CN107069234B - 一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构及其应用，包括介质支撑板、设置于介质支撑板上下的八边形金属环频率选择表面与八边形环槽缝频率选择表面；所述八边形金属环频率选择表面包括上介质衬底和具有间隙的八边形开口金属环，所述上介质衬底位于八边形开口金属环和介质支撑板之间，所述间隙设置在八边形开口金属环的十字对称的四条边上，所述间隙内设置贴片电阻，所述八边形环槽缝频率选择表面包括下介质衬底和多个呈阵列排布的八边形环槽缝，所述下介质衬底位于八边形环槽缝和介质支撑板之间。本发明电磁带隙结构在吸收频带具有吸波频带宽，吸波能力强的优点，既可作为吸波结构单独使用，又可作为隐身天线罩使用，实现吸波传输一体化。

Description

一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构及其应用

技术领域

本发明涉及一种电磁结构材料，尤其涉及的是一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构及其应用。

背景技术

频率选择表面通常为二维周期性金属贴片或金属开槽结构，对空间传输的电磁波具有频率选择特性，可用于电磁结构材料的设计。电磁带隙结构是一种自然界中不存在的特殊电磁结构，具有频率带隙特性、慢波特性、同相反射特性等特殊性能。采用频率选择表面及电子元器件可设计制备具备特种性能的电磁带隙结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构及其应用，可以满足装备平台隐身设计和电子设备电磁噪声抑制的应用需求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述电磁带隙结构为多个周期性单元排布而成，每个所述单元包括介质支撑板、设置于介质支撑板上下的八边形金属环频率选择表面与八边形环槽缝频率选择表面；所述八边形金属环频率选择表面包括上介质衬底和具有间隙的八边形开口金属环，所述上介质衬底位于八边形开口金属环和介质支撑板之间，所述间隙设置在八边形开口金属环的十字对称的四条边上，所述间隙内设置贴片电阻，所述八边形环槽缝频率选择表面包括下介质衬底和多个呈阵列排布的八边形环槽缝，所述下介质衬底位于八边形环槽缝和介质支撑板之间。

所述八边形金属环频率选择表面和八边形环槽缝频率选择表面为微带板结构。可以在微带板结构上加工需要的金属形状。

作为本发明的优选方式之一，所述贴片电阻的长度大于对应间隙的长度。

作为本发明的优选方式之一，所述贴片电阻焊接在对应的间隙上将八边形开口金属环连通。

作为本发明的优选方式之一，所述介质支撑板选自蜂窝芯、陶瓷和泡沫类介质中的一种。

能够最大限度的降低重量同时满足小厚度需要，实现绝缘和支撑的作用。

作为本发明的优选方式之一，所述上介质衬底的上表面为八边形开口金属环，所述上介质衬底的下表面为非金属表面，所述下介质衬底的上表面为非金属表面，所述下介质衬底的下表面上设置八边形环槽缝，所述下介质衬底的上表面连接介质支撑板，所述下介质衬底的下表面除八边形环槽缝外均为金属表面。

作为本发明的优选方式之一，所述八边形开口金属环和下介质衬底的下表面的金属表面分别具有镀金保护层。可以保护金属表面防划伤、氧化、腐蚀等。

作为本发明的优选方式之一，所述电磁带隙结构的外表面上沉积介质保护膜层。能够适用不同的使用工况。

所述八边形开口金属环和八边形环槽缝均为正八边形。正八边形为对称结构，对于不同极化电磁波，电磁性能稳定。

八边形环槽缝频率选择表面是用于透过一定频率的电磁波，从而使电磁带隙结构具备窄带传输特性。另外八边形金属环频率选择表面在此频带也必须是透波的。采用多个八边形环槽缝组成阵列形式，是用于确定某个特定传输频带，传输频率与八边形环槽缝的大小及宽度有关，同时需保证传输频带不与电磁带隙结构的吸收频带重合。

