一种双层谐振耦合吸波体
阅读说明：本技术 一种双层谐振耦合吸波体 (Double-layer resonance coupling wave absorber ) 是由 周福兰 聂晶 伍连保 曾民君 李虎权 于 2021-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种双层谐振耦合吸波体,包括：金属背板,放置在所述金属背板上的若干阵列排布的吸波单元,所述吸波单元包括依次叠放的第一介质层、第一吸波结构层、第二介质层、第二吸波结构、第三介质层,所述第一介质层为最底层且与金属背板连接。本发明基于双层吸波结构层,并结合电阻膜的方阻设计了超宽谱吸波材料,通过合理选择电阻膜表面阻值以及结构参数,实现在低频、中频、高频吸波峰,且增强了低频吸收强度,从而扩宽整体吸波带宽,可实现在2-60GHz的吸波性能小于-10dB。利用外圆内方形、内圆外方形几何结构的各项同性,实现电磁波来波方向60度以上,电磁波都保持超宽超强吸收特性,实现2-60GHz超薄超宽吸波体。(The invention discloses a double-layer resonance coupling wave absorber, which comprises: the wave absorbing unit comprises a first medium layer, a first wave absorbing structure layer, a second medium layer, a second wave absorbing structure and a third medium layer which are sequentially stacked, wherein the first medium layer is the bottommost layer and is connected with the metal backboard. The ultra-wide spectrum wave-absorbing material is designed based on the double-layer wave-absorbing structure layers and combined with the square resistance of the resistive film, wave absorption peaks at low frequency, medium frequency and high frequency are realized by reasonably selecting the surface resistance and the structural parameters of the resistive film, and the low-frequency absorption strength is enhanced, so that the whole wave-absorbing bandwidth is widened, and the wave-absorbing performance at 2-60GHz is less than-10 dB. By utilizing the isotropy of geometric structures of the outer circle, the inner circle and the outer circle, the electromagnetic wave incoming direction is more than 60 degrees, the electromagnetic wave keeps the ultra-wide and ultra-strong absorption characteristic, and the 2-60GHz ultra-wide wave absorber is realized.)
技术领域
本发明涉及新材料材料技术领域，尤其涉及一种双层谐振耦合吸波体。
背景技术
随着目前5G通讯行业、电子信息技术的飞速发展，5G已经被誉为打开下一次科技革命的钥匙，是全球科技竞争的顶尖领域，更是中美贸易战的直接导火索，支持5G发展，早已经超越通信行业自身，已经上升到国家战略的层面，工信部副部长陈肇雄在IMT-2020峰会上表示，5G作为新一代信息通信技术演进升级的重要方向，是实现万物互联的关键基础设施、经济社会数字化转型的重要驱动力量。与5G通信相关的各种基础设备如基站、天线阵列，以及目前各种智能家居、手机、手环、蓝牙耳机、自动驾驶等等产品的研发与生产测试，都需要在特定干净的电磁环境下进行，通常有用于研发的微波暗室和电波暗室，以及用于产线测试的电磁屏蔽箱或中小型屏蔽暗室，所有这些测试应用场景最核心的就是吸波材料。并且随着通信频段的不断提高，目前5G在毫米波频段已经上升至26GHz及39GHz。开发新型可控超薄超宽谱吸波材料是促进5G通信、万物互联、智能驾驶等各种高精尖领域基础模块研发、生产和质量管控的关键。
