CN109509987A - 新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型二/三维结合的双极化超宽带吸波结构。该结构由第一吸波面、第二吸波面以及金属反射板构成。其中第一吸波面上加载了三维传输线结构。两个二维吸波面和三维传输线结构的这种组合巧妙构造了首尾相接的多谐振，从而实现了宽带双极化吸波(7.15个倍频程)。本发明提出的吸波结构具有厚度薄，重量轻，成本低，易于设计和加工的优点。

Description

新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种双极化超宽带吸波结构。

背景技术

微波吸波体是一种能有效吸收入射电磁波，极大地降低反射电磁波强度的结构或者材料，其在电磁屏蔽，隐身技术等领域有着广泛而重要的应用。一般来说，微波吸波体的实现主要有吸波材料和电磁吸波结构这两种主要的实现方式。例如，铁氧体吸波材料在很薄的厚度下依然可以实现很高的吸波率，但其实现宽带吸波较困难,且密度大。碳系吸波材料密度低重量轻，且能实现极宽的吸波频带，但其厚度较大。二维电路模拟吸波结构通常是由金属背板及其前方的频率选择表面和电阻构成，其具备重量轻的优点，但厚度大，吸波频带较窄。因此，设计一款重量轻，厚度薄，吸波频带宽的吸波结构具有重大应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种二/三维结合的双极化超宽带吸波结构。该超宽带吸波结构采用两个加载集总电阻的吸波面结合三维传输线结构的方式，搭建出双极化超宽带吸波结构，能够实现具备高吸波率的超宽吸波带。这种结构相对厚度薄，重量轻，成本低，易于设计和加工，并且具有设计出具有更宽吸波带的吸波结构的潜力。

本发明的二/三维结合双极化超宽带吸波结构为周期性结构，每个结构单元包括两个二维吸波面、一个三维传输线结构以及一个金属反射面。

所述的两个二维吸波面包括上下设置的第一吸波面和第二吸波面，均为周期性分布结构单元，每个单元无缝排布。第一吸波面和第二吸波面均为中心对称结构，该中心位于整个结构单元的中心线。

所述的第一吸波面包括第一介质基片，第一、第二金属线,以及第一、二集总电阻；其中第一金属线镀在第一介质基片上表面，第二金属线中间段镀在第一介质基片下表面，其他段镀在第一介质基片上表面，且第一金属线与第二金属线中间段垂直设置，且垂直交叉点位于整个结构单元的中心线。第一集总电阻焊接在第一介质基片上表面第一金属线中心位置上的，第二集总电阻焊接在第二金属线中间段中心位置(即第一介质基片下表面)，该中心位于整个结构单元的中心线；第二集总电阻两端分别通过第一、第二金属化过孔与第二金属线位于第一介质基片上表面的线段相连。

作为优选，所述的第一、第二集总电阻的阻值相同。

所述的第二吸波面包括与第一介质基片平行设置的第三介质基片，分别镀在第三介质基片上下表面的第七、第八金属线，以及分别焊接在第七、第八金属线中心位置上的第三、第四集总电阻，该中心位于整个结构单元的中心线；

所述的第三介质基片在x，y轴向上的尺寸大于第一介质基片，并与整个结构的周期相同；其四周边沿中心处挖槽，槽为半圆形，第七、第八金属线靠近挖槽端为半圆形，并将槽围合。所述的第七、第八金属线靠近挖槽端与位于同一挖槽内第二介质基片内侧金属线的最近距离为0.1毫米，保证其与第二介质基片内侧金属线不接触。

挖槽面积要求能够使得第二介质基片的纵臂能够顺利穿过。

作为优选，所述的第三、第四集总电阻的阻值相同。

所述的三维传输线结构设置在两个二维吸波面间，为中心对称结构，该中心位于整个结构单元的中心线；具体包括设置在吸波面侧面的第二介质基片以及镀在第二介质基片内侧四周的第三、四、五、六金属线；第二介质基片上端与第一介质基片接触，另一端穿过第三介质基片挖槽与设置在第三介质基片下方的金属反射面接触；其中第二介质基片不与第三介质基片相接触，且留有空隙，防止与三维传输线结构相冲突，空隙大于0.5毫米即可。

所述的第一吸波面与金属反射面之间的距离为(0.4λ₀～0.6λ₀)，优选0.5λ₀，该距离决定了吸波带的最低频率和最高频率。λ₀表示吸波带中心频率对应的自由空间波长。

所述的第三、四、五、六金属线的长度为优选为其中表示吸波带中心频率对应的介质中的波长，ε₂表示第二介质基片的介电常数；

所述的三维传输线结构的第三、四、五、六金属线一端与第一吸波面上表面的第一、二金属线连接。所述的三维传输线结构包含的第三、四、五、六金属线形状以及位置完全相同。

所述的第一吸波面、三维传输线结构、第二吸波面和金属反射面的中心位于同一竖直直线上，该直线即为整个结构单元的中心线。

所述的第二、三介质基板、金属反射面围合成开放式空气腔，该开放式空气腔决定了中心频率附近的吸波效果，其厚度(即第二介质基板与金属反射面间的距离)为中心频率对应的自由空间波长的0.2～0.3倍，即(0.2λ₀～0.3λ₀)；优选为0.25λ₀。

