本發(fā)明涉及電磁波頻率選擇表面技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一種空間濾波器，可以對(duì)入射到其上的電磁波表現(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)帶通、帶阻特性，對(duì)電磁波具有頻率選擇的濾波作用。一般來說，典型的頻率選擇表面是由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性開孔的孔徑構(gòu)成的二維或三維周期結(jié)構(gòu)。因其特定的頻率選擇特性可廣泛地應(yīng)用于微波、紅外等頻段的雷達(dá)天線罩和天線反射面等領(lǐng)域。目前大部分頻率選擇表面是基于金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。金屬結(jié)構(gòu)雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，如易于設(shè)計(jì)和制作，與現(xiàn)有的微波電子工程工藝兼容較好，但是它也具有一些難以避免的缺點(diǎn)，例如在空氣中易于氧化、耐腐蝕性能較差等。此外，金屬結(jié)構(gòu)一旦完成設(shè)計(jì)，就保持原有形態(tài)，難以發(fā)生改變。金屬材料自身物理特性的局限性，使得金屬基元頻率選擇表面在低可探測性和耐腐蝕等方面表現(xiàn)不夠好，而且在航海、軍事等高技術(shù)指標(biāo)下不能較好的滿足需求。具有高介電常數(shù)的介質(zhì)材料可用于設(shè)計(jì)帶通、帶阻型頻率選擇表面，但制作周期長，成本高，雖然能解決耐氧化、耐高溫、耐腐蝕等問題，但依然存在原有設(shè)計(jì)形態(tài)難以改變，損壞后難以修復(fù)等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種制備工藝簡單、制備成本低、器件制作可就地取材并具有可實(shí)時(shí)修復(fù)功能的基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面的設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面的設(shè)計(jì)方法，具體包括如下步驟：

(1)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及同軸探頭測試附件測試水或水溶液在不同溫度和頻率下的相對(duì)介電常數(shù)及介電損耗；

(2)針對(duì)需要的工作頻段和工作環(huán)境的溫度要求，對(duì)水或水溶液選取方形、球形、柱形或漁網(wǎng)形幾何形狀中的一種；

(3)根據(jù)步驟(1)中所測得的水或水溶液的相對(duì)介電常數(shù)、介電損耗以及步驟(2)中所選取的水或水溶液的幾何形狀，使用電磁仿真軟件對(duì)基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)頻率選擇表面的透射率和反射率進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化得到水或水溶液的幾何形狀和幾何尺寸；

(4)將低介電常數(shù)材料加工成幾何形狀和幾何尺寸與步驟(3)中所確定的水或水溶液的幾何形狀和幾何尺寸相同的封裝模具，使該封裝模具能對(duì)水或水溶液進(jìn)行封裝；

(5)將水或水溶液裝入加工好的模具中密封，制作成基于水的頻率選擇表面。

較佳地，所述的頻率選擇表面為帶通型或帶阻型頻率選擇表面。

較佳地，所述的水的形態(tài)為液體形態(tài)，水的類型是蒸餾水、去離子水、純凈水或海水。

較佳地，所述的水溶液是添加無機(jī)或有機(jī)溶劑的水溶液，且所述水溶液中至少含有質(zhì)量百分比為50％的水。

較佳地，通過加熱與保溫的方式改變頻率選擇表面的工作頻段，制作可調(diào)頻率選擇表面。

較佳地，所述的低介電常數(shù)介質(zhì)材料包括光敏樹脂、ABS塑料、PPR管材以及PVC管材。

較佳地，所述的低介電常數(shù)介質(zhì)材料，其相對(duì)介電常數(shù)的范圍為1-10。

較佳地，步驟(4)中所述的將低介電常數(shù)材料加工成特殊形狀的模具，其加工方式包括注模成型、3D打印、機(jī)加工方式。

較佳地，步驟(3)中所述的電磁仿真軟件為CST、HFSS、FEKO電磁仿真軟件。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明將能夠透射電磁波的低介電常數(shù)介質(zhì)材料加工成特殊結(jié)構(gòu)的模具，將高介電常數(shù)的水或水溶液裝入模具中，利用水或水溶液的介電性能及被模具塑成的特殊形狀構(gòu)成超材料頻率選擇表面。本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于水或水溶液設(shè)計(jì)的超材料頻率選擇表面具有較好的性能，并可在不工作時(shí)進(jìn)行放水處理，以降低其可探測性。

