本發(fā)明屬于微波吸收結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超薄的柔性復(fù)合寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線傳輸和高頻電子設(shè)備在生活中被廣泛普及，我們的日常環(huán)境也變成了一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境，充滿了各種傳輸方向和極化方向的電磁波，使得電磁兼容的問(wèn)題日顯重要，微波吸收結(jié)構(gòu)也因此受到了很多關(guān)注。由于電子器件的尺寸越來(lái)越趨于小型化且其工作頻帶越來(lái)越寬，使得同時(shí)擁有厚度薄、吸收頻帶寬等特性的微波吸收結(jié)構(gòu)有著極為實(shí)際的需求。為獲得寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的方法是采用多層具有不同電磁特性的磁性介質(zhì)材料堆疊而成。然而，這種微波吸收結(jié)構(gòu)的厚度和重量往往較大，不適于實(shí)際應(yīng)用。近幾年，科研人員研究出一種以阻抗型頻率選擇表面為主要結(jié)構(gòu)的寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)。如在中國(guó)發(fā)明專利說(shuō)明書(shū)CN201410748359.7中，公開(kāi)了“一種基于領(lǐng)結(jié)型貼片的寬帶吸波層結(jié)構(gòu)”，其通過(guò)在金屬型頻率選擇表面上焊接集總電阻得到阻抗型頻率選擇表面。這種微波吸收結(jié)構(gòu)的阻抗在較寬的頻帶內(nèi)與空氣阻抗匹配，即入射電磁波可以進(jìn)入到微波吸收結(jié)構(gòu)的內(nèi)部而不是直接被反射，然后焊接的集總電阻再將電磁能量損耗掉，以達(dá)到吸波的效果。但是這種方法因?yàn)橐附蛹傠娮?，使其制備工藝較為復(fù)雜且成本變高，給批量生產(chǎn)帶來(lái)了極大的不便，并且它的整體厚度也較厚，往往在4mm以上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種超薄的復(fù)合寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)及其制備方法，其目的在于通過(guò)將不同電磁特性的磁性介質(zhì)材料置于金屬型頻率選擇表面的頂部和底部，實(shí)現(xiàn)寬帶微波吸收特性，由此解決以阻抗型頻率選擇表面為主要結(jié)構(gòu)的寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)制備工藝較復(fù)雜，厚度較厚的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種超薄的柔性復(fù)合寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)，包括自上而下依次層疊的阻抗匹配結(jié)構(gòu)、頻率選擇表面結(jié)構(gòu)、介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)、能量損耗結(jié)構(gòu)和金屬背板，其中，阻抗匹配結(jié)構(gòu)和頻率選擇表面結(jié)構(gòu)、介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)和能量損耗結(jié)構(gòu)、能量損耗結(jié)構(gòu)和金屬背板都分別通過(guò)膠膜粘結(jié)。

優(yōu)選地，所述的阻抗匹配結(jié)構(gòu)為平板狀的磁性介質(zhì)材料，成分為微觀結(jié)構(gòu)是球形的羰基鐵粉、硅橡膠和硫化劑，其中，羰基鐵粉粒子的外表包覆有SiO₂。按質(zhì)量百分配比計(jì)算，羰基鐵粉為70％，硅橡膠為29.5％，硫化劑為0.5％。結(jié)構(gòu)厚度為1mm。

優(yōu)選地，所述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)為金屬銅制成的正方形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在各邊的中間部位有一個(gè)矩形缺口，缺口長(zhǎng)度為3.25mm。頻率選擇表面的周期為15mm，厚度為0.02mm。

優(yōu)選地，所述的介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)是柔性FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)為4.4，損耗正切值為0.02，厚度為0.18mm。

優(yōu)選地，所述的能量損耗結(jié)構(gòu)為平板狀的磁性介質(zhì)材料，成分為微觀結(jié)構(gòu)是片狀的羰基鐵粉、硅橡膠和硫化劑，按質(zhì)量百分配比計(jì)算，羰基鐵粉為60％，硅橡膠為39.5％，硫化劑為0.5％。結(jié)構(gòu)厚度為1mm。

優(yōu)選地，所述的片狀羰基鐵粉由球狀羰基鐵粉通過(guò)球磨工藝獲得。

優(yōu)選地，所述的金屬背板材料為鋁。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)的制備方法。

