CN105098374A - 一种超宽带的电磁吸波结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带的电磁吸波结构，在金属地板和介质覆层之间间隔有空气层，紧耦合阵列设置在介质覆层靠近金属地板一侧的表面；所述的紧耦合阵列由周期排列的对称振子组成；每个对称振子的中心接一个电阻，电阻阻值与对称振子的中心输入阻抗匹配，相邻对称振子的振子臂通过插指电容连接。本发明基于紧耦合阵列技术来设计，具有超宽带的特点。

Description

一种超宽带的电磁吸波结构

技术领域

本发明属于电磁吸波结构技术领域，具体涉及一种基于紧耦合阵列技术的超宽带电磁吸波结构。

背景技术

电磁吸波材料可分为涂覆型和结构型。涂覆型吸波材料是将具有吸波性能的粉末、纤维等吸收剂与粘结剂混合形成的涂料。结构型吸波材料具有吸波和承载物体两种功能，常见的结构型吸波材料有Salisbury屏、Jaumann吸波体、几何渐变吸波体、蜂窝吸波结构、波纹结构和周期吸波结构等。

周期吸波结构通常采用有耗频率选择表面(FrequencySelectiveSurface,FSS)或电磁超材料(Metamaterial)技术来实现。有耗频率选择表面吸波结构是由有耗介质与频率选择表面复合而成的吸波材料。最初应用于有耗频率选择表面吸波结构中的一般是方格栅型或十字型等简单形式的，其形式一般为完全导电的金属薄膜或涂层。随着数值计算水平的不断提高和制备技术的发展，逐渐有一些新型的结构应用在有耗频率选择表面吸波结构中。超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。基于电磁超材料的吸波体最早由N.I.Landy等人于2008年提出。随着研究的不断深入，人们设计出了各式各样的超材料结构，如树枝状的吸收器、注重宽角度吸收的理想吸波体、双频甚至多频吸波体、宽频带的理想吸波体、可调谐型的理想吸波体等。

比如，文献“汤洋,高劲松,王岩松,徐念喜,陈新.基于频率选择表面的超轻薄宽带吸波材料.发明专利，申请号：201310613651.3”公布了一种采用频率选择表面技术的吸波结构。在8～23GHz范围内具有-10dB以下的反射系数，结构的厚度为3mm，即厚度为最低工作频率处波长的0.08倍时，90％吸波率的带宽为2.9:1。

文献“BingWang,BoYiGong,MeiWang,BingWeng,XiaopengZhao.Dendriticwidebandmetamaterialabsorberbasedonresistancefilm.AppliedPhysicsA,2015,118(4):1559-1563”公布了一种采用超材料技术的吸波结构。超材料的单元结构为树枝状，80％吸波率的带宽为3.5:1，结构的厚度为最低工作频率处波长的0.08倍。

然而，频率选择表面和超材料均是一种谐振结构，因此它们都是窄带工作。虽然可以采用有耗的材料和多谐的方式增加吸波带宽，但是带宽增加的程度不大，一定程度限制了它们的应用范围。

发明内容

为了克服现有技术带宽较窄的不足，本发明提供了一种超宽带的电磁吸波结构，该结构基于紧耦合阵列技术来设计，具有超宽带的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括金属地板、空气层、紧耦合阵列和介质覆层；所述的金属地板和介质覆层之间间隔有空气层，紧耦合阵列设置在介质覆层靠近金属地板一侧的表面；所述的紧耦合阵列由周期排列的对称振子组成；每个对称振子的中心接一个电阻，电阻阻值与对称振子的中心输入阻抗匹配，相邻对称振子的振子臂通过插指电容连接。

本发明的有益效果是：本发明所述的电磁吸波结构具有超宽带的特性，产生该有益效果的原因是：紧耦合阵列天线是一种低剖面超宽带的天线阵列，其带宽随着单元间耦合度的增加而增加；当紧耦合阵列天线处于辐射状态时，可以在很宽的频段内将来自馈源的能量辐射出去；当紧耦合阵列天线处于接收状态时，可以在很宽的频段内将照射到该阵列上的能量接收下来送到接收机；如果将紧耦合阵列天线每个单元的馈源都换成电阻，根据互易性，则该阵列可以在很宽的频段内将照射到该阵列上的能量接收下来送到电阻上消耗掉，即实现了超宽带的吸波效果。

附图说明

图1是紧耦合天线阵列的原理示意图。

图2是基于紧耦合天线阵列的电磁吸波结构的原理示意图

图3是本发明超宽带电磁吸波结构的示意图。

图4是图3中一个周期单元的示意图。

图5是图4的侧视图。

图6是图4的顶视图。

图7是本发明超宽带电磁吸波结构的等效电路图。

图8是本发明超宽带电磁吸波结构的反射系数曲线图。

图中，1-金属地板，2-空气层，3-紧耦合阵列，4-介质覆层，31-电阻，32-对称振子，33-插指电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

