CN108899656B - 一种加载FSS的Salisbury吸波屏 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种加载FSS的Salisbury吸波屏，用于拓宽吸波屏的吸波带宽，包括自上而下依次层叠的五层介质板，其中，在第一层介质板的上表面印制有高阻表面，在第二层介质板上表面的中心位置印制有十字型金属贴片，该十字型金属贴片的四个枝节上各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有第一贴片电阻，在第四层介质板上表面的的中心位置印制有由外方环形贴片和内方环形贴片组成的回字型贴片结构，所述外方环形贴片的四个边上各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有第二贴片电阻，内方环形贴片的四个边上各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有第三贴片电阻，在底层介质板的下表面印制有金属地板。本发明可应用于电磁干扰、电磁辐射等电磁防护领域中。

Description

一种加载FSS的Salisbury吸波屏
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种加载FSS的Salisbury吸波屏，可应用于电磁干扰、电磁辐射等电磁防护领域中。
背景技术
1952年，MIT辐射实验室的W.W.Salisbury发明了以自己名字命名的物理吸波结构，之后相继出现了Jaumann吸波体和电路模拟吸波体。目前研究人员研究较多的是Salisbury吸波屏，Salisbury吸波屏主要是由高阻表面、介质和金属地板组合而成，其厚度大致为中心频率对应波长的四分之一。Salisbury吸波屏有结构简单、吸波带宽窄的特点。
频率选择表面(FSS)是一种能够对电磁波进行反射或者透射的二维周期性表面，它本身并不吸收能量，却能够有效地控制电磁波的反射和透射性能。频率选择表面按照对电磁波的频率响应特性可以分为两类：一类是带阻型频率选择表面，其对阻带内的电磁波呈现出全反射特性；另一类是带通型频率选择表面，其对通带内的电磁波呈现出全透射特性。由于这种独特的空间滤波特性，频率选择表面在工程领域具有很大的应用价值，其中一个重要应用方向就是电磁防护领域。
近年来，随着微波技术的不断发展，突破吸波结构在低频端的吸收瓶颈，拓宽吸波带宽已经成为电磁吸波领域亟待解决的问题。并且随着科技的进步，频谱越来越拥挤，对吸波结构吸波带宽的要求也与日俱增，而从S波段到K波段也是日常应用最频繁的波段，高频段携带的信息量很大，为了提高对频谱资源的利用率，拓宽吸波屏在该频段的吸波范围很有必要。例如2015年，喻易强等人在ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS第34卷第6期发表了一篇名为嵌入频率选择表面的Salisbury吸波屏设计的文章，公开了一种在Salisbury吸波屏的介质中加载频率选择表面的吸波屏，该吸波屏由自上而下依次层叠的三层介质板组成，顶层介质板的上表面印制有高阻表面，底层介质板的下表面印制有金属地板，在中间层介质板的上表面印制有由两个方环贴片嵌套起来构成的回字型结构，并且在回字型结构的各个边上设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有贴片电阻，由高阻表面、介质和接地板组成的Salisbury吸波屏结构，其中高阻表面可以让入射到吸波结构的电磁波几乎无损耗的入射进吸波结构，金属地板起反射的作用，让入射进来的电磁波经过四分之一波长的路程后再原路返回，使得电磁波走过的总路程为半波长，达到电磁波入射波和反射波之间相互抵消的作用，该设计利用周期性排列的金属贴片单元设计的灵活性，可以在自己需要的频段内设置谐振频点和多种结构结合提供多个谐振频点的特性，再结合Salisbury吸波屏的吸波特性，最终达到了在3.5GHz～18.5GHz频率范围内(相对带宽为136％)有效吸波的宽带吸波效果。然而该设计仍有吸波频带拓宽的余地，此外该设计仅嵌入一层金属贴片，结构简单，整个结构的厚度也有降低的余地，厚度越低越有利于工程实施。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种加载FSS的Salisbury吸波屏，用于拓宽吸波屏的吸波带宽。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括M×N个周期性排布的吸波结构单元，其中M≥3，N≥3，所述吸波结构单元包括自上而下依次层叠的第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3；所述第一介质板1的上表面印制有高阻表面4，所述第三介质板3的下表面印制有金属地板5；所述第一介质板1与第二介质板2之间设置有第四介质板6，该第四介质板6上表面的中心位置印制有十字型金属贴片7，该十字型金属贴片7的四个枝节上各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有第一贴片电阻R1 8；所述第二介质板2和第三介质板3之间设置有第五介质板9，该第五介质板9上表面的中心位置印制有由外方环形贴片和内方环形贴片组成的回字型贴片结构10，所述外方环形贴片的四个边上各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有第二贴片电阻R2 11，内方环形贴片的四个边上各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载有第三贴片电阻R3 12。
