CN107611622A - 通带可控的双边频宽带吸波体 - Google Patents

Abstract

针对复杂电磁环境下的隐身及电磁兼容问题，本发明提出了一种通带可控的双边频宽带吸波体。吸波体由多个呈阵列排布的周期性单元结构组成；周期性单元结构包括电控开关屏、周期阻抗层以及泡沫层，周期阻抗层、电控开关屏分别设置在泡沫层的上下侧，所述泡沫层支撑在电控开关屏与周期阻抗层之间将两者分隔开。本发明通过电控开关屏背面的馈电网络控制二极管的工作状态，从而改变电控开关屏的结构，实现带通与全反射之间的切换。本发明能实现对工作频带两侧的探测及干扰信号吸收，并对工作频带内的传输窗口进行电控，使其在正常环境下打开窗口不影响信号收发，而在复杂电磁环境中关闭窗口。

Description

通带可控的双边频宽带吸波体

技术领域

本发明涉及电磁隐身与电磁防护技术领域，具体涉及一种通带可控的双边频宽带吸波体，主要用于单/双站雷达散射截面积(RCS)缩减以及在复杂电磁环境中通信系统前端抗扰与防护。

背景技术

雷达凭借其全天候、全天时、抗干扰能力强以及探测精度高等优势，在现代战争的探测设备中占据重要位置。有效回避敌方雷达探测，降低敌方获取我方军事目标信息的准确性与完整性，提升我方诸如轰炸机、战斗机等重要军事目标的突防能力，是保证我方各项军事任务能够顺利完成的前提。隐身和强电磁防护对于保证信息化设备在复杂电磁环境中的生存能力至关重要，先进的隐身技术能够缩短敌方发现我方目标(如战斗机、轰炸机等)的距离，减少敌方的预警时间，提高我方军事行动成功概率。但多基雷达技术、高频超视距雷达技术以及天基雷达技术的出现，给隐身技术带来了严重的挑战。

随着电子设备的多样化，普遍化，电磁环境变得日益复杂，如何应对工作频带内的干扰信号以及高强度辐射场成为一个重要课题。高强度辐射场覆盖频带广，响应速度快，兼具软硬杀伤能力，对电子通信设备造成极大威胁。

天线的RCS缩减一直是目标隐身的难点问题，需要通过选择合理材料并设计特殊结构来达到吸收或反射天线工作频带外的探测信号，减小天线RCS的目的，同时不影响天线工作频带内信号的正常收发。随着现代电子设备使用增加，电磁环境变得越来越复杂，在这种情况下，工作频带内的干扰信号或强电磁辐射会干扰电子设备，甚至造成不可逆转的损坏。

现有的隐身及防护技术有两种，一是设计特定外形结构的空间表面；二是吸波材料。频率选择表面能反射带外信号，但是对于双站探测雷达，其影身效果极其有限。吸波体结构能有效减少单/双雷达探测的雷达散射截面积，但是宽带吸波体为通带一侧吸波，而双边吸波体的吸波带宽设计难度大，带宽极其有限。

此外，上述两种方法设计的通带均固定，给目标留出一个通信窗口的同时，也给强电磁攻击留下了一条耦合通道，无法应对工作频带内干扰信号及高强度辐射场，强电磁能量能够沿着该通道进入设备内部，损毁信息化设备。

发明内容

针对复杂电磁环境下的隐身及电磁兼容问题，本发明提出了一种通带可控的双边频宽带吸波体。其能实现对工作频带两侧的探测及干扰信号吸收，并对工作频带内的传输窗口进行电控，使其在正常环境下打开窗口不影响信号收发，而在复杂电磁环境中关闭窗口。

一种通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于，吸波体由多个呈阵列排布的周期性单元结构组成；周期性单元结构包括电控开关屏、周期阻抗层以及泡沫层，周期阻抗层、电控开关屏分别设置在泡沫层的上下侧，所述泡沫层支撑在电控开关屏与周期阻抗层之间将两者分隔开。