一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构在平面隐身天线罩中的应用。可作为平面天线罩的中间夹层，承担吸波传输承载一体化的功能，使平面天线罩具备超宽带隐身性能。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的电磁带隙结构在吸收频带具有吸波频带宽，吸波能力强的优点，在传输频带具有传输损耗小的优点，既可作为吸波结构单独使用，又可作为隐身天线罩使用，实现吸波传输一体化。本发明的电磁带隙结构具备很好的极化稳定性，对斜入射电磁波，也具备很好的吸波效果；作为平面隐身天线罩使用，不但具备普通天线罩难以达到的超宽带隐身性能，而且具备传输损耗小，具备吸波传输承载一体化功能。本发明的电磁带隙结构质量轻、厚度薄、结构简单、加工简单、制备工艺成熟、可靠性高、成本低，可灵活应用于武器装备平台隐身及电子产品噪声抑制，具备较高的军用、民用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是八边形金属环频率选择表面上八边形开口金属环的结构示意图；

图3是八边形环槽缝频率选择表面上八边形环槽缝的结构示意图；

图4是电磁带隙结构在TE极化波和TM极化波垂直照射下的反射特性和传输特性；

图5是电磁带隙结构在TE极化波和TM极化波在不同入射角照射下的吸收率。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例电磁带隙结构为多个周期性单元排布而成，每个所述单元包括介质支撑板3、八边形金属环频率选择表面1与八边形环槽缝频率选择表面5；所述八边形金属环频率选择表面1包括上介质衬底2和具有间隙的八边形开口金属环，所述间隙设置在八边形开口金属环的十字对称的四条边上，所述间隙内焊接贴片电阻6，所述八边形环槽缝频率选择表面5包括下介质衬底4和多个呈阵列排布的八边形环槽缝，上介质衬底2设置在八边形开口金属环与介质支撑板3之间，所述下介质衬底4设置在八边形环槽缝与介质支撑板3之间。

上介质衬底2的上表面为八边形开口金属环，下表面无金属图案；下介质衬底4的上表面无金属图案，下表面除了八边形环槽缝外全部为金属表面。

本实施例的八边形金属环频率选择表面1与八边形环槽缝频率选择表面5可以采用单面或双面覆铜板，然后通过印制电路板工艺制备，采用化学腐蚀法或刻蚀法，在覆铜板上制备出八边形金属环及八边形环槽缝。覆铜板的材质可根据应用环境合理选择。为保护金属表面，可对金属图案采取镀金保护。

将贴片电阻6焊接在对应的间隙上将八边形开口金属环连通。使用锡焊焊接实现金属接触导通。其他实施例中也可以使用低温焊料，采用回流焊设备完成贴片电阻6的焊接。

八边形金属环频率选择表面1、八边形环槽缝频率选择表面5和介质支撑板3需要进行有效平整固定，可选用特种胶水/胶片粘合固定，也可用螺钉等其他固定方式固定。

根据应用环境需要，可对制备的电磁带隙结构进一步做环境适应性保护，例如为了防水、应对酸碱盐雾等不利环境，对电子带隙吸波结构进行化学气相沉积，生长一层介质保护膜层。

电磁带隙结构制备材料、方法、工艺十分灵活，可根据应用平台外形及大小尺寸，进行一体化加工，也可以固定电磁带隙结构的大小进行批量生产，然后像使用瓷砖一样切割、拼接、铺设到使用平台表面或内部。

本实施例的覆铜板材质为Rogers 5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm。八边形金属环频率选择表面1的结构如图2所示，尺寸参数如下：a＝b＝17.12mm，w＝2.17mm，g＝1.6mm，aa＝6.3mm。八边形环槽缝频率选择表面5如图3所示，底层的八边形环槽缝频率选择表面5包含有9个以方形阵列排列的八边形环，c＝5.7mm，d＝4.43mm，ww2＝0.37mm。

本实施例采用轻质泡沫板作为介质支撑板3，轻质泡沫板相对介电常数为1.07，密度非常小，具备很好的结构强度和稳定性。采用厚度非常薄的覆铜板和密度非常小的轻质泡沫板，可以有效降低电磁带隙结构的质量。整个电磁带隙结构总厚度为6.7mm，说明电磁带隙结构的厚度非常薄。

