一种新型耐高温频率选择超表面结构

1.本实用新型属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种新型耐高温频率选择超表面结构。

背景技术：

2.电磁超表面是电磁超材料二维化、平面化的产物，由周期或准周期排列的亚波长尺寸单元结构组成，具有高效灵活的电磁调控能力，能广泛地运用于微波、红外、光学等领域。频率选择透波表面为电磁超表面的一种，针对透波频率的调控需求，频率选择透波表面具有透射频率选择功能，能够将需要的工作带内的电磁波透过表面结构，反射或者吸收工作带外电磁波，广泛运用在天线罩、空间滤波器、反射器等器件中。
3.目前电磁超表面设计技术发展迅速，常温下的电磁调控技术手段已经日渐完善。然而，目前常用的频率选择透波表面材料随着温度的升高，会发生如熔化、形变等变化，从而使超表面结构失去了原有的电磁性能，无法完全满足现实工作环境的需求。因此，有必要设计一种新型耐高温频率选择超表面结构。

技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种新型耐高温频率选择超表面结构，旨在解决现有频率选择超表面结构在高温环境下的介电性能无法保持，从而无法完全满足现实工作环境需求的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
6.一种新型耐高温频率选择超表面结构，包括金属结构层和介质层，介质层包含介质上层和介质下层，介质上层和介质下层相互平行设置，金属结构层设置于介质上层和介质下层之间，且金属结构层分别与介质上层和介质下层相连接，金属结构层为耶路撒冷十字结构。
7.优选的，金属结构层的单元结构周期长度p＝6mm，厚度d＝0.4mm，耶路撒冷十字结构的长度a＝5mm，宽度b＝2.2mm，金属线宽w＝0.3mm，金属结构层的厚度t＝0.02mm。
8.优选的，介质上层的厚度d1与介质下层d2的厚度相同。
9.进一步优选的，d1＝d2＝0.2mm。
10.优选的，金属结构层的材质为固态金属钨。
11.优选的，介质上层和介质下层的材质均为氮化铝陶瓷。
12.本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：
13.(1)本实用新型提供的新型耐高温频率选择超表面结构通过金属结构层的特殊结构设计，并通过金属结构层的特殊尺寸，例如周期、厚度、金属长度、宽度等特殊尺寸设计，能够实现工作频率的移动以及工作强度的变化，对于频率和效率的可调性强。
14.(2)本实用新型的结构具有耐高温能力，在室温～900℃环境下，x波段反射性能与k波段透射性能稳定。
15.(3)本实用新型的结构具有抗氧化能力，在900℃环境维持10分钟退热后电磁参数维持稳定。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在分解状态下的结构示意图。
17.图2为本实用新型实施例中的金属层的结构示意图。
18.图3为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构的右视剖面图。
19.图4为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构的20
×
20结构单元样品图。
20.图5为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在不同温度下的s参数仿真曲线图。
21.图6为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在不同温度下的透射率测试曲线图。
22.图7为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在900℃环境和y极化电磁波入射下于不同频率下的电流分布图；
23.其中，图7(a)为9.45ghz处的电流沿y分量的分布图；图7(b)为15.10ghz处的电流沿y分量的分布图；
24.图中：1、介质上层；2、金属结构层；3、介质下层。
具体实施方式
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.实施例1
27.如图1至图4所示，本实用新型实施例提供的新型耐高温频率选择超表面结构，包括金属结构层2和介质层，介质层包含介质上层1和介质下层3，介质上层1和介质下层3相互平行设置，金属结构层2设置于介质上层1和介质下层3之间，且金属结构层2分别与介质上层1和介质下层3相连接，其特征在于，所述金属结构层2为耶路撒冷十字结构，本实用新型实施例通过将金属结构层设计为特殊的耶路撒冷十字结构，由于金属耶路撒冷十字结构的等效电路模型中具有电容、电感以及电阻，所以通过将耶路撒冷十字结构特殊的尺寸参数设计能够改变超表面结构的等效电容值、电感值从而实现频率选择谐振频率的控制。
28.本实用新型实施例提供的新型耐高温频率选择超表面结构的制备方法，包括以下步骤：
29.(1)通过生瓷片层压形成介质下层3；
30.(2)在介质下层3的表面通过印刷丝网工艺印刷金属结构层2；
31.(3)通过生瓷片在金属结构层2和介质下层3的表面层压覆盖得到介质上层1，最后烧结成型得到新型耐高温频率选择超表面结构。本实用新型实施例得到的新型耐高温频率选择超表面结构中的介质上层1和介质下层3之间无缝隙，为一体结构，金属结构层2设置于
介质上层1和介质下层3之间的夹层中。
32.本实用新型实施例上述制备工艺为现有工艺，具体可参考公开号为cn109053196b的发明专利中共烧陶瓷的制备工艺。