所述电控开关屏包括介质基板，所述介质基板的上表面贴覆有“田”字型的金属栅格网络，所述金属栅格网络的每个栅格内的介质基板上均贴覆有金属贴片，所述金属贴片设置在每个栅格的中间且金属贴片的边缘与栅格网络之间均保留有间距，每个金属贴片与栅格网络之间均连接有相同数量的多个均匀排布的二极管，二极管的数量为4的整数倍个，并保证贴覆有“田”字型的金属栅格网络以及金属贴片的介质基板左右对称且上下对称。即左右上下四个金属贴片以及金属贴片上连接的二极管的所设位置是左右对称且上下对称的。

所述介质基板的下表面设置有控制上表面二极管工作状态的“井”字型的馈电网络，各金属贴片的中心位置以及其中心位置对应的介质基板上均开设有连接介质基板下表面馈电网络的导电通孔，介质基板上表面的金属贴片与介质基板下表面的馈电网络通过导电通孔实现电连接，馈电网络接正极，栅格网络接负极，就会在二极管两端形成电势差，从而控制二极管的通断状态。

所述周期阻抗层包括阻抗层介质基板，阻抗层介质基板上设置有阻抗层金属贴片和贴片电阻，所述阻抗层金属贴片上加载有贴片电阻。

本发明所述电控开关屏上的二极管未导通时，介质基板上表面的金属贴片以及栅格网络和介质基板下表面的馈电网络形成谐振，电控开关屏在工作频带形成一个通带，而对带外信号进行反射；电控开关屏上的二极管导通后，介质基板上表面的金属贴片与栅格网络产生电连接，介质基板上表面的金属贴片以及栅格网络和介质基板下表面的馈电网络的谐振结构被破坏，谐振频点消失，通带关闭，全频带反射。

本发明所述电控开关屏上的金属贴片与栅格网络之间的间距均相等；相邻金属贴片之间的间距相等，所有金属贴片的大小形状完全相同，各金属贴片上连接的二极管的位置以及数量完全相同；所述电控开关屏以及上设置的金属贴片、二极管、金属栅格以及馈电网络为左右对称且上下对称结构。

本发明所述阻抗层金属贴片包括设置在靠近阻抗层介质基板边缘的一圈与阻抗层介质基板形状相同的环形金属贴片以及设置在阻抗层介质基板中间同时也在环形金属贴片内侧的一阶闵可夫斯基分形环金属贴片，所述环形金属贴片以及一阶闵可夫斯基分形环金属贴片均加载有贴片电阻。

本发明所述电控开关屏、周期阻抗层以及泡沫层均为方形；所述电控开关屏上的金属贴片为方形或者圆形的金属贴片；所述周期阻抗层上的环形金属贴片为方环形金属贴片或者圆环形金属贴片。

本发明所述环形金属贴片以及一阶闵可夫斯基分形环金属贴片均加载有为多个贴片电阻，所述多个贴片电阻均分别设置在吸波体吸收谐振频率时电流分布最大的位置。即贴片电阻的加载位置为谐振频率的来波辐射时，周期阻抗层其阻抗层金属贴片上产生感应电流最大的位置。

本发明中：加载在一阶闵可夫斯基分形环金属贴片上的多个贴片电阻的阻值型号完全相同；加载在环形金属贴片上的多个贴片电阻的阻值型号完全相同。贴片电阻的电阻阻值由双边频宽带吸波体输入阻抗实部决定，实现与自由空间的阻抗匹配，达到全吸收。

