质层+金属底板，如附图15，通过人工设计金属谐振结构实现单频及多频吸收效果(Singh,Pramod K.,et al."IN-SITU LARGEAREA FABRICATION OF METAMATERIALS ON ARBITRARY SUBSTRATES USING PAINTPROCESS.",141,(2013)141.18(2013):117-133.)。由于金属的抗氧化性及耐腐蚀性较差，金属谐振结构很容易被破坏，从而难以保证其稳定的吸收性能。最近，有报道采用高介电常数介质小方块阵列，实现了单频吸收；也有采用高介电常数小方块阵列和低介电材料背板，实现了双频吸收。但是这些方法均采用了高介电常数材料，而高介电常数材料制备过程复杂繁琐，成本高，不利于大规模的生产；同时，采用多种介质材料，设计较为复杂，不易实现。而低介电常数材料廉价，且具有较好的抗氧化性和耐腐蚀性，同时，其可以利用数控雕刻技术，以及新型3D打印技术一体成型，制备效率高且无需胶黏。但是，目前并没有实现采用单一低介电常数材料制备出介质结构型多频雷达吸波收材料的相关报道。

发明内容

针对现有的以高介电常数吸波材料为主的多频雷达吸波材料存在制备过程复杂、成本高、易损坏，以及吸波频带少(目前采用两种介质设计的吸波体也仅具备双频吸收效果)等缺点与不足，本发明的目的是在于提供一种基于单一低介电常数材料制备的介质结构型多频带雷达吸波材料，该介质结构型多频带雷达吸波材料设计简单、成本低、易成型、可操作性强，适用于雷达吸波、电磁兼容性保护、电磁谐振器及射频等领域。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于低介电常数材料的介质结构型多频雷达吸波材料，该吸波材料由介质结构型超材料结构和全反射衬板基底构成；所述介质结构型超材料结构由至少两层阵列结构组成，每层阵列结构采用相同的低介电常数材料，且每层阵列结构采用不同形状设计，或者采用相同形状设计和不同尺寸设计。