宽频吸收一直是阻碍吸波材料突破升级的难题。电磁波会与不同形状的图案相互作用产生多个吸收峰，同时也会与相同形状、不同尺寸的图案相互作用。通过合理调节图案形状与尺寸参数，就可能使吸收峰相互叠加形成宽频吸收。研究人员在周期吸波结构的超薄、多峰、宽频、斜入射和可调控等方面已经开展了大量的工作，并建立了各种模型进行分析。然而，每一种等效模型目前还不能完全适用全领域应用。虽然周期吸波结构在超薄和多峰吸收方面取得了较大的成果，但是如何在保证较薄厚度下实现宽频有效吸收，还是目前吸波材料应用发展的重要难题。由于缺乏有效的等效电路分析模型，宽频吸收仍然是瓶颈，尤其是低频段的宽频吸收，与国外的差距主要体现在以下三个方面：
1)低频吸波性能拓宽。国内学者设计吸波材料主要集中在高频C、X、Ku波段，而只有极少数工作在S或L波段，且吸波频带较窄。
2)吸波材料厚度减薄。吸波材料吸波带宽与厚度是一对矛盾，即宽频吸波材料往往厚度、重量很大，而厚度薄重量轻的吸波材料只能限定在很窄频带内工作。
3)产业化应用难度高。美国已将研发的新型吸波材料应用于军用领域上，用于提升它们的隐身性能和电磁兼容性，而国内吸波材料研究才刚刚起步，产业化应用程度还相对较低。因此宽频吸收、斜入射和可调控仍然是的周期吸波结构的重要研究与产业化方向。
目前结构型吸波材料，可以由泡沫等轻质材料加入吸收剂构成，且可以多层叠加实现宽频带吸波，因而具有轻质宽频的优点。但是多层吸波结构厚度通常较厚、低频吸波性能差、所占空间较大、多层粘接工艺整体力学性能下降；很难实现宽频带吸波的效果，典型的吸波屏，可以由泡沫表面加载电阻膜构成，其厚度为中心工作频率处波长的四分之一，选定合适方阻值的电阻膜，将其做成频率选择表面图案，则可以调节其工作频带。通常所用到的图案有方形、十字形、方环等。但这些图案受限于本身特点，在低频段(厚度小于四分之一波长的频带)只有一个吸收峰，很难实现超宽带(1.5GHz-80GHz)的吸波效果。因此在不改变材料以及吸波体厚度的前提下，拓展吸波体整个低频与高频段吸收带宽的问题成为当前电磁波吸波
技术领域
的一个急需解决的技术问题。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种双层谐振耦合吸波体，满足在宽频的吸波需求。
本发明的技术方案如下：提供一种双层谐振耦合吸波体，包括：金属背板，放置在所述金属背板上的若干阵列排布的吸波单元，所述吸波单元包括依次叠放的第一介质层、第一吸波结构层、第二介质层、第二吸波结构、第三介质层，所述第一介质层为最底层且与金属背板连接；所述第一介质层、第二介质层、第三介质层的厚度范围为0.8-1.5mm，介电常数ε的范围为0.7-1.6；所述第一吸波结构层包括第一环形电阻图案，所述第二吸波结构层包括第二环形电阻图案，所述第一环形电阻图案的周期、第二环形电阻图案的周期均为P，即相邻的两个第一环形电阻图案的中心之间的距离、相邻的两个第一环形电阻图案的中心之间的距离均为P，且10mm≤P≤35mm，所述第一环形电阻图案为内圆外方环形结构，内圆的半径为R1，且3mm≤R1≤10mm，外方的边长为L1，且4mm≤R1≤12mm，所述第一环形电阻图案的方阻为Rs1，且Rs1的范围为所述第二环形电阻图案为内方外圆环形结构，外圆的半径为R2，且4mm≤R2≤12mm，内方的边长为L2，且3mm≤R2≤10mm，所述第二环形电阻图案的方阻为Rs2，且Rs1的范围为吸波单元中的第一环形电阻图案的中心、第二环形电阻电阻图案的中心投影在金属背板上的点分布在直径为4mm的圆内。本发明吸波体设计上兼容低频吸收较好的方环形以及各项同性较好的圆环形电阻膜，叠加介质层后形成耦合增强吸收，且方环与圆环形成互补作用，因此实现多层吸波结构体较好的吸波效果。
进一步地，吸波单元中的第一环形电阻图案的中心、第二环形电阻电阻图案的中心投影在金属背板上同一个点上。
进一步地，所述第一吸波结构层还包括：第一薄膜层，所述第二吸波结构层还包括：第二薄膜层，所述第一环形电阻图案设置在第一薄膜层上，所述第二环形电阻图案设置在第二薄膜层上，所述第一薄膜层、第二薄膜层的厚度为0.01mm-0.3mm。优选的，所述第一环形电阻图案与第二环形电阻图案为电阻浆料分别丝印在第一薄膜层、第二薄膜层获得。
进一步地，所述第一薄膜层、第二薄膜层为聚酰亚胺薄膜或PET膜。
进一步地，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层采用蜂窝材料板或者轻质聚甲基丙烯酰亚胺泡沫板或聚氯乙烯泡沫板。
进一步地，金属背板、第一介质层、第一吸波结构层、第二介质层、第二吸波结构、第三介质层之间通过胶膜层连接，所述胶膜层的材质为酚醛树脂或环氧树脂或不饱和聚酯树脂。
进一步地，所述胶膜层中设置有纤维材料，所述纤维材料为玻璃纤维或碳纤维或有机纤维。用于增强整体的强度。
进一步地，所述第一环形电阻图案、第二环形电阻图案采用丝印的方式分布印刷在第一薄膜层、第二薄膜层上。
进一步地，所述第一环形电阻图案的周期、第二环形电阻图案的周期均为P＝20mm，所述第一环形电阻图案为内圆外方环形结构，内圆的半径为R1＝7mm，外方的边长为L1＝10mm，所述第一环形电阻图案的方阻为所述第二环形电阻图案为内方外圆环形结构，外圆的半径为R2＝10mm，内方的边长为L2＝7mm，所述第二环形电阻图案的方阻为Rs2，且Rs1的范围为所述第一介质层、第二介质层、第三介质层的厚度为1.1mm，介电常数ε为1.08；在2-60GHz范围内，斜入射小于60°时的反射率低于-10dB。