(2)本發(fā)明具有制備工藝簡單，制備成本低的優(yōu)點(diǎn)，且制作過程環(huán)保。

(3)用水或水溶液制成的器件易于加工和修復(fù)，器件制作可就地取材，并具有可實(shí)時(shí)修復(fù)的功能。

(4)水或水溶液在不同的溫度和頻段下，其本身參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，可通過加熱與保溫的方式改變器件的工作頻段，制作可調(diào)器件。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1為使用本發(fā)明方法制作的一種基于水或水溶液的立方陣列型頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明基于水或水溶液的立方陣列型頻率選擇表面的電磁散射參數(shù)。

圖3為本發(fā)明基于水或水溶液的頻率選擇表面中水在特定頻段入射電磁波下激發(fā)出的電磁諧振模式。其中圖(A)為第一個(gè)諧振點(diǎn)的電場矢量分布，圖(B)為第一個(gè)諧振點(diǎn)的磁場矢量分布，圖(C)為第二個(gè)諧振點(diǎn)的電場矢量分布，圖(D)為第二個(gè)諧振點(diǎn)的磁場矢量分布。

圖4為使用本發(fā)明方法制作的一種基于水或水溶液的漁網(wǎng)型頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明基于水或水溶液的漁網(wǎng)型頻率選擇表面的電磁散射參數(shù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

水作為一種高介電常數(shù)材料，可用于設(shè)計(jì)頻率選擇表面。水是一種易于尋求的材料，需要時(shí)可以就地取材，并且具有很好的流動(dòng)性。因此，利用水制作的器件一旦受損，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修復(fù)。水溶液可以在水的基礎(chǔ)上通過添加有機(jī)溶劑獲得(所添加的有機(jī)溶劑可以是乙醇、丙醇等醇類溶劑，也可以是防凍液)，在保證其具有高介電常數(shù)特性的同時(shí)，對(duì)其他物理特性進(jìn)行調(diào)制。例如，對(duì)介電常數(shù)的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)、對(duì)溶劑的浸潤性進(jìn)行調(diào)節(jié)、對(duì)溶劑的抗凍特性進(jìn)行調(diào)節(jié)等。通過添加有機(jī)溶劑引起的物理特性的改善，可提高基于水制作的超材料頻率選擇表面的性能。

本發(fā)明提供了一種基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面的設(shè)計(jì)方法，該方法將能夠透射電磁波的低介電常數(shù)介質(zhì)材料加工成特殊結(jié)構(gòu)的模具，將高介電常數(shù)的水或水溶液裝入模具中，利用水或水溶液的介電性能及被模具塑成的特殊形狀構(gòu)成超材料頻率選擇表面；具體包括如下步驟：

(1)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及同軸探頭測試附件測試水或水溶液在不同溫度和頻率下的相對(duì)介電常數(shù)及介電損耗；

(2)針對(duì)需要的工作頻段和工作環(huán)境的溫度要求，對(duì)水或水溶液選取所應(yīng)選取的方形、球形、柱形或漁網(wǎng)形幾何形狀，具體的幾何形狀選取依據(jù)制作成本和對(duì)工作頻段電磁傳輸特性的要求而定；

(3)使用電磁仿真軟件對(duì)基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)頻率選擇表面的透射率和反射率進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化得到水或水溶液的幾何形狀和幾何尺寸；優(yōu)化后的水或水溶液具有確定的幾何形狀和幾何尺寸，可以起到介質(zhì)諧振器的作用，利用磁諧振和電諧振造成阻抗失配/匹配，并導(dǎo)致阻帶/通帶的形成；

(4)將低介電常數(shù)材料加工成幾何形狀和幾何尺寸與步驟(2)和步驟(3)中所確定的水或水溶液的幾何形狀和幾何尺寸相同的封裝模具，使該封裝模具能對(duì)水或水溶液進(jìn)行封裝；

(5)將水或水溶液裝入加工好的模具中密封，制作成基于水的頻率選擇表面。

最后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和自由空間測試方法對(duì)所制備的頻率選擇表面進(jìn)行電磁傳輸特性的測試；對(duì)于符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的頻率選擇表面，按通/阻帶、中心頻率的指標(biāo)選擇應(yīng)用領(lǐng)域；對(duì)于與設(shè)計(jì)指標(biāo)不符的頻率選擇表面，重復(fù)步驟(3)至步驟(6)進(jìn)行幾何尺寸的調(diào)整，使制作的頻率選擇表面符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述的頻率選擇表面為帶通型或帶阻型頻率選擇表面，通或阻的頻率選擇特性來源于具有高介電常數(shù)的水或水溶液。