优选的方案，所述介质结构型超材料结构包括两层阵列结构。

较优选的方案，所述介质结构型超材料结构的两层阵列结构独立设计为圆形、椭圆形、多边形或中心设有孔的正方形；所述孔为圆形、椭圆形或多边形。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由两层含矩形孔阵列结构组成，或由上层双矩形十字交叉型阵列结构和下层正方形阵列结构组成，或由上层含凸字型孔阵列结构和下层含正方形孔阵列结构组成，或由上层含三角形拓展正方形孔阵列结构和下层含正方形孔阵列结构组成，或由上层含梯形拓展正方形孔阵列结构和下层含正方形孔阵列组成，或由上层矩形拓展等边三角形孔阵列结构和下层含等边三角形孔阵列结构组成。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由两层含矩形孔阵列结构组成时，阵列结构单元为边长15mm～22mm的正方形；上层含矩形孔阵列结构的中心设有长为12mm～20mm，宽为6mm～15mm的矩形孔，下层含矩形孔阵列结构中心设有长为12mm～20mm，宽为6mm～20mm的矩形孔，上层含矩形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm，下层含矩形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm；且两层含矩形孔阵列结构的长、宽和厚度至少有一项不同。更优选的方案，阵列结构单元为边长为18mm的正方形，上层含矩形孔阵列结构的中心设有长为15mm，宽为7mm的长方形孔，下层含矩形孔阵列结构中心设有长为15mm的正方形孔，且两层阵列结构的厚度均为1.5mm。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由上层双矩形十字交叉型阵列结构和下层正方形阵列结构组成时，阵列结构单元为边长15mm～22mm的正方形；上层双矩形十字交叉型阵列结构中的矩形长为6mm～20mm，宽为3mm～15mm；下层正方形阵列结构的边长15mm～22mm，且上层双矩形十字交叉型阵列结构厚度为1mm～2.5mm，下层正方形阵列结构的厚度为1mm～2.5mm。更优选的方案，阵列结构单元为边长18mm的正方形；上层双矩形十字交叉型阵列结构中的矩形长为15mm，宽为7mm；下层正方形阵列结构的边长为18mm，且两层阵列结构的厚度均为1.5mm。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由上层含凸字型孔阵列结构和下层含正方形孔阵列结构组成时，阵列结构单元为边长15mm～22mm的正方形；下层含正方形孔阵列结构中心设有边长为6mm～15mm的正方形；上层含凸字型孔阵列结构中心设有下底边长为11mm～20mm，上底边长为7mm～15mm，高为8mm～15mm的凸字型孔，且上层含凸字型孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm，下层含正方形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm。更优选的方案，阵列结构单元为边长18mm的正方形；下层含正方形孔阵列结构中心设有边长为7mm的正方形；上层含凸字型孔阵列结构中心设有下底边长为15mm，上底边长为11，高为11mm的凸字型孔，且两层阵列结构的厚度均为1.5mm。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由上层含等腰三角形拓展正方形孔阵列结构和下层含正方形孔阵列结构组成时，阵列结构单元为边长15mm～22mm的正方形；下层含正方形孔阵列结构中心设有边长为6mm～15mm的正方形，上层含等腰三角形拓展正方形孔阵列结构中心设有长度和宽度均为6mm～20mm的等腰三角形拓展正方形孔，等腰三角形部分的底边长为6mm～11mm，高为1mm～6mm，且上层含等腰三角形拓展正方形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm，下层含正方形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm。更优选的方案，阵列结构单元为边长18mm的正方形；下层含正方形孔阵列结构中心设有边长为7mm的正方形，上层含等腰三角形拓展正方形孔阵列结构中心设有长度和宽度均为15mm的等腰三角形拓展正方形孔，等腰三角形部分的底边长为7mm，高为4mm，且两层阵列结构的厚度均为1.5mm。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由上层含等腰梯形拓展正方形孔阵列结构和下层含正方形孔阵列组成时；阵列结构单元为边长15mm～22mm的正方形；下层含正方形孔阵列结构中心设有边长为6mm～15mm的正方形；上层含等腰梯形拓展正方形孔阵列结构中心设有宽度和长度均为6mm～20mm的等腰梯形拓展正方形孔，梯形部分的高为1mm～6mm，下底边长为6mm～15mm，上底边长度不大于15mm，且上层含等腰梯形拓展正方形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm，下层含正方形孔阵列的厚度为1mm～2.5mm。更优选的方案，阵列结构单元为边长18mm的正方形；下层含正方形孔阵列结构中心设有边长为7mm的正方形；上层含等腰梯形拓展正方形孔阵列结构中心设有宽度和长度均为15mm的等腰梯形拓展正方形孔，等腰梯形部分的高为4mm，下底边长为7mm，上底边长度为5mm，且两层阵列结构的厚度均为1.5mm。

进一步优选的方案，所述介质结构型超材料结构由上层矩形拓展等边三角形孔阵列结构和下层含等边三角形孔阵列结构组成时，阵列结构单元为边长15mm～22mm的正方形；下层含等边三角形孔阵列结构中心设有边长为5mm～12mm的等边三角形孔；上层矩形拓展等边三角形孔阵列结构中心设有矩形拓展等边三角形孔，等边三角形部分的边长为5mm～12mm，矩形部分的长为5mm～12mm，宽为1mm～6mm，且上层矩形拓展等边三角形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm，下层含等边三角形孔阵列结构的厚度为1mm～2.5mm。更优选的方案，阵列结构单元为边长18mm的正方形；下层含等边三角形孔阵列结构中心设有边长为8.6mm的三角形孔；上层矩形拓展三角形孔阵列结构中心设有矩形拓展三角形孔，三角形部分的边长为8.6mm，矩形部分的长为8.6m，宽为4mm，且两层阵列结构的厚度均为1.5mm。