上述一种加载FSS的Salisbury吸波屏，所述十字型金属贴片7，其中心位于第四介质板6的中心法线上，且四个枝节位于第四介质板6两组对边的中心连线上，每个枝节上设置的矩形缝隙位于该枝节长度方向的中心位置。
上述一种加载FSS的Salisbury吸波屏，所述回字型贴片结构10，其中心位于第五介质板9的中心法线上，且外方环形贴片和内方环形贴片的对角线均与第五介质板9的对角线重合，每个边上设置的矩形缝隙位于该边的中心位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明的吸波结构单元采用自上而下依次层叠的五层介质板，其中在第二层介质板的上表面印制有十字型金属贴片，提供一个谐振频率，在第四层介质板的上表面印制有回字型贴片结构，提供两个谐振频率，与现有技术相比多提供了一个谐振频率，这三个谐振频率包含的频率范围更宽，仿真结果表明，本发明能够在3.35GHz～20.83GHz频带范围内有效吸收电磁波。
2.本发明的吸波结构单元共包括五层介质板，除了上表面印制有金属贴片的两块介质板外，其他三块介质板的厚度都是可调的，避免了现有技术仅有两块介质板的厚度可调，灵活性不够大的缺陷，有利于工程实践。
附图说明
图1为本发明吸波结构单元的整体结构示意图；
图2为本发明十字型金属贴片的结构示意图；
图3为本发明回字型贴片结构的结构示意图；
图4为本发明与现有技术在0～25GHz频段内的反射系数仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
本发明采取的技术方案包括M×N个周期性排布的吸波结构单元，其中M＝N＝10。
参照图1，吸波结构单元包括自上而下依次层叠的第一介质板1、第四介质板6、第二介质板2、第五介质板9和第三介质板3。
所述第一介质板1的上表面印制有高阻表面4，高阻表面选用377Ω/square的薄膜电阻，因为该薄膜电阻阻值与空间波阻抗的阻值相同，从而电磁波可以几乎无损耗的进入吸波结构。
所述第四介质板6上表面的中心法线处印制有十字型金属贴片7，参照图2，该十字型金属贴片由一个边长为W1＝1mm的正方形和围绕正方形四条边的枝节长度均为L1＝2.5mm的四个枝节组成，枝节宽度和正方形边长相等，且它的四个枝节位于第四介质板6两组对边的中心连线上，该十字型金属贴片7用于产生一个谐振频点，十字型金属贴片7尺寸参数的确定和偶极子尺寸参数的确定方法一样，即十字型金属贴片7相对的两个枝节的端到端的距离的长度和它对应谐振频率的波长有1/2的关系，在该十字型金属贴片7的四个枝节长度方向的中心位置各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载型号为0805的第一贴片电阻8，电阻R1＝150Ω，加载的第一贴片电阻8用于对入射到吸波结构的电磁波进行消耗。
所述第二介质板2的作用是提供一个厚度来满足整个吸波结构的厚度是它工作的中心频率对应波长的四分之一左右。
所述第五介质板9上表面的中心法线处印制有由外方环形贴片和内方环形贴片组成的回字型贴片结构10，参照图3，该回字型贴片结构10的外方环形贴片长L2＝10mm，外方环形贴片宽W2＝1.95mm，内方环形贴片长L3＝3.7mm，内方环形贴片宽W3＝0.85mm，且外方环形贴片和内方环形贴片的对角线均与第五介质板9的对角线重合，该回字型贴片结构10用于产生两个谐振频点，方环形贴片的尺寸参数是根据贴片的平均周长和它所对应的谐振频率对应的波长相等的原理来确定的，在外方环形贴片的四个边上的中心位置各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载型号为0805的第二贴片电阻11，电阻R2＝43Ω，在内方环形贴片的四个边上的中心位置各设置一个矩形缝隙，缝隙上加载型号为0402的第三贴片电阻12，电阻R3＝200Ω，加载的第二贴片电阻11和第三贴片电阻12都是用于对入射到吸波结构的电磁波进行消耗。
所述第三介质板3的下表面印制有金属地板5，金属地板选用金属铜，金属铜可以对入射进来的电磁波进行反射，让入射进来的电磁波经过四分之一波长的路程后再原路返回，使得电磁波走过的总路程为半波长，达到电磁波入射波和反射波之间相互抵消的作用。