進(jìn)一步地，所述的水的形態(tài)為液體形態(tài)，水的類型是蒸餾水、去離子水、純凈水或海水。

進(jìn)一步地，所述的水溶液是添加無機(jī)或有機(jī)溶劑的水溶液(所添加的有機(jī)溶劑可以是乙醇、丙醇等醇類溶劑)，且所述水溶液中至少含有質(zhì)量百分比為50％的水。

進(jìn)一步地，基于所述的水或水溶液在不同的溫度和頻段下介電常數(shù)和介電損耗會(huì)發(fā)生變化的原理，通過加熱與保溫的方式改變頻率選擇表面的工作頻段，制作可調(diào)頻率選擇表面。

進(jìn)一步地，所述的低介電常數(shù)介質(zhì)材料包括光敏樹脂、ABS塑料、PPR管材、PVC管材在內(nèi)的具備低介電常數(shù)的材料。

進(jìn)一步地，所述的低介電常數(shù)介質(zhì)材料，其相對(duì)介電常數(shù)的范圍為1-10。

進(jìn)一步地，步驟(4)中所述的將低介電常數(shù)材料加工成特殊形狀的模具，其加工方式包括注模成型、3D打印、機(jī)加工方式。

進(jìn)一步地，步驟(3)中所述的電磁仿真軟件為CST電磁仿真軟件。

如圖1所示，為使用本發(fā)明方法制作的一種基于水或水溶液的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中方塊形結(jié)構(gòu)尺寸為：a＝b＝28mm,d＝35mm,Px＝38mm,Py＝38mm。本發(fā)明的基于水或水溶液的頻率選擇表面具有簡單的結(jié)構(gòu)，利用水或水溶液的高介電常數(shù)特性，對(duì)其形狀和尺寸在空間上進(jìn)行限定。尺寸受限的高介電常數(shù)材料在特定頻率電磁波入射下可以產(chǎn)生諧振增強(qiáng)的電磁模式，從而對(duì)電磁波產(chǎn)生頻率選擇特性的傳輸或阻斷作用。

基于水或水溶液的頻率選擇表面，水或水溶液的空間形態(tài)由低介材料進(jìn)行限定?？稍诖_定基本結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)要求的工作頻帶、通阻模式進(jìn)行FSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是確定最優(yōu)參數(shù)，包括水或水溶液的介電常數(shù)、損耗、幾何形狀和尺寸，周期單元結(jié)構(gòu)的尺寸和周期排布方式，封裝基體的介電常數(shù)、介電損耗等。

如圖2所示，所述基于水或水溶液的頻率選擇表面，主要是在微波頻段對(duì)入射到其上的電磁波產(chǎn)生傳輸或反射的效果。具體效果可由電磁散射參數(shù)表示。電磁散射參數(shù)中的S₂₁表示傳輸系數(shù)，S₁₁表示反射系數(shù)。對(duì)于S參數(shù)，其幅值的取值在0到1之間。S₁₁接近于1表明頻率選擇表面在相應(yīng)的頻段具有近乎完全的反射率，能夠使入射到其上的電磁波高效反射。同理，S₂₁接近于1表明頻率選擇表面在相應(yīng)的頻段能夠高效的透過入射電磁波。

如圖3所示，所述基于水或水溶液的頻率選擇表面，其性能主要來源于水或水溶液的高介電常數(shù)特性。利用高介電常數(shù)特性，將水或水溶液制成一定形狀、一定尺寸的單元結(jié)構(gòu)，并通過周期或準(zhǔn)周期的方式進(jìn)行排布。上述結(jié)構(gòu)即可在特定頻段的入射電磁波下激發(fā)出圖示的電磁模式，或是圖示模式的變形模式。該模式的特征為在高介電常數(shù)的水或水溶液內(nèi)部存在諧振增強(qiáng)的位移電流，位移電流的具體模式與水或水溶液的幾何形狀、幾何尺寸、入射電磁波的波長有關(guān)。位移電流的諧振能夠改變基于水或水溶液的頻率選擇表面的表面阻抗，從而改變頻率選擇表面在不同頻率下入射電磁波的響應(yīng)特性。

如圖4所示，為使用本發(fā)明方法制作的一種基于水或水溶液的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中所示為漁網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。尺寸為：a＝16mm,b＝20mm,d＝9.6mm,Px＝Py＝20mm。

如圖5所示，所述基于水或水溶液的漁網(wǎng)型頻率選擇表面，主要是在微波頻段對(duì)入射到其上的電磁波產(chǎn)生傳輸或反射的效果。具體效果可由電磁散射參數(shù)表示。電磁散射參數(shù)中的S₂₁表示傳輸系數(shù)，S₁₁表示反射系數(shù)。對(duì)于S參數(shù)，其幅值的取值在0到1之間。S₁₁接近于1表明頻率選擇表面在相應(yīng)的頻段具有近乎完全的反射率，能夠使入射到其上的電磁波高效反射。同理，S₂₁接近于1表明頻率選擇表面在相應(yīng)的頻段能夠高效的透過入射電磁波。