優(yōu)選地，阻抗匹配結(jié)構(gòu)由包覆有SiO₂的球形羰基鐵粉、硅橡膠和硫化劑通過(guò)混煉擠壓成型工藝制備，混煉時(shí)間為3小時(shí)，擠壓硫化溫度為170℃，時(shí)間為15分鐘。阻抗匹配結(jié)構(gòu)與能量損耗結(jié)構(gòu)所用的磁性介質(zhì)材料，它們含有的各成分和質(zhì)量占比雖然不同，但是制備工藝是相同的，都是混煉擠壓成型工藝，工藝參數(shù)相同。

優(yōu)選地，頻率選擇表面結(jié)構(gòu)是在柔性的單面覆銅的FR4介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)上，采用化學(xué)刻蝕技術(shù)制備。

優(yōu)選地，能量損耗結(jié)構(gòu)由片狀羰基鐵粉、硅橡膠和硫化劑通過(guò)混煉擠壓成型工藝制備，混煉時(shí)間為3小時(shí)，擠壓硫化溫度為170℃，時(shí)間為15分鐘。

優(yōu)選地，片狀羰基鐵粉由球形羰基鐵粉通過(guò)球磨工藝獲得，球狀羰基鐵粉與鋼球的質(zhì)量比為1:10，球磨時(shí)間為12小時(shí)。

本發(fā)明中，阻抗匹配結(jié)構(gòu)與能量損耗結(jié)構(gòu)分別指代的磁性介質(zhì)材料是不同的材料，兩者所使用的吸收劑種類及其質(zhì)量占比都是不同的。其中，所使用的硅橡膠種類是相同的，但是質(zhì)量占比不同；所使用的硫化劑種類是相同的，但是質(zhì)量占比也不同。對(duì)于磁性介質(zhì)材料，吸收劑的種類和比例是影響其電磁特性的重要因素，在一定程度內(nèi)，吸收劑的比例越高，磁導(dǎo)率越大，其電磁特性越好。一般在制備磁性介質(zhì)材料時(shí)，需要選擇的就是用什么吸收劑，比例填充多少。

阻抗匹配結(jié)構(gòu)所指的磁性介質(zhì)材料，它與空氣的阻抗匹配度是較好的，但是損耗電磁能量的能力較差；能量損耗結(jié)構(gòu)所指的磁性介質(zhì)材料，它與空氣的阻抗匹配度較差，但是損耗電磁能量的能力較強(qiáng)。本發(fā)明結(jié)合兩者設(shè)計(jì)寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采取自上而下依次層疊的阻抗匹配結(jié)構(gòu)、頻率選擇表面結(jié)構(gòu)、介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)、能量損耗結(jié)構(gòu)和金屬背板，換言之就是分別將具有阻抗匹配特性和能量損耗特性的磁性介質(zhì)材料置于頻率選擇表面的頂部和底部，這樣的一種結(jié)構(gòu)，可以使其在具有寬帶微波吸收特性的情況下，還能實(shí)現(xiàn)厚度超薄。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用不同電磁特性的磁性介質(zhì)材料置于金屬型頻率選擇表面的頂部和底部，能夠取得下列有益效果：(1)本發(fā)明成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，利于批量生產(chǎn)；質(zhì)地柔軟，厚度超薄且具有寬帶吸收特性。(2)本發(fā)明采用電磁特性不同的磁性介質(zhì)材料置于頻率選擇表面的頂部和底部，頂部的磁性介質(zhì)材料與空氣具有良好的阻抗匹配性，有益于微波吸收結(jié)構(gòu)與空氣的阻抗匹配性；底部的磁性介質(zhì)材料具有較強(qiáng)的損耗特性，不需要再采用阻抗型的頻率選擇表面來(lái)增加損耗，由此降低了制備成本和工藝的復(fù)雜程度。(3)本發(fā)明所采用的頻率選擇表面進(jìn)一步改善了微波吸收結(jié)構(gòu)的阻抗匹配性，并且通過(guò)頻率選擇表面的諧振，在自身表面激勵(lì)出很強(qiáng)的電流，進(jìn)而被磁性介質(zhì)材料損耗，由此引入新的吸收峰，使微波吸收結(jié)構(gòu)整體具有多個(gè)諧振峰，有效的拓寬了吸收帶寬。(4)本發(fā)明所采用的頻率選擇表面單元為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使微波吸收結(jié)構(gòu)可以吸收任意極化角度的電磁波。因此本發(fā)明對(duì)入射波具有優(yōu)異的極化穩(wěn)定性。(5)由Snell折射定律可知，相比于阻抗型頻率選擇表面微波吸收結(jié)構(gòu)，磁性介質(zhì)材料具有更優(yōu)異的斜入射角度穩(wěn)定性。因此本發(fā)明對(duì)入射波具有優(yōu)異的斜入射角度穩(wěn)定性。從附圖4中可以看到，當(dāng)入射角度增加到15°時(shí)，對(duì)TE和TM極化電磁波的微波吸收率仍能達(dá)到90％以上；當(dāng)入射角度增加到30°時(shí)，對(duì)TE極化電磁波的微波吸收率能達(dá)到83％以上，對(duì)TM極化電磁波的吸收率能達(dá)到93％以上，可適用于更多的場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明采用的由FR4介質(zhì)板承載的頻率選擇表面的局部示意圖。