所述的金属反射面与第三介质基片尺寸大小一致。

具体工作原理：当全频段的电磁波射入结构表面，第一吸波面与三维传输线结构所合成的结构对不同频率的电磁波会产生不同的频率响应。当该结构工作在四分之一波长和四分之三波长附近时，对应频段的电磁波被吸收；而工作在二分之一波长附近时，由于三维传输线结构所产生的无穷大阻抗，第一吸波面呈开路状态，对入射电磁波几乎透明(无吸收)。此时，入射电磁波几乎不受影响地穿过第一吸波面由第二吸波面吸收。两个吸波面互相配合，各自负责三段相邻频段的吸波，使得整个结构在极宽的频段内都具备良好的吸波率。此外，该结构呈中心对称，故为双极化结构，即对TE和TM极化波均有相同效果。上述的TE波表示向z轴负方向入射且电场方向与y轴平行的电磁波；TM波表示向z轴负方向入射且电场方向与x轴平行的电磁波。本发明的目的是提供上述双极化超宽带吸波结构，通过有效吸收入射的电磁波来极大地减小反射波。

新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构具有以下优点：

(1)本发明提出的吸波结构具备超宽吸波带，在1.69GHz到12.09GHz频带范围反射率低于-10dB；

(2)本发明提出的吸波结构厚度仅为20mm，相对于最低吸波频点(1.69GHz)的厚度仅为0.11波长。

(3)本发明提出的吸波结构重量轻。整个结构大部分体积是空气，PCB板材所占空间比例很小，且板材自身密度不高，属于轻质材料。

(4)本发明提出的吸波结构易于设计，加工简单，整个结构仅用PCB工艺就可以实现，并且一个单元内只用了四个集总电阻，大大的缩减了设计成本和设计的复杂度。

附图说明

图1是本发明的三维单元结构示意图；

图2是本发明的三维单元结构拆分示意图；

图3是本发明的第一吸波面的顶视图；

图4是本发明的第一吸波面的底视图；

图5是本发明的三维传输线结构的侧视图；

图6是本发明的第二吸波面的顶视图；

图7是本发明的第一吸波面的结构标注图；

图8是本发明的三维传输线结构的结构标注图；

图9是本发明的第二吸波面的结构标注图；

图10是本发明的仿真的频率响应图；

图11是本发明的吸波率曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

如图1，图2所示，新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构为沿z轴(电磁波传播方向)垂直设置的周期性结构单元，每个结构单元无缝排布并包括第一吸波面、三维传输线结构、第二吸波面和金属反射面；

如图3，图4所示，第一吸波面包括厚度为0.254毫米的Rogers5880的第一介质基片1，第一金属线2镀在介质基片1上表面，第二金属线4中间段镀在介质基片1下表面，其他段镀在介质基片1上表面，第一金属线2和第二金属线4呈垂直设置，第一、第二集总电阻(均标注为3)分别设置在介质基片1的上下表面，下表面的第二集总电阻3通过第一、第二金属化过孔(均标注为5)与第二金属线4位于基片上表面段相连；

如图6所示，第二吸波面包括厚度为0.254毫米的Rogers5880的第三介质基片8，镀在介质基片8上下表面的第七、第八金属线(均标注为9)和其上的第三、第四集总电阻(均标注为10)。第七、第八金属线9设置在介质基片8上下表面并呈垂直布置。所述的第三介质基片8为与第一介质基片1尺寸大小相同的方形，故在其四边边沿中间位置挖槽；第七、第八金属线9靠近挖槽端为C字形，将挖槽边沿围合。

所述的第七、第八金属线靠近挖槽端的C字形外侧金属线到该槽中心的距离为r；

如图1，2，5所示，三维传输线结构包括四片设置在第一介质基片1侧边且设置在第一介质基片1下方的第二介质基片6和第三、四、五、六金属线(均标注为7)，所有金属线7均设置在第二介质基片6的内侧中心处。第二介质基片6为T形结构：横臂设置在第一介质基片1和第二介质基片6间，且上端与第一介质基片接触；纵臂穿过第三介质基片挖槽与设置在第三介质基片下方的金属反射面接触；其中第二介质基片不与第三介质基片相接触，且留有空隙，防止与三维传输线结构相冲突；该空隙宽度为1毫米。