下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

實(shí)例一

參見圖1，本實(shí)例使用立方陣列結(jié)構(gòu)，模型圖中a＝28mm,b＝28mm,d＝35mm,Px＝38mm,Py＝38mm。參見圖2，頻率選擇表面阻帶的工作頻帶為0.895-1.205GHz。所使用的原材料包括3D打印的對(duì)電磁波幾乎無影響的具有低介電常數(shù)的光敏樹脂材料，蒸餾水。

本實(shí)例的準(zhǔn)備過程為：

(1)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及同軸探頭測試附件測試蒸餾水在不同溫度和頻率下的介電常數(shù)及介電損耗。

(2)針對(duì)需要的工作頻段選取適當(dāng)?shù)臏囟群徒Y(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)本例應(yīng)用于室溫25℃下，頻段在0.6-1.6GHz，水的相對(duì)介電常數(shù)在78左右。使用電磁仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，優(yōu)化透射和反射率，通過優(yōu)化得到相關(guān)幾何尺寸。本例中的工作頻帶在0.895-1.205GHz,利用磁諧振和電諧振造成阻抗失配導(dǎo)致阻帶形成。

(4)利用3D打印技術(shù)將低介電常數(shù)材料打印成特殊形狀，使其能對(duì)特定尺寸與特定形狀的水進(jìn)行封裝。

(5)將蒸餾水灌入打印好的模具中密封，制作成基于水的頻率選擇表面。

(6)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器對(duì)所制備的頻率選擇表面進(jìn)行性能測試，主要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和自由空間測試方法對(duì)所制備的頻率選擇表面的電磁傳輸特性進(jìn)行測試，看其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

實(shí)例二

參見圖4，本實(shí)例使用漁網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，模型圖中a＝16mm,b＝20mm,d＝9.6mm,Px＝20mm,Py＝20mm。參見圖5，頻率選擇表面阻帶的工作頻帶為0.56-1.56GHz。所使用的原材料包括3D打印的對(duì)電磁波幾乎無影響的具有低介電常數(shù)的光敏樹脂材料，蒸餾水。

本實(shí)例的準(zhǔn)備過程為：

(1)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及同軸探頭測試附件測試蒸餾水在不同溫度和頻率下的介電常數(shù)及介電損耗。

(2)針對(duì)需要的工作頻段選取適當(dāng)?shù)臏囟群徒Y(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)本例應(yīng)用于室溫25℃下，頻段在0.1-2.4GHz，水的相對(duì)介電常數(shù)在78左右。使用電磁仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，優(yōu)化透射和反射率，通過優(yōu)化得到相關(guān)幾何尺寸。本例中的工作頻帶在0.56-1.56GHz,利用磁諧振和電諧振造成阻抗失配導(dǎo)致阻帶形成。

(4)利用3D打印技術(shù)將低介電常數(shù)材料打印成特殊形狀，使其能對(duì)特定尺寸與特定形狀的水進(jìn)行封裝。

(5)將蒸餾水灌入打印好的模具中密封，制作成基于水的頻率選擇表面。

(6)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器對(duì)所制備的頻率選擇表面進(jìn)行性能測試，主要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和自由空間測試方法對(duì)所制備的頻率選擇表面進(jìn)行電磁傳輸特性的測試，看其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本發(fā)明將能夠透射電磁波的低介電常數(shù)介質(zhì)材料加工成特殊結(jié)構(gòu)的模具，將高介電常數(shù)的水或水溶液裝入模具中，利用水或水溶液的介電性能及被模具塑成的特殊形狀構(gòu)成超材料頻率選擇表面。本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于水或水溶液設(shè)計(jì)的超材料頻率選擇表面具有較好的性能，并可在不工作時(shí)進(jìn)行放水處理，以降低其可探測性。

(2)本發(fā)明具有制備工藝簡單，制備成本低的優(yōu)點(diǎn)，且制作過程環(huán)保。

(3)用水或水溶液制成的器件易于加工和修復(fù)，器件制作可就地取材，并具有可實(shí)時(shí)修復(fù)的功能。

(4)水或水溶液在不同的溫度和頻段下，其本身參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，可通過加熱與保溫的方式改變器件的工作頻段，制作可調(diào)器件。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，但是，本發(fā)明實(shí)施例并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。