优选的方案，所述低介电常数材料的介电常数范围为3～20。

较优选的方案，所述低介电常数材料包括FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸和尼龙中至少一种；和/或，所述低介电常数材料包括FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸和尼龙中至少一种与炭粉的复合材料中至少一种；和/或，所述低介电常数材料包括FR4、环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乳酸和尼龙中至少一种与碳化硅粉的复合材料中至少一种。

优选的方案，所述全反射衬板基底包括铜板或铝板。如常规的铜板以及工业用1000系列铝板等。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：

现有技术中，一般认为单纯的低介电常数材料，如常见的塑料、树脂等等是不吸波的。而通过大量的实验研究发现，将低介电常数材料经过特殊的结构设计，只采用单一的低介电材料也可以实现吸波，而且有双频、三频、五频，甚至更多频的吸收效果，因此，本发明技术方案首次采用单一的低介电常数吸波材料设计出了一种介质结构型多频雷达吸波超材料，避免了现有技术中高介电常数吸波材料的使用。相对现有的利用高介电常数吸波材料制备多频雷达吸波超材料，本发明的技术方案具有以下优势：

1)采用的低介电常数吸波材料原料来源广，都是常规的市售原料，成本低；

2)采用低介电常数吸波材料制备多频雷达吸波超材料的过程可采用数控雕刻技术或者新型3D打印技术一体成型，效率高，且无需胶黏，加工工艺条件简单，易于实现；

3)采用低介电常数吸波材料制备的多频雷达吸波超材料具有较好的抗氧化性和耐腐蚀性，具有更广的应用范围，可以在海洋等特殊环境下使用。

4)采用低介电常数吸波材料制备的多频雷达吸波超材料在谐振频率处可以实现完美吸收性能。

5)多频雷达吸波超材料采用单一的低介电常数吸波材料，其结构设计简单、有利于工业化生产。

附图说明

【图1】为实施例1制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图2】为实施例2制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图3】为实施例3制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图4】为实施例4制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图5】为实施例5制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图6】为实施例6制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图7】为实施例1制备的介质结构型雷达吸波材料的反射率曲线，

【图8】为实施例1制备的吸波材料在14.652GHz(a)和16.608GHz(b)处谐振峰的能量损耗分布图；

【图9】为实施例2制备的介质结构型雷达吸波材料的反射率曲线；

【图10】为实施例2制备的吸波材料在13.332GHz(a)、16.722GHz(b)和17.34GHz(c)处谐振峰的能量分布图；

【图11】为实施例3制备的介质结构型雷达吸波材料分别在TE波、TM波入射下的反射率曲线；

【图12】为实施例4制备的介质结构型雷达吸波材料的反射率曲线；

【图13】为实施例5制备的介质结构型雷达吸波材料的反射率曲线；

【图14】为实施例6制备的介质结构型雷达吸波材料分别在TE波、TM波入射下的反射率曲线；

【图15】为现有的“三明治”结构多频超材料吸波材料；

【图16】为实施例7制备的介质结构型雷达吸波材料的结构示意图；

【图17】为实施例7制备的介质结构型雷达吸波材料的反射率曲线。

具体实施方式

为了更清楚地展现本发明的目的、技术方案和优点，下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明采用数控雕刻技术精确雕刻成型，或采用3D打印快速制备成型。

本发明通过介质谐振理论、阻抗匹配原理、能量分布、电场分布及磁场分布辅助分析和设计。

本发明采用弓形法进行反射率测试。

实施例1

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，采用孔型结构1；第二层为结构型介质层2，采用孔型结构2；第三层为全反射板3。结构示意图如图1a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝18mm。如图1b孔型结构1为矩形孔洞超材料，孔径长为l₁＝15mm，孔径宽为w＝7mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。如图1c孔型结构2为方孔超材料，方孔孔边长为l₂＝15mm；材料为FR4，介电材料为4.3，损耗角正切0.025。两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm。测试结果如图7，结果显示：吸波体在14.652GHz和16.608GHz处有完美吸收。谐振频点处能量损耗分布如图8。