如图1所示，第一吸波面上的第一金属线2和第二金属线4与三维结构中的第三、四、五、六金属线7中对应的金属线相连接。

如图1所示，金属反射面11设置在结构最下方并紧贴三维结构的第二介质基片6。

如图1、图2所示，第一吸波面、三维结构、第二吸波面与金属反射面的中心所在直线与z轴平行；

第一介质基片1和第二介质基片8均为方形。

具体结构几何参数如图7、图8、图9中标注所示，具体描述如下：

其中b为单元结构在x轴和y轴方向的周期，b₁为第一介质基片1的边长，w₁为第一介质基片1上的第一金属线2和第二金属线4的宽度，d为第一、第二金属化过孔5的直径，R_a为焊接在第一金属线2和第二金属线4上的第一、第二集总电阻的阻值。t和l分别为第二介质块6的厚度和长度，w₂和l₂分别为第二、三、四、五金属线7的宽度和长度，l₁和w₃分别为第二介质块较窄部分的长度和宽度。r为第七、第八金属线9的半圆环部分的外半径，w₄为半圆环的线宽，w₅为第七、第八金属线9中间直线部分的线宽，R_b为焊接在其上的第三、第四集总电阻10的阻值，r₁为在第三介质基片四边中心处挖去的半圆孔的半径。

图10和图11为该新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构的仿真结果。图10的仿真结果表明该结构对TE极化和TM极化的电磁波均能工作。吸波带从1.69GHz到12.09GHz，达到了7.15个倍频程。图11为显示了在吸波带内，该吸波结构的吸波效率均高于90％，具有非常优异的吸波性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于为周期性结构，每个结构单元包括两个二维吸波面、一个三维传输线结构以及一个金属反射面；

所述的两个二维吸波面包括上下设置的第一吸波面和第二吸波面，均为周期性分布结构单元，每个单元无缝排布；第一吸波面和第二吸波面均为中心对称结构，该中心位于整个结构单元的中心线；

所述的第一吸波面包括第一介质基片，第一、第二金属线,以及第一、二集总电阻；其中第一金属线镀在第一介质基片上表面，第二金属线中间段镀在第一介质基片下表面，其他段镀在第一介质基片上表面，且第一金属线与第二金属线中间段垂直设置，垂直交叉点位于整个结构单元的中心线；第一集总电阻焊接在第一介质基片上表面第一金属线中心位置上的，第二集总电阻焊接在第二金属线中间段中心位置，该中心位于整个结构单元的中心线；第二集总电阻两端分别通过第一、第二金属化过孔与第二金属线位于第一介质基片上表面的线段相连；

所述的第二吸波面包括与第一介质基片平行设置的第三介质基片，分别镀在第三介质基片上下表面的第七、第八金属线，以及分别焊接在第七、第八金属线中心位置上的第三、第四集总电阻，该中心位于整个结构单元的中心线；

所述的第三介质基片四周边沿中心处挖槽，槽为半圆形，第七、第八金属线靠近挖槽端为半圆形，并将槽围合；

所述的三维传输线结构设置在两个二维吸波面间，为中心对称结构，该中心位于整个结构单元的中心线；具体包括设置在吸波面侧面的第二介质基片以及镀在第二介质基片内侧四周的第三、四、五、六金属线；第二介质基片上端与第一介质基片接触，另一端穿过第三介质基片挖槽与设置在第三介质基片下方的金属反射面接触；其中第二介质基片不与第三介质基片相接触，且留有空隙；

所述的第一吸波面与金属反射面之间的距离为(0.4λ₀～0.6λ₀)；

所述的第三、四、五、六金属线的长度为其中表示吸波带中心频率对应的介质中的波长，λ₀表示吸波带中心频率对应的自由空间波长，ε₂表示介质基片的介电常数；

所述的三维传输线结构的第三、四、五、六金属线一端与第一吸波面上表面的第一、二金属线连接；

所述的第一吸波面、三维传输线结构、第二吸波面和金属反射面的中心位于同一竖直直线上，该直线即为整个结构单元的中心线；

所述的第二、三介质基板、金属反射面围合成开放式空气腔，该开放式空气腔决定了中心频率附近的吸波效果，其厚度为(0.2λ₀～0.3λ₀)。

2.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于所述的第一、第二集总电阻的阻值相同。

3.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于所述的第七、第八金属线靠近挖槽端与位于同一挖槽内第二介质基片内侧金属线的最近距离为0.1毫米。

4.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于第三介质基片挖槽面积要求能够使得第二介质基片的纵臂能够顺利穿过。

5.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于所述的第三、第四集总电阻的阻值相同。

6.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于第二介质基片不与第三介质基片相接触，且留有大于0.5毫米空隙，防止与三维传输线结构相冲突。

7.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于所述的第一吸波面与金属反射面之间的距离为0.5λ₀。

8.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于所述的第三、四、五、六金属线的长度为

9.如权利要求1所述的新型二/三维结合双极化超宽带吸波结构，其特征在于所述的第二、三介质基板、金属反射面围合成开放式空气腔，该开放式空气腔决定了中心频率附近的吸波效果，其厚度为0.25λ₀。