进一步地，所述第一环形电阻图案的周期、第二环形电阻图案的周期均为P＝20mm，所述第一环形电阻图案为内圆外方环形结构，内圆的半径为R1＝7mm，外方的边长为L1＝10mm，所述第一环形电阻图案的方阻为所述第二环形电阻图案为内方外圆环形结构，外圆的半径为R2＝10mm，内方的边长为L2＝7mm，所述第二环形电阻图案的方阻为Rs2，且Rs1的范围为所述第一介质层、第二介质层、第三介质层的厚度为1.1mm，介电常数ε为1.08；在2-60GHz范围内，垂直照射时的反射率低于-10dB。
采用上述方案，本发明提供一种双层谐振耦合吸波体，基于双层吸波结构层，并结合电阻膜的方阻设计了超宽谱吸波材料，通过合理选择电阻膜表面阻值以及结构参数，实现在低频、中频、高频吸波峰，且增强了低频吸收强度，从而扩宽整体吸波带宽，可实现在2-60GHz的吸波性能小于-10dB。利用外圆内方形、内圆外方形几何结构的各项同性，实现电磁波来波方向60度以下，电磁波都保持超宽超强吸收特性，实现2-60GHz超薄超宽吸波体。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为吸波单元的结构示意图；
图3为本发明的一实施例的在电磁波90°直射和模拟的吸波性能图；
图4为图3实施例在不同入射角度的电磁波时的吸波性能图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
请参阅图1和图2，本发明提供一种双层谐振耦合吸波体，包括：金属背板10，放置在所述金属背板10上的若干阵列排布的吸波单元，所述吸波单元包括依次叠放的第一介质层20、第一吸波结构层、第二介质层30、第二吸波结构、第三介质层40，所述第一介质层20为最底层且与金属背板10连接；所述第一介质层20、第二介质层30、第三介质层40的厚度范围为0.8-1.5mm，介电常数ε的范围为0.7-1.6；所述第一吸波结构层包括第一环形电阻图案51，所述第二吸波结构层包括第二环形电阻图案61，所述第一环形电阻图案51的周期、第二环形电阻图案61的周期均为P，即相邻的两个第一环形电阻图案51的中心之间的距离、相邻的两个第一环形电阻图案51的中心之间的距离均为P，且10mm≤P≤35mm，所述第一环形电阻图案51为内圆外方环形结构，内圆的半径为R1，且3mm≤R1≤10mm，外方的边长为L1，且4mm≤R1≤12mm，所述第一环形电阻图案51的方阻为Rs1，且Rs1的范围为所述第二环形电阻图案61为内方外圆环形结构，外圆的半径为R2，且4mm≤R2≤12mm，内方的边长为L2，且3mm≤R2≤10mm，所述第二环形电阻图案61的方阻为Rs2，且Rs1的范围为吸波单元中的第一环形电阻图案51的中心、第二环形电阻电阻图案的中心投影在金属背板10上的点分布在直径为4mm的圆内。在本实施例中，所述金属背板10采用铝板。
吸波单元中的第一环形电阻图案51的中心、第二环形电阻电阻图案的中心投影在金属背板10上同一个点上。
所述第一吸波结构层还包括：第一薄膜层52，所述第二吸波结构层还包括：第二薄膜层62，所述第一环形电阻图案51设置在第一薄膜层52上，所述第二环形电阻图案61设置在第二薄膜层62上，所述第一薄膜层52、第二薄膜层62的厚度为0.01mm-0.3mm。
所述第一薄膜层52、第二薄膜层62为聚酰亚胺薄膜。
所述第一介质层20、第二介质层30、第三介质层40采用轻质聚甲基丙烯酰亚胺泡沫板。
金属背板10、第一介质层20、第一吸波结构层、第二介质层30、第二吸波结构、第三介质层40之间通过胶膜层连接，所述胶膜层的材质为环氧树脂。
所述胶膜层中设置有纤维材料，所述纤维材料为玻璃纤维。
所述第一环形电阻图案51、第二环形电阻图案61采用丝印的方式分布印刷在第一薄膜层52、第二薄膜层62上。
请参阅图3和图4，在本实施例中，所述第一环形电阻图案51的周期、第二环形电阻图案61的周期均为P＝20mm，所述第一环形电阻图案51为内圆外方环形结构，内圆的半径为R1＝7mm，外方的边长为L1＝10mm，所述第一环形电阻图案51的方阻为所述第二环形电阻图案61为内方外圆环形结构，外圆的半径为R2＝10mm，内方的边长为L2＝7mm，所述第二环形电阻图案61的方阻为Rs2，且Rs1的范围为所述第一介质层20、第二介质层30、第三介质层40的厚度为1.1mm，介电常数ε为1.08；在2-60GHz范围内，斜入射小于60°时的反射率低于-10dB。在2-60GHz范围内，垂直照射时的反射率低于-10dB，其中TE为实际测试，TM为模拟。
综上所述，本发明提供一种双层谐振耦合吸波体，基于双层吸波结构层，并结合电阻膜的方阻设计了超宽谱吸波材料，通过合理选择电阻膜表面阻值以及结构参数，实现在低频、中频、高频吸波峰，且增强了低频吸收强度，从而扩宽整体吸波带宽，可实现在2-60GHz的吸波性能小于-10dB。利用外圆内方形、内圆外方形几何结构的各项同性，实现电磁波来波方向60度以下，电磁波都保持超宽超强吸收特性，实现2-60GHz超薄超宽吸波体。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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