本发明所述周期阻抗层包括阻抗层介质基板上设置的阻抗层金属贴片和贴片电阻整体都呈左右对称且上下对称结构。

本发明所述泡沫层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层。

本发明所述泡沫层的厚度为吸波体吸波谐振频点的四分之一波长的奇数倍。

本发明的有益技术效果是：

1)通带可开关可控，通过电控开关屏背面的馈电网络控制二极管的工作状态，从而改变电控开关屏的结构，实现带通与全反射之间的切换。

2)双边带宽带吸波，目前的吸波体研究均集中在单边频吸波，吸波带受到较大限制。

3)通过设计层间距h即PMI泡沫层厚度，选择贴片阻抗值，实现表面匹配，吸波带宽较宽，吸收率高，通带插入损耗小。

附图说明

图1为本发明提供的一具体实施例的周期性单元结构的结构示意图

图2为本发明提供的一具体实施例的电控开关屏的结构示意图

图3为本发明提供的一具体实施例的周期阻抗层单元的结构示意图

图4是本发明提供的具体实施例的仿真结果图

图中：1、电控开关屏；101、方形介质基板；102、金属栅格网络；103、方形金属贴片；104、二极管；105、馈电网络；106、导电通孔；

2、周期阻抗层；201、抗层介质基板；202、贴片电阻；203、方环形金属贴片；204、一阶闵可夫斯基分形环金属贴片；

3、泡沫层。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提出了一种通带可控的双边频宽带吸波体。该吸波体式由多个呈阵列排布的周期性单元结构组成。参照图1，为本发明提供的一具体实施例的周期性单元结构的结构示意图，其中k为来波入射方向。周期性单元结构包括电控开关屏1、周期阻抗层2以及聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫层3。周期阻抗层2、电控开关屏1分别设置在泡沫层3的上下侧，所述泡沫层3支撑在电控开关屏1与周期阻抗层2之间将两者分隔开。周期阻抗层2的厚度为h₁，电控开关屏1的厚度为h₂，泡沫层3的厚度为h。

本发明电控开关屏1其各参数、二极管位置以及数量是根据系统工作频带设计的。参照图2，图2为本发明提供的一具体实施例的电控开关屏的结构示意图。在本实施例中，以工作频点在8.2GHz为例，电控开关屏1包括方形介质基板101，方形介质基板101选用Rogers4350。参照图2(a)，方形介质基板101的上表面上贴覆有“田”字型的金属栅格网络102。“田”字型的金属栅格网络102呈轴对称结构(上下对称且左右对称)。“田”字型的金属栅格网络102中包括四个大小、形状完全相同的方形栅格，方形栅格各边的边长为l₆。每个方形栅格内的介质基板上均贴覆有一同等尺寸的方形金属贴片103。方形金属贴片103均设置在方形栅格内的中部位置，方形金属贴片103的中心点与方形栅格的中心点重合。方形金属贴片103各边到与其相对的方形栅格的内边的间距均相等，该间距等于(l₆-l₇)/2。方形金属贴片103的边长为l₇，相邻方形栅格之间的间距相等为w₂。

在方形金属贴片103各边的中点位置焊接有一二极管104的一脚，二极管1-4的另一脚焊接在金属栅格网络102上。这样每个方形金属贴片103与栅格网络之间均连接有四个二极管104。本实施例中二极管选用BAP5102，其响应速度快，封装电容小。

参照图2(b)，方形介质基板101的下表面设置有控制上表面二极管104工作状态的“井”字型的馈电网络105。“井”字型的馈电网络105呈轴对称结构(上下对称且左右对称)，其包括两根横向分布的馈电金属片和两根纵向分布的馈电金属片，两根横向分布的馈电金属片和两根纵向分布的馈电金属片呈“井”字形分布。两根横向分布的馈电金属片之间的间距为l₈，两根纵向分布的馈电金属片之间的间距也为l₈，横向分布的馈电金属片和纵向分布的馈电金属片的长度相同即为方形介质基板101的边长为P。横向分布的馈电金属片和纵向分布的馈电金属片的宽度相同即为w₃。各方形金属贴片103的中心位置以及其中心位置对应的方形介质基板101上均开设有连接方形介质基板下表面馈电网络105的导电通孔106。四个导电通孔106分布对应方形介质基板下表面的馈电网络105中四个横向分布的馈电金属片和纵向分布的馈电金属片相交的交点的位置。

方形介质基板101上表面的方形金属贴片103与方形介质基板下表面的馈电网络105通过导电通孔106实现电连接，馈电网络105接正极，金属栅格网络102接负极，就会在二极管104两端形成电势差，从而控制二极管104的通断状态。

所述电控开关屏1上的二极管104未导通时，方形介质基板101上表面的方形金属贴片103以及金属栅格网络102和方形介质基板101下表面的馈电网络105形成谐振结构，电控开关屏1在工作频带形成一个通带，而对带外信号进行反射；电控开关屏1上的二极管104导通后，方形介质基板101上表面的方形金属贴片103与金属栅格网络102产生电连接，方形介质基板101上表面的方形金属贴片103以及金属栅格网络102和方形介质基板101下表面的馈电网络105的谐振结构被破坏，谐振频点消失，通带关闭，全频带反射。