电磁吸波结构由金属地板、空气层、紧耦合阵列和介质覆层组成；空气层位于金属地板和紧耦合阵列之间，紧耦合阵列设置在介质覆层的下表面；紧耦合阵列由周期排列的对称振子组成；每个对称振子的中心焊接一个电阻(根据中心的输入阻抗给出匹配电阻)，相邻对称振子之间通过插指电容连接在一起。

紧耦合阵列天线可以采用紧耦合的偶极子天线阵列来实现，如图1所示。将图1中紧耦合阵列天线的馈源用电阻来代替，就变成了TCA吸波结构，如图2所示。在图2中，d为结构的周期，h为结构的高度，电阻的阻值为R，振子之间具有耦合电容C，振子具有等效的电感L。

参照图3～6，本发明由金属地板1、空气层2、紧耦合阵列层3和介质覆层4组成。紧耦合阵列层3的每个单元由电阻31、对称振子32和插指电容33组成。对称振子32和插指电容33为金属材料，采用蚀刻等工艺方式设置在介质覆层4的下表面。电阻31焊接在对称振子32的中间。

当电磁波垂直入射在紧耦合阵列吸波结构时，并且极化方向和振子平行，则紧耦合阵列层3的每个单元中的电阻31、对称振子32和插指电容33可以等效为RLC的串联谐振回路。空气层2可以等效为长度h、特征阻抗Z₀＝377Ω的短路传输线。厚度为h₁、相对介电常数为ε_r的介质覆层4可以等效为长度h₁、特征阻抗Z₀₁的传输线。介质覆层4上方的自由空间可以等效为特征阻抗Z₀的无限长传输线，等效电路如图7所示。

长度为h，特征阻抗为Z₀，终端短路的传输线的输入阻抗为：

Z₁＝jZ₀tanβh(1)

其中β为相位常数。RLC串联谐振回路的输入阻抗为：

$Z_2=R+j\mathrm{\ω}L+\frac{1}{j\mathrm{\ω}C}---\left(2\right)$

终端短路的传输线输入阻抗与RLC串联谐振回路输入阻抗的并联，阻抗可以表示为

$Z_3=\frac{Z_1{Z}_2}{Z_1+Z_2}---\left(3\right)$

Z₃经过一段长度为h₁、特性阻抗为Z₀₁的传输线之后，其阻抗变为：

$Z_4=Z_{01}\frac{Z_3+{\mathrm{jZ}}_{01}tan\left({\mathrm{\β}}_1{h}_1\right)}{Z_{01}+{\mathrm{jZ}}_{3}tan\left({\mathrm{\β}}_1{h}_1\right)}---\left(4\right)$

其中，特征阻抗Z₀₁和相位常数β₁为：

$Z_{01}=\frac{Z_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\β}}_1={\mathrm{\β}}_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}---\left(6\right)$

最终在介质覆层4上方的反射系数为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{Z_4-Z_0}{Z_4+Z_0}---\left(7\right)$

选择不同的参数，可以根据式(1)～式(7)计算紧耦合阵列吸波结构的带宽。在该实施例中，选择的参数为：R＝160Ω，L＝509pH，C＝0.5pF，h＝7.5mm，h₁＝3.8mm，ε_r＝4。根据这些参数，计算出的反射系数曲线为图8所示。从图8可以看出，反射系数优于-10dB的频率范围为2.4～16.7GHz，达到了6.9个倍频程。2.4GHz时的波长为125mm，这时结构的总厚度为最低频率波长的0.09倍。

上面的L和C是对称振子32和插指电容33的等效电感和等效电容。在实际的吸波结构中，需要通过改变对称振子32和插指电容33的几何参数来改变他们的等效电感和等效电容。在该实施例中，如图6所示，每个单元为边长为4mm的正方形。电阻31放置在单元的中心，形状为1mm×0.5mm的矩形。对称振子32一个臂的长度为1.5mm，宽度为0.6mm。插指电容33嵌入在对称振子32中，对称振子32一个臂上毎个指的宽度为0.12mm，指长为1.192mm，指间的宽度为0.12mm。

Claims (1)

1.一种超宽带的电磁吸波结构，包括金属地板、空气层、紧耦合阵列和介质覆层，其特征在于：所述的金属地板和介质覆层之间间隔有空气层，紧耦合阵列设置在介质覆层靠近金属地板一侧的表面；所述的紧耦合阵列由周期排列的对称振子组成；每个对称振子的中心接一个电阻，电阻阻值与对称振子的中心输入阻抗匹配，相邻对称振子的振子臂通过插指电容连接。