CN108539433A - 一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置 - Google Patents

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李伟明
任武
薛正辉
贺天皓
黄锦
曾庆运
房书韬
杨诗怡
许芳杰
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Abstract

本发明公开一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，由多个长方体结构的单元组成，其中每个单元自上到下依次为频率选择表面、介质板、泡沫板以及金属反射板；频率选择表面为相互交错的多枝节风车型的金属贴片，贴于介质板正面；所述相互交错的多枝节风车型包括相互交错的枝节、十字型框架以及设置于十字型框架顶端的枝节，所述设置于十字型框架顶端的枝节呈顺时针或逆时针排布，相互交错的枝节设置在十字型框架顶端的枝节与十字型之间的区域内，每个区域内相互交错的枝节垂直于相邻区域的相互交错的枝节，本发明能够实现有效的吸波特性，且单元尺寸小厚度薄，有利于在低频段的应用。

Description

一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置
技术领域
本发明属于频率选择表面技术领域和吸波材料技术领域，具体涉及一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体。
背景技术
频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成，其本质是一种空间滤波器，在通信系统、雷达系统设计等领域得到广泛的应用。但是，随着科学技术的发展，许多雷达频段出于隐形与反隐形的考虑，开始向低频率方向发展，通信系统的通信频段同样有许多处于低频率频段，导致同样性能的频率选择表面单元的尺寸变得越来越大、厚度越来越厚，单元尺寸变大会导致其排布在有限的物理尺寸上时单元数量变少，给频率选择表面的性能带来不利影响，单元厚度变厚会导致由其制作的天线罩等变厚，不利于实际应用。因此，如何有效缩小频率选择表面单元的尺寸和厚度同时不影响频率选择表面的性能成为频率选择表面设计的关键。
微波吸波体是一种能衰减入射电磁波能量的材料或者结构，目前已有广泛应用，可以用于消除系统间的电磁干扰或是实现军事目标的隐身等。不同的应用情景下，对吸波体有不同的工作性能要求。例如，用于制作天线罩的吸波体需要低损耗通带和尽可能宽的吸收带，用于制作传感器的吸波体需要从非吸收带到吸收带的快速转变(即矩形系数高)和稳定的工作性能。
在吸波体设计领域，基于频率选择表面或其他周期结构设计吸波体是一种有效的方法。由于频率选择表面具有对空间中电磁波频率选择的特性，所以可以被用于设计吸收特定频段的电磁波。实际应用中用于放置吸波体的空间大小总是有限且一般很狭小，但是现有应用于电磁波低频段的吸波体体积较大，这就使得实现吸波体的小型化和超薄显得十分有意义，尤其对于基于频率选择表面的周期结构类型的吸波体来说，单元的小型化使得有限的空间中可以放置更多的单元，使得吸波体的性能更优。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，能够实现有效的吸波特性，且单元尺寸小厚度薄，有利于在低频段的应用。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，由多个长方体结构的单元组成，其中每个单元自上到下依次为频率选择表面、介质板、泡沫板以及金属反射板。
频率选择表面为相互交错的多枝节风车型的金属贴片，贴于介质板正面；所述相互交错的多枝节风车型包括相互交错的枝节、十字型框架以及设置于十字型框架顶端的枝节，所述设置于十字型框架顶端的枝节呈顺时针或逆时针排布，相互交错的枝节设置在十字型框架顶端的枝节与十字型之间的区域内，每个区域内相互交错的枝节垂直于相邻区域的相互交错的枝节；