参照图3，图3为本发明提供的一具体实施例的周期阻抗层单元的结构示意图。本实施例中周期阻抗层2包括方形的阻抗层介质基板201，阻抗层介质基板201上设置有阻抗层金属贴片和贴片电阻202。本实施例中阻抗层金属贴片包括设置在靠近阻抗层介质基板201边缘的一圈与阻抗层介质基板201形状相同的方环形金属贴片203以及设置在阻抗层介质基板201中间同时也在方环形金属贴片203内侧的一阶闵可夫斯基分形环金属贴片204，所述方环形金属贴片203以及一阶闵可夫斯基分形环金属贴片204均加载有贴片电阻202。通过设计产生多频谐振的环形金属贴片结构(本实施例中为方环形金属贴片)实现在通带的两侧产生吸收谐振，在电控开关屏的通带处形成无耗谐振，然后通过加载贴片电阻达到阻抗匹配及来波能量耗散的目的。本发明中的所有贴片电阻均分别设置在吸波体吸收谐振频率时电流分布最大的位置。即贴片电阻的加载位置为谐振频率的来波辐射时，周期阻抗层2其阻抗层金属贴片上产生感应电流最大的位置。

一阶闵可夫斯基分形环金属贴片204设置在阻抗层介质基板201的中心位置(也即方环形金属贴片203内部的中心位置)。方环形金属贴片203为方环形，其边长为11。方环形金属贴片203的每条金属边上的相同位置加载有两个贴片电阻202，每条金属边上的两个贴片电阻202之间的间距相等即为15。本实施例中，环形金属贴片203的每条金属边上的两个贴片电阻202均设置在金属边的中间位置。方环形金属贴片203上的8个贴片电阻202的型号参数完全相同，其阻值均为Rin。一阶闵可夫斯基分形环金属贴片204上同样加载有8个型号参数完全相同的贴片电阻202，其阻值为Rout。

本实施例中，以通带在8.1GHz的为例，周期阻抗层的在阻抗层介质基板201选用FR4，内侧为一阶闵可夫斯基分形环金属贴片，外侧为铜蚀刻而成的方环形金属贴片203，实现了在8.2GHz两侧的双频带吸波。通过在吸收谐振频率时电流分布最大的位置加载电阻，达到良好吸波效果。

本实施例中周期阻抗层包括阻抗层介质基板上设置的阻抗层金属贴片和贴片电阻整体都呈左右对称且上下对称结构，如图3所示。

在吸波频带处，开关电控屏充当接地反射面，从传输线的角度来看可以认为是短路。PMI泡沫的相对介电常数与磁导率和空气接近，因此其厚度可以优选为吸波谐振频点的四分之一波长的奇数倍。如果选择泡沫厚度不合适，会极大地降低吸波效果并增加通带的插入损耗，使得在阻抗表面位置处由短路点转化为开路点。选择能够使表面等效阻抗达到与空气层阻抗匹配的贴片电阻阻值，从而使整个结构的透射反射均趋近于零，实现完美吸波。

本实施例中：P＝20mm；l₁＝17.5mm，l₂＝9.6mm，l₃＝4.55mm，l₄＝3.3mm，l₅＝3.8mm，l₆＝7.5mm，l₇＝5.9mm，l₈＝9.15mm，w₁＝0.5mm，w₂＝2.5mm，w₃＝0.85mm，h＝18.5mm，h₁＝0.5mm，h₂＝0.5mm，Rin＝75Ω，Rout＝120Ω。各参数意义已在图1、图2和图3中已标注，不同参数选取会导致吸波体工作频率的变化。

对上述实施例提供的一种通带可控的双边频宽带吸波体通过计算机仿真软件CST进行仿真，仿真结果如4所示。图4(a)为二极管关闭时的仿真结果图，图4(b)为二极管开启时的仿真结果图。