本实施例的贴片电阻6封装类型为2012(长2mm，宽1.2mm)，阻值为180Ω。采用常规锡焊将贴片电阻6焊接好，并确保良好连接。

采用厚度非常薄的胶片将上层的八边形金属环频率选择表面1、下层的八边形环槽缝频率选择表面5和介质支撑板3进行固定，确保粘合平整、牢固、中间无空气间隙。

通过考察入射电磁波在不同极化状态和不同入射角度下电磁带隙结构的传输特性、反射特性、吸收率来检测电磁带隙结构的电磁性能。

电磁带隙结构在TE极化波、TM极化波垂直照射下的传输系数S21、反射系数S11如图4所示。由反射系数S11可见，电磁带隙结构在4.2～17GHz频带内S11小于-10dB，该频带为电磁带隙结构的吸波区，可有效降低电磁带隙结构在该频带内的反射，实现在该频带隐身或电磁噪声抑制。由传输系数S21可见，在21.5～22.5GHz频带，S21小于-0.3dB，绝大部分电磁波可透过电磁带隙结构正常传输，此频带为电磁带隙结构传输区。此电磁带隙结构可作为隐身天线罩使用，可实现4.2～17GHz超宽频带隐身，同时保证21.5～22.5GHz频带电磁波正常传输。

电磁带隙结构在TE极化波、TM极化波及不同入射角照射下的吸收率如图5所示。电磁带隙结构在入射角度为0°(垂直入射)时，4～16GHz频带内，吸收率大于90％，随着入射角度增大，吸收率有所降低，吸收频带略往高频漂移。在入射角小于40°情况下，在4～16GHz频带内，吸收率大于85％。在入射角为60°时，在4.5～18GHz频带内，吸收率大于68％。由此可见，电磁带隙结构具备非常宽的吸波带宽、而且吸波能力非常强。

电磁带隙结构在TE极化波和TM极化波在相同角度照射下的传输系数、反射系数、吸收率曲线非常一致，这说明电磁带隙结构具备很好的极化稳定性。本电磁带隙结构采用覆铜板、轻质泡沫板、贴片电阻6加工制成，总厚度仅为6.7mm，因此电磁带隙结构具有结构简单、加工简单、制作工艺成熟、成本低、可靠性高的优点。采用厚度薄的覆铜板和轻质泡沫的介质支撑板3能够显著降低电磁带隙结构的厚度和质量。

本实施例的电磁带隙结构既可作超宽带吸波结构使用，也可作平面隐身天线罩使用。电磁带隙结构的吸波频带、传输频带可通过调节电磁带隙结构参数实现改变，具有很强的适应性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述电磁带隙结构为多个周期性单元排布而成，每个所述单元包括介质支撑板、设置于介质支撑板上下的八边形金属环频率选择表面与八边形环槽缝频率选择表面；所述八边形金属环频率选择表面包括上介质衬底和一个具有间隙的八边形开口金属环，所述上介质衬底位于八边形开口金属环和介质支撑板之间，所述八边形开口金属环的十字对称的四条边上分别设有一个间隙，所述间隙内设置贴片电阻，所述八边形环槽缝频率选择表面包括下介质衬底和多个呈阵列排布的八边形环槽缝，所述下介质衬底位于八边形环槽缝和介质支撑板之间。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述八边形金属环频率选择表面和八边形环槽缝频率选择表面为微带板结构。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述贴片电阻的长度大于对应间隙的长度。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述贴片电阻焊接在对应的间隙上将八边形开口金属环连通。

5.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述介质支撑板选自蜂窝芯、陶瓷和泡沫类介质中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述上介质衬底的上表面为八边形开口金属环，所述上介质衬底的下表面为非金属表面，所述下介质衬底的上表面为非金属表面，所述下介质衬底的下表面上设置八边形环槽缝，所述下介质衬底的上表面连接介质支撑板，所述下介质衬底的下表面除八边形环槽缝外均为金属表面。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述八边形开口金属环和下介质衬底的下表面的金属表面分别具有镀金保护层。

8.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述电磁带隙结构的外表面上沉积介质保护膜层。

9.根据权利要求1所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构，其特征在于，所述八边形开口金属环和八边形环槽缝均为正八边形。

10.一种应用权利要求1～9任一项所述的一种超宽带吸波窄带传输电磁带隙结构的平面隐身天线罩。