介质板为矩形板，介质板的材料为有损耗介质；
泡沫板为矩形板，粘接于介质板和金属反射板之间。
进一步地，每个单元的横截面为正方形。
进一步地，频率选择表面的每个枝节宽度为0.1mm-0.9mm。
有益效果：
(1)本发明使用了交错排列的多枝节风车型结构，每个风车型单元有多根细枝节，可以增加等效电感的值，风车单元之间交错排列且间隔距离较近可以增加等效电容的值，使得小型化和超薄特性得以实现。此外，单元中不同的枝节和缝隙能产生两种不同的电流路径，从而产生两个谐振点并形成一个吸波频带，使得吸波频带展宽且可调。
(2)本发明通过调整结构单元各个部分的尺寸，使该结构产生了825MHz 至980MHz上3dB的吸波频带，具有对电磁波入射角度稳定和极化方向稳定的优点，对比自由空间波长λ0，该结构的单元面积仅为0.065λ0×0.065λ0，单元厚度仅为0.015λ0，实现了小型化和超薄特性。同时，该结构由印刷电路板构造，具有低成本易加工的优点。
附图说明
图1是本发明的吸波体装置单元的结构示意图；
图2是本发明的吸波体装置单元的正视图；
图3是本发明的吸波体装置单元的侧视图；
图4为本发明的吸波体装置单元的排列方式示意图；
图5是本发明的吸波体装置在TE极化波不同角度入射时的反射系数仿真结果；
图6是本发明的吸波体装置在TM极化波不同角度入射时的反射系数仿真结果；
图7是本发明吸波体装置调整参数得到的10dB吸波体在TE极化波垂直入射时的反射系数仿真结果和原结果的对比；
其中，W0-风车单元同向相邻金属枝节间距，W1-每个枝节的宽度，L1-风车单元长臂长度，L2-每个枝节的长度，H1-介质板厚度，H2-泡沫板厚度，P-介质板、泡沫板及底部金属板的边长。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，其具体结构如图1所示。本发明结构单元分为四个部分，第一部分为频率选择表面，第二部分为介质板，第三部分为泡沫板，第四部分为金属反射面。
频率选择表面为相互交错的多枝节风车型的金属贴片，贴于介质板正面。多枝节风车型是一种特殊的形状，可以由以下步骤得到：首先是一个十字型；接着在十字型的每个顶端增加枝节形成卍字型，形成风车结构；接着在卍字型的十字上继续增加相互交错的枝节，形成相互交错的多枝节风车型，相互交错的枝节设置在十字型框架顶端的枝节与十字型之间的区域内，每个区域内相互交错的枝节垂直于相邻区域的相互交错的枝节。许多的多枝节风车型的金属贴片相互交错排列，形成周期性的结构，就构成了本发明中的频率选择表面。
频率选择表面的作用是对特定频率的电磁波产生谐振，当电磁波入射到吸波体装置时，首先会透过频率选择表面、介质板和泡沫板，然后被金属反射面反射，反射回的电磁波与入射电磁波在频率选择表面上叠加产生谐振，继而谐振出谐振电流，谐振电流被损耗介质消耗掉能量，从而实现特定频率电磁波的吸收。在加工频率选择表面时，可以用光刻机对覆盖了整块金属面的介质板(俗称印刷电路板或PCB板)进行雕刻，将频率选择表面中枝节间的缝隙镂空出来 (保留枝节部分)，从而得到所需的金属贴片。加工时，金属一般为铜，也可采用其它金属，采用其它金属不会影响本发明的性能。本发明对金属贴片的厚度没有要求，方便实际加工即可。
介质板为矩形板，介质板的材料为有损耗介质，起到吸收电磁波的作用；
泡沫板也为矩形板，粘结于介质板和金属反射板之间，仅起到支撑和连接作用；
背面金属贴片是一块完整的金属面，用作金属反射板。
吸波体装置单元的正视图和侧视图分别见图2、3。
吸波体装置采用不同的尺寸可以对不同频率的电磁波产生吸波效果。例如，要求吸收中心频率为900MHz的电磁波时，吸波体装置的单元周期为21.6mm，要求吸收中心频率为1800MHz的电磁波时，吸波体装置的单元周期为10.8mm。