圖3是本發(fā)明對(duì)垂直入射的TEM電磁波的反射率曲線圖。

圖4是本發(fā)明對(duì)不同極化角度的TE極化電磁波垂直入射的反射率曲線圖。

圖5是本發(fā)明對(duì)斜入射角為15°的TE、TM極化電磁波的反射率曲線圖。

圖6是本發(fā)明對(duì)斜入射角為30°的TE、TM極化電磁波的反射率曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，一種超薄的柔性復(fù)合寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)，它包括自上而下依次層疊的阻抗匹配結(jié)構(gòu)1、頻率選擇表面結(jié)構(gòu)2、介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)3、能量損耗結(jié)構(gòu)4和金屬背板5，其中，阻抗匹配結(jié)構(gòu)1和頻率選擇表面結(jié)構(gòu)2、介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)3和能量損耗結(jié)構(gòu)4、能量損耗結(jié)構(gòu)4和金屬背板5都分別通過(guò)膠膜粘結(jié)。

膠膜是通用的，只要粘附力強(qiáng)且不影響微波吸收結(jié)構(gòu)的性能就可以。膠膜僅僅是一種粘結(jié)手段，不是本專利的發(fā)明點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中使用的膠膜是采購(gòu)的環(huán)氧樹(shù)脂固化膠。

頻率選擇表面與介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)是直接相貼的。在制備頻率選擇表面的實(shí)驗(yàn)中，頻率選擇表面是在采購(gòu)回來(lái)的單面覆銅的FR4介質(zhì)板上，通過(guò)化學(xué)刻蝕法，將完整的覆銅面刻蝕成具有特定單元形狀的周期性圖案。

阻抗匹配結(jié)構(gòu)1為平板狀的磁性介質(zhì)材料，成分為微觀結(jié)構(gòu)是球形的羰基鐵粉、硅橡膠和硫化劑，其中，羰基鐵粉粒子的外表包覆有SiO₂。按質(zhì)量百分配比計(jì)算，羰基鐵粉為70％，硅橡膠為29.5％，硫化劑為0.5％。按以上質(zhì)量百分配比準(zhǔn)備好原材料后，先通過(guò)煉膠機(jī)混煉3小時(shí)使它們混合均勻，然后再在硫化機(jī)上擠壓成型，硫化溫度為170℃，硫化時(shí)間為15分鐘，擠壓厚度為1mm。該材料在2-18GHz頻帶內(nèi)，其磁導(dǎo)率的實(shí)部為1～2.5，虛部為0.3～1；介電常數(shù)的實(shí)部為6～7.5，虛部為0～0.2。

頻率選擇表面是指由完全相同的單元沿一維或二維方向周期排列而成的無(wú)限大陣列。頻率選擇表面在水平和垂直兩個(gè)方向都是周期性的。圖2提供一個(gè)本發(fā)明所用頻率選擇表面的局部示意圖，即2×2的陣列圖，單元周期就是指尺寸P的大小。頻率選擇表面結(jié)構(gòu)2的材料是金屬銅，厚度為0.02mm。如圖2所示，頻率選擇表面的單元為正方形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且在每個(gè)邊的中間部位有一個(gè)矩形缺口。實(shí)施例中各尺寸分別為：周期P＝15mm，邊長(zhǎng)L＝13mm，環(huán)寬度W＝2mm，且在每條邊的中間部位有一個(gè)矩形缺口，缺口長(zhǎng)S＝3.25mm。