如图4所示，二极管关闭时，在8.2GHz处产生了一个插损小于1dB的通带。在通带两侧各有一个吸波带，在1.3-6GHz和10-12.5GHz范围内，S11与S21均小于-10dB，此时的吸波率超过90％。二极管开启后，通带消失，变成一个反射带，而吸波带基本不变，维持在1.3-6GHz和9.8-12.4GHz。由于设计的结构具有对称性，TE极化与TM极化来波的得到仿真结果一致。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于，吸波体由多个呈阵列排布的周期性单元结构组成；周期性单元结构包括电控开关屏、周期阻抗层以及泡沫层，电控开关屏、周期阻抗层分别设置在泡沫层的上下侧，所述泡沫层支撑在电控开关屏与周期阻抗层之间将两者分隔开；

所述电控开关屏包括介质基板，所述介质基板的上表面上贴覆有“田”字型的金属栅格网络，所述金属栅格网络的每个栅格内的介质基板上均贴覆有金属贴片，所述金属贴片设置在每个栅格的中间且金属贴片的边缘与栅格网络之间均保留有间距，每个金属贴片与栅格网络之间均连接有相同数量的多个均匀排布的二极管，二极管的数量为4的整数倍个；

所述介质基板的下表面设置有控制上表面二极管工作状态的“井”字型的馈电网络，各金属贴片的中心位置以及其中心位置对应的介质基板上均开设有连接介质基板下表面馈电网络的导电通孔，介质基板上表面的金属贴片与介质基板下表面的馈电网络通过导电通孔实现电连接，馈电网络接正极，栅格网络接负极，就会在二极管两端形成电势差，从而控制二极管的通断状态；

所述周期阻抗层包括阻抗层介质基板，阻抗层介质基板上设置有阻抗层金属贴片和贴片电阻，所述阻抗层金属贴片上加载有贴片电阻。

2.根据权利要求1所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述电控开关屏上的二极管未导通时，介质基板上表面的金属贴片以及栅格网络和介质基板下表面的馈电网络形成谐振，电控开关屏在工作频带形成一个通带，而对带外信号进行反射；电控开关屏上的二极管导通后，介质基板上表面的金属贴片与栅格网络产生电连接，介质基板上表面的金属贴片以及栅格网络和介质基板下表面的馈电网络的谐振结构被破坏，谐振频点消失，通带关闭，全频带反射。

3.根据权利要求1所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：电控开关屏上的金属贴片与栅格网络之间的间距均相等；相邻金属贴片之间的间距相等，所有金属贴片的大小形状完全相同，各金属贴片上连接的二极管的位置以及数量完全相同；所述电控开关屏以及上设置的金属贴片、二极管、金属栅格以及馈电网络为左右对称且上下对称结构。

4.根据权利要求1所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述阻抗层金属贴片包括设置在靠近阻抗层介质基板边缘的一圈与阻抗层介质基板形状相同的环形金属贴片以及设置在阻抗层介质基板中间同时也在环形金属贴片内侧的一阶闵可夫斯基分形环金属贴片，所述环形金属贴片以及一阶闵可夫斯基分形环金属贴片均加载有贴片电阻。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述电控开关屏、周期阻抗层以及泡沫层均为方形；所述电控开关屏上的金属贴片为方形或者圆形的金属贴片；所述周期阻抗层上的环形金属贴片为方环形金属贴片或者圆环形金属贴片。

6.根据权利要求4所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述环形金属贴片以及一阶闵可夫斯基分形环金属贴片均加载有为多个贴片电阻，所述多个贴片电阻均分别设置在吸波体吸收谐振频率时电流分布最大的位置。

7.根据权利要求6所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：加载在一阶闵可夫斯基分形环金属贴片上的多个贴片电阻的阻值型号完全相同；加载在环形金属贴片上的多个贴片电阻的阻值型号完全相同。

8.根据权利要求6所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述周期阻抗层包括阻抗层介质基板上设置的阻抗层金属贴片和贴片电阻整体都呈左右对称且上下对称结构。

9.根据权利要求1所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述泡沫层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层。

10.根据权利要求9所述的通带可控的双边频宽带吸波体，其特征在于：所述泡沫层的厚度为吸波体吸波谐振频点的四分之一波长的奇数倍。