本实施例中，应对的电磁波中心频率为900MHz，单元为正方形，即介质板、泡沫板和背面金属地板均为正方形，单元按照21.6mm为周期长度在平面上无限排列。吸波体装置单元的排列方式示意图见图4。
本实施例中，频率选择表面的每个枝节宽度为0.4mm。对于中心频率为 3600MHz的电磁波，可以采用0.1mm的枝节宽度，对于中心频率为400MHz的电磁波，可以采用0.9mm的枝节宽度。
本实施例中，介质板使用相对介电常数为4.3的FR-4材料，长宽厚度分别为21.6mm、21.6mm、1mm。
本实施例中，泡沫板的相对介电常数为1.05，长宽与介质板相同，厚度为 4mm。采用泡沫板的原因是泡沫板成本低且重量轻，泡沫板的相对介电常数并不会对吸波体的性能产生显著影响。
本实施例中，所有金属均为金属铜。采用金属铜的原因是该材料较常见且易于加工，将铜更换为常见金属材料也不会对吸波体的性能产生显著影响。
根据频率选择表面吸波的理论和实践经验，我们对吸波体装置单元进行优化。在优化过程中我们发现多枝节风车型单元枝节的数量、各部分的长度和宽度、相邻风车型单元的间距、介质的相对介电常数以及泡沫板的厚度均对该结构的频率响应特性有显著影响。
为了实现小型化的目的，并且保证吸波体装置具有良好的吸波特性和电磁波入射角度、极化方向稳定性，我们确定了如表1所示的吸波体装置单元尺寸参数。
表1基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置单元尺寸
单位(mm)
W0 W1 L1 L2 H1 H2 P
0.4 0.8 20 9 1 4 21.6
W0为金属贴片的宽度，吸波体装置在TE极化波不同角度入射时的反射系数仿真结果如图5所示，吸波体装置在TM极化波不同角度入射时的反射系数仿真结果如图6所示，仿真结果采用CST电磁仿真软件得到。从图中可以看出，吸波体装置对入射的电磁波产生特定频段的吸波特性，电磁波垂直入射时的吸波频带为825MHz至980MHz，-3dB相对带宽约为17.2％，且具有陡峭的频带边缘，TE极化波以30°角斜入射时中心频率偏移量仅为1.3％，TM极化波以 30°角斜入射时中心频率偏移量仅为2.0％，说明该结构具有良好的频率选择吸波特性和入射波角度及极化方向稳定性。吸波体装置在TE极化波垂直入射且调整L2长度为8.5mm时的反射系数仿真结果和原结果的对比如图7所示，仿真结构仍采用CST软件得到。从图7可以看出，该结构的吸波频带可以通过改变风车型单元枝节的长度L2来调节，可以实现10dB带宽吸收模式，具有一定的可调性。此外，该结构单元面积尺寸仅为0.065λ0×0.065λ0，单元厚度仅为0.015λ0，实现了小型化和超薄特性。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，其特征在于，由多个长方体结构的单元组成，其中每个单元自上到下依次为频率选择表面、介质板、泡沫板以及金属反射板；
频率选择表面为相互交错的多枝节风车型的金属贴片，贴于介质板正面；所述相互交错的多枝节风车型包括相互交错的枝节、十字型框架以及设置于十字型框架顶端的枝节，所述设置于十字型框架顶端的枝节呈顺时针或逆时针排布，相互交错的枝节设置在十字型框架顶端的枝节与十字型之间的区域内，每个区域内相互交错的枝节垂直于相邻区域的相互交错的枝节；
介质板为矩形板，介质板的材料为有损耗介质；
泡沫板为矩形板，粘接于介质板和金属反射板之间。
2.如权利要求1所述的一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，其特征在于，每个单元的横截面为正方形。
3.如权利要求1所述的一种基于频率选择表面的超薄小型化吸波体装置，其特征在于，频率选择表面的每个枝节宽度为0.1mm-0.9mm。
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