介質(zhì)承載結(jié)構(gòu)3是平板狀的柔性FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)4.4，損耗正切值0.02，厚度0.18mm。具體地，本發(fā)明采用的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)是在柔性的單面覆銅的FR4介質(zhì)板上，采用化學(xué)刻蝕技術(shù)制備。

能量損耗結(jié)構(gòu)4為平板狀的磁性介質(zhì)材料，由微觀結(jié)構(gòu)是片狀的羰基鐵粉、硅橡膠和硫化劑所組成。按質(zhì)量百分配比計(jì)算，羰基鐵粉為60％，硅橡膠為39.5％，硫化劑為0.5％。其中，微觀結(jié)構(gòu)為片狀的羰基鐵粉由球形羰基鐵粉通過(guò)球磨工藝獲得，球狀羰基鐵粉與鋼球的質(zhì)量比為1:10；球磨時(shí)間為12小時(shí)。按以上質(zhì)量百分配比準(zhǔn)備好原材料后，先通過(guò)煉膠機(jī)混煉3小時(shí)使它們混合均勻，然后再在硫化機(jī)上擠壓成型，硫化溫度為170℃，硫化時(shí)間為15分鐘，擠壓厚度為1mm。該材料在2-18GHz頻帶內(nèi)，其磁導(dǎo)率的實(shí)部為1～3.5，虛部為0.5～1.8；介電常數(shù)的實(shí)部為13～15，虛部為0～0.8。

金屬背板5的材料為鋁。

圖3為本實(shí)施例對(duì)垂直入射的TEM電磁波的反射率曲線圖。由圖可得，該微波吸收結(jié)構(gòu)在4-18GHz頻帶內(nèi)可以達(dá)到90％的微波能量吸收率，且在5.2GHz和9GHz有兩個(gè)諧振峰。

圖4為本實(shí)施例對(duì)不同極化角度的TE極化電磁波垂直入射的反射率曲線圖，由圖可得，該微波吸收結(jié)構(gòu)對(duì)0-45°極化的TE極化電磁波的反射率曲線幾乎重合。由于頻率選擇表面單元為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此該微波吸收結(jié)構(gòu)可以吸收任意極化角度的電磁波。

圖5為本實(shí)施例對(duì)斜入射角為15°的TE、TM極化電磁波的反射率曲線圖。由圖可得，當(dāng)斜入射角度為15°時(shí)，該微波吸收結(jié)構(gòu)無(wú)論對(duì)于TE還是TM極化電磁波，在4-18GHz頻帶內(nèi)都可以達(dá)到90％的微波能量吸收率。

圖6為本實(shí)施例對(duì)斜入射角為30°的TE、TM極化電磁波的反射率曲線圖，由圖可得，當(dāng)斜入射角度為30°時(shí)，在4-18GHz的頻帶內(nèi)，該微波吸收結(jié)構(gòu)對(duì)TE極化電磁波能達(dá)到84％以上的微波能量吸收率，對(duì)TM極化電磁波能達(dá)到93％以上的微波能量吸收率。

本專利主要發(fā)明點(diǎn)是結(jié)構(gòu)組成，以及磁性介質(zhì)材料和加工工藝，只要采用了專利中各層的結(jié)構(gòu)順序，且上下層磁性介質(zhì)材料的電磁特性與專利中的相似或一致，那么，再采用這種簡(jiǎn)單單元形狀的頻率選擇表面就可以滿足寬帶的要求。一些別的復(fù)雜形狀的頻率選擇表面單元也可以達(dá)到這種寬帶要求。在研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，任意一種形狀，在2-18GHz的范圍內(nèi)，只要其周期選為15mm，通過(guò)合適的設(shè)計(jì)都可以達(dá)到這樣的帶寬。因此，本專利所選用的頻率選擇表面，形狀是什么不重要，最重要的是形狀的周期為15mm。除周期外的尺寸要根據(jù)具體的形狀，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)確定。一般上，當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，單元周期越大，諧振頻率越低；單元間距越小(即圖2中P減去L的差值)，諧振頻率越低。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。