实施例2

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，采用双矩形十字交叉结构；第二层为平板介质层2，采用平板结构；第三层为全反射板3。结构示意图如图2a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝18mm。如图2b为双矩形十字交叉结构，矩形长为l＝15mm，矩形宽为h＝7mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025，厚度1.5mm。如图2c为正方形平板结构，边长同单元大小为18mm；材料为FR4，介电常数为4.3，损耗角正切0.025。两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm。测试结果如图9，结果显示：吸波体在13.332GHz、16.722GHz和17.34GHz处有完美吸收效果。谐振频点处能量损耗分布如图10。

实施例3

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，采用“凸”字型孔型结构；第二层为结构型介质层2，采用正方形孔型结构，且“凸”字型孔底边与正方形底边齐平；第三层为全反射板3。结构示意图如图3a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为18mm。如图3b，第一层为“凸”字型孔型结构，“凸”字型下边l₁＝15mm，“凸”字型上边l₂＝7mm，“凸”字型高为11mm：w＝7mm，h＝4mm；如图3c，正方形孔边长l₃＝7mm。两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。该吸波体为不对称超材料吸波体，测试结果如图11，结果显示在TE波入射下，--5dB以下有四个吸收吸收，-10dB有两个完美吸收峰。TM波入射下，-5dB以下有四个吸收吸收，且-10dB下，在高频处有宽频吸收效果。

实施例4

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，采用“等腰三角形拓展正方形结构”孔型结构；第二层为结构型介质层2，采用正方形孔型结构；第三层为全反射板3。吸波结构为完全对称结构，结构如图4a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为18mm。如图4b，“等腰三角形拓展正方形结构”孔的长、宽为H＝15mm，包含四个三角形拓展部分，所含的等腰三角形部分其底边长为l＝7mm，其腰长为w＝5.315mm；如图4c，正方形孔边长l＝7mm。两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025，。测试结果如图12，结果显示：吸波体在13GHz左右有完美吸收峰，在高频处有两个弱吸收峰。

实施例5

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，采用“等腰梯形拓展正方形结构”孔型结构；第二层为结构型介质层2，采用正方形孔型结构；第三层为全反射板3。吸波结构为完全对称结构，结构如图5a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为18mm。如图5b，“等腰梯形拓展正方形结构”孔的长、宽为H＝15mm，且包含四个梯形拓展部分，所包含的等腰梯形部分的上底长g＝5mm，梯形的下底长为l＝7mm，梯形的腰长为w＝4.123mm；如图5c，正方形孔边长l＝7mm。两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm，,材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。吸波体结构对称，极化无关。测试结果如图13，结果显示吸波体在12-18GHz内有三频吸收良好效果。

实施例6

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，采用“矩形拓展等边三角形结构”孔型结构；第二层为结构型介质层2，采用正三角形孔型结构；第三层为全反射板3。结构如图6a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为18mm。如图6b，“矩形拓展等边三角形结构”孔包含三个矩形拓展部分，其矩形部分的长l₁＝8.6mm，w＝4mm；如图6c，下层为正三角形孔结构，其边长为l₂＝8.6mm；两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm，材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025，测试结果如图14，结果显示：吸波体在TE波模式下吸波体有5频吸收的良好吸收效果，在TM波模式下吸波体有三频吸收效果。

实施例7

吸波体为周期阵列结构，一个周期单元的结构：沿电磁场入射方向，第一层为结构型介质层1，第二层为结构型介质层2，两层介质均为正方形孔阵列结构；第三层为全反射板3。结构示意图如图16a，吸波体为周期结构单元，一个单元的边长为L＝18mm。如图16b第一层正方形孔结构边长长为l₁＝13mm，孔径宽为w＝7mm；材料为FR4，介电常数4.3，损耗角正切0.025。如图16c第二层正方形孔结构边长为l₂＝7mm；材料为FR4，介电材料为4.3，损耗角正切0.025。两层介质具有相同厚度d₁＝d₂＝1.5mm。测试结果如图17，结果显示：吸波体在13.488GHz和16.602GHz处有完美吸收。