所述第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3，采用介电常数均相同的正方形板材，其厚度分别为H1＝4mm、H2＝1.2mm、H3＝3mm，边长D＝12mm，介电常数为1.1，这三个介质板起到支撑整个吸波结构的作用，所述第四介质板6和第五介质板9，采用规格和介电常数均相同的正方形板材，其厚度H4＝H5＝0.8mm，边长D＝12mm，介电常数为3.55，在设计加载频率选择表面吸波屏的过程中，通常根据吸波结构工作频带的要求选定用于加工FSS的PCB介质支撑板，根据工业实际，对于PCB板来说，其本身的参数及介电常数是相对固定的，一般选择Rogers4003(介电常数为3.55，厚度为0.8mm)，整个吸波结构单元的厚度是根据设计的吸波结构的吸波频段来确定的，因为我们想要设计一种能够实现3.35GHz～20.83GHz频段范围内有效吸波的超宽带吸波结构，我们利用Salisbury吸波屏的厚度和它工作的中心频率对应的波长之间有1/4的关系，最终可以确定Salisbury吸波屏的厚度为9.8mm，在加载FSS的Salisbury吸波结构单元里，FSS呈现全反射特性，可以将其视为一个反射面，产生一个吸收峰，所以确定FSS的位置时，不单单要考虑FSS自身谐振特点，还要考虑高阻表面4到FSS的距离与FSS的工作频率对应波长是否匹配，因为在加载FSS后，吸波结构本身受到一定程度影响，响应曲线与预估值会有一定偏差，所以在确定加载位置以后要结合具体情况来调整FSS的尺寸，最终将回字型贴片结构10加载在距离高阻表面4为6mm的位置，即H1、H2和H4三者的总厚度可以确定，H4的厚度是0.8mm，十字型金属贴片7加载在距离高阻表面4为4mm的位置,即H1的厚度可以确定，所以H1的厚度也就确定了，根据总厚度则H3的厚度也可以确定。
本发明中的十字型金属贴片7和回字型贴片结构10的结构都是规则的成直角坐标轴对称的图形，并且自身也是成中心对称的，第一贴片电阻8、第二贴片电阻11和第三贴片电阻12的加载位置都是位于中心位置处，上面所有的设置都是为了让整个吸波结构单元成为一个中心对称的结构，这样做的目的是为了仿真取得最好的效果，并且这样设计出来的结构也更美观。
整个吸波结构的工作过程可以分为两部分，一是电磁波几乎无损耗得进入吸波结构，也就是高阻表面4起到的作用，二是进入到吸波结构的电磁波能被损耗掉，也就是金属地板5和加载的所有的贴片电阻共同作用起到的效果，其中本发明设计的超宽带吸波主要是由加载的贴片产生的三个谐振点提供的超宽带条件。
以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
利用商业仿真软件HFSS_15.0对现有技术和本发明在0～25GHz频段内入射电磁波的反射系数进行仿真计算，结果如图4所示，图4(a)为本发明未加载贴片电阻的仿真结果图，图4(b)为现有技术和本发明的反射系数仿真对比图。
2、仿真结果分析：
未加载贴片电阻的情况下，仿真结果见图4(a)，由图可知，在5GHz、11GHz、19.5GHz和20.5GHz四个频点处产生了四个吸波峰，并且整个频段在我们设计的频段范围内，在确定好Salisbury吸波屏的厚度、加载FSS的位置以及FSS的尺寸后，为了满足宽频吸波特性，需要选择加载不同的电阻值，用来增加FSS的自身损耗性，进行仿真分析的时候如果不能满足设计要求，则重新调整吸波屏的厚度、尺寸及加载阻值，这些都是通过增加扫描变量，最终根据参数扫描结果图得到的最终值，最后，得到了满足我们要求的结果图，见图4(b)。
参照图4(b)，实施例的中心频率为12.09GHz，-8dB吸波带宽频率范围为3.35GHz～20.83GHz，相对频率带宽达到了145％，实现了超宽带吸波特性，相比较原有技术的中心频率为11GHz，-8dB吸波带宽频率范围为3.5GHz～18.5GHz，相对频率带宽为136％，本发明将相对带宽提高了9％，从而有效地拓宽了吸波结构的吸波带宽。
以上仿真结果说明，本发明实现了宽带吸波特性。
以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种加载FSS的Salisbury吸波屏，包括M×N个周期性排布的吸波结构单元，其中M≥3，N≥3，所述吸波结构单元包括自上而下依次层叠的第一介质板(1)、第二介质板(2)和第三介质板(3)；所述第一介质板(1)的上表面印制有高阻表面(4)，所述第三介质板(3)的下表面印制有金属地板(5)；其特征在于：所述第一介质板(1)与第二介质板(2)之间设置有第四介质板(6)，该第四介质板(6)上表面的中心位置印制有十字型金属贴片(7)，该十字型金属贴片(7)的四个枝节上各设置一个矩形缝隙，每个矩形缝隙上加载有第一贴片电阻R1(8)；所述第二介质板(2)和第三介质板(3)之间设置有第五介质板(9)，该第五介质板(9)上表面的中心位置印制有由外方环形贴片和内方环形贴片组成的回字型贴片结构(10)，所述外方环形贴片的四个边上各设置一个矩形缝隙，每个矩形缝隙上加载有第二贴片电阻R2(11)，内方环形贴片的四个边上各设置一个矩形缝隙，每个矩形缝隙上加载有第三贴片电阻R3(12)。
2.根据权利要求1所述的一种加载FSS的Salisbury吸波屏，其特征在于：所述十字型金属贴片(7)，其中心位于第四介质板(6)的中心法线上，且四个枝节位于第四介质板(6)两组对边的中心连线上，每个枝节上设置的矩形缝隙位于该枝节长度方向的中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种加载FSS的Salisbury吸波屏，其特征在于：所述回字型贴片结构(10)，其中心位于第五介质板(9)的中心法线上，且外方环形贴片和内方环形贴片的对角线均与第五介质板(9)的对角线重合，每个边上设置的矩形缝隙位于该边的中心位置。
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