33.金属结构层2的单元结构周期长度p＝6mm，厚度d＝0.4mm，耶路撒冷十字结构的长度a＝5mm，宽度b＝2.2mm，金属线宽w＝0.3mm，金属结构层2的厚度t＝0.02mm。
34.介质上层1的厚度d1与介质下层3的厚度d2相同。d1＝d2＝0.2mm。
35.金属结构层2的材质为固态金属钨。固态金属钨的熔点大于3000℃，导电率为1.88
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107s/m，在900℃内，使得夹层结构能够具有抗氧化、保持良好的金属导电性能。
36.介质上层1和介质下层3的材质均为氮化铝陶瓷。
37.本实用新型实施例对介质上层1和介质下层3在不同温度下的电磁性能进行了测试，具体通过高温波导腔(型号为retrl0812ht1000)在不同温度下测得，通过将介质上层1和介质下层3分别切割成x与ku波段需要的尺寸进行波导测试得出的，测试结果为：
38.介质上层1和介质下层3在室温环境下、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.8
±
0.1，介电损耗角正切为0.006
±
0.002。
39.介质上层1和介质下层3在300℃、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.8
±
0.1，介电损耗角正切为0.012
±
0.002。
40.介质上层1和介质下层3在600℃、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.8
±
0.1，介电损耗角正切为0.014
±
0.003。
41.介质上层1和介质下层3在900℃、8～18ghz范围内的相对介电常数为7.8
±
0.1，介电损耗角正切为0.027
±
0.003。
42.通过上述电磁性能的测试结果说明介质的介电参数随温度变化保持相对稳定。
43.为了验证本实用新型实施例提供的新型耐高温频率选择超表面结构的效果，下面进行仿真模拟和实验验证。
44.图5为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在不同温度下线极化波入射的s参数曲线。仿真过程在cst微波工作室中进行，其中s11表示反射曲线，s21表示透射曲线。从室温到900℃变化过程中，s参数曲线没有发生明显的变化，说明了本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在高温下频率选择的稳定性，即x波段反射与k波段透射。
45.图6为本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在不同温度下y极化波入射的透射率测试曲线。测试过程中，将结构样品放置在石英加热箱中，在室温、300℃、600℃和900℃温度测试点保温10分钟后分别进行透射率测试，在不同温度下的测试曲线结果相近，验证了仿真结果和设计理论，证实了本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构具有抗氧化能力，在高温环境下电磁参数维持稳定。
46.此外，如图7所示，本实用新型实施例提供的耐高温频率选择超表面结构在900℃环境和y极化电磁波入射下于不同频率处的电流分布结果如图7所示，通过图7可以看出，当频率为15.1ghz(工作频率)时，耐高温频率选择超表面结构的表面电流分布强，体现出了强谐振效应；而当频率为9.45ghz(非工作频率)时，耐高温频率选择超表面结构的表面电流分布弱，此时超表面无透波效果。同时当频率为15.1ghz时，电流主要分布在y轴，对应了y极化入射(x轴无电流)，说明了耐高温频率选择超表面结构在透射时发挥了良好的作用。
47.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种新型耐高温频率选择超表面结构，包括金属结构层(2)和介质层，介质层包含介质上层(1)和介质下层(3)，介质上层(1)和介质下层(3)相互平行设置，金属结构层(2)设置于介质上层(1)和介质下层(3)之间，且金属结构层(2)分别与介质上层(1)和介质下层(3)相连接，其特征在于，所述金属结构层(2)为耶路撒冷十字结构。2.如权利要求1所述的新型耐高温频率选择超表面结构，其特征在于，所述金属结构层(2)的单元结构周期长度p＝6mm，厚度d＝0.4mm，耶路撒冷十字结构的长度a＝5mm，宽度b＝2.2mm，金属线宽w＝0.3mm，金属结构层(2)的厚度t＝0.02mm。3.如权利要求1所述的新型耐高温频率选择超表面结构，其特征在于，所述介质上层(1)的厚度d1与介质下层(3)的厚度d2相同。4.如权利要求3所述的新型耐高温频率选择超表面结构，其特征在于，所述d1＝d2＝0.2mm。5.如权利要求1所述的新型耐高温频率选择超表面结构，其特征在于，所述金属结构层(2)的材质为固态金属钨。6.如权利要求1所述的新型耐高温频率选择超表面结构，其特征在于，所述介质上层(1)和介质下层(3)的材质均为氮化铝陶瓷。

技术总结

本实用新型公开了一种新型耐高温频率选择超表面结构，属于新型人工电磁材料技术领域，包括金属结构层和介质层，介质层包含介质上层和介质下层，介质上层和介质下层相互平行设置，金属结构层设置于介质上层和介质下层之间，且金属结构层分别与介质上层和介质下层相连接，金属结构层为耶路撒冷十字结构。本实用新型提供的新型耐高温频率选择超表面结构能够解决频率选择超表面结构在高温环境下的介电性能无法保持，从而无法完全满足现实工作环境需求的技术问题。境需求的技术问题。境需求的技术问题。