CN110137691B - 基于周期性磁性材料的超宽带吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，应用于电磁场与微波技术领域，针对现有的吸波器存在的工作频段还不够宽以及吸波器的厚度较厚的问题，本发明的吸波器由若干吸波器单元周期性排列构成，吸波器单元从上至下依次为：第一层磁性材料、第二层磁性材料以及金属反射板；在所述第一层磁性材料的中心位置挖孔，在第二层磁性材料的中心位置挖孔，在第一层磁性材料的四个角各挖去四分之一孔，且第一层磁性材料、第二层磁性材料的孔结构相同尺寸不同；本发明基于周期性磁性材料的超宽带吸波器可以实现电磁波宽频段的吸波，且结构紧凑简单、易于加工与装配、相对厚度薄。

Description

基于周期性磁性材料的超宽带吸波器
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，特别涉及一种基于周期性磁性材料的宽带吸波器技术。
背景技术
电磁吸波材料一种能够实现入射电磁波的吸波，降低电磁波的反射。目前吸波材料主要通过电损耗、磁损耗等方式吸收电磁波。磁性吸波材料主要磁滞损耗吸波电磁波，但是该类磁性材料存在吸波带宽较窄等方面的不足。基于超材料结构的新型吸波结构，具有较薄的结构特点，但是同样存在工作带宽窄等问题。设计吸波工作带宽宽、易于加工与装配的吸波器在军事民用等领域具有重要意义。
但是现阶段大部分电磁吸波器的工作频段还不够宽以及吸波器的厚度较厚，如专利CN102732210运用单层周期性方形磁性材料，实验获得了较宽的吸波工作带宽，但是存在需要加工若干个分立的方形块磁性材料单元，从而导致吸波器的加工与装配过程复杂，而且装配误差一定程度上也会影响吸波器的吸波效率，该不太适合于大规模的生产加工。
专利CN107645064采用在磁性结构中加载FSS金属结构，通过采用较高介电常数与磁导率型磁性材料，选择合适尺寸的FSS结构，实验得到了吸波率高于90％的工作带宽为1.13-4.8GHz，同样在高频部分时吸波器存在吸波效率值不高的问题，总体上该吸波器的工作频段还是较窄、不够宽。
专利CN108493623运用铁氧体结构与FSS结构组成复合型吸波器，该吸波器具有较宽的吸波工作带宽，但是该吸波器的厚度为25mm，其厚度为最低工作频率的1/24，该吸波器存在厚度较厚的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，采用两层具有周期性孔且介电常数与磁导率不同的磁性材料，不仅能降低吸波器的厚度，并且在同等吸波器厚度的前提下实现较宽的吸波带宽。
本发明采用的技术方案为：一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，由若干吸波器单元周期性排列构成，所述吸波器单元从上至下依次为：第一层磁性材料、第二层磁性材料以及金属反射板；在所述第一层磁性材料的中心位置挖去第一结构尺寸的孔，在第二层磁性材料的中心位置挖去第二结构尺寸的孔，在第一层磁性材料的四个角各挖去第三结构尺寸的孔沿中心线正交等分的四分之一结构，且第一结构尺寸的孔与第二结构尺寸的孔结构相同尺寸不同；
所述第一层磁性材料及第二层磁性材料的中心位置相同，挖去孔后的第一层磁性材料与第二层磁性材料均为关于穿过中心位置的垂直线的对称结构；
第一结构尺寸的孔的尺寸大于第二结构尺寸的孔的尺寸，第二结构尺寸的孔的尺寸大于第三结构尺寸的孔的尺寸。
进一步地，所述第一层磁性材料为匹配层，第一层磁性材料在整个1-18GHz工作频段范围内，其介电常数为16左右，磁导率从2.5下降到0.5。
进一步地，第二层磁性材料为吸波层，第二层磁性材料在整个1-18GHz工作频段范围内，其介电常数从42下降到20左右，磁导率从7下降到0.5左右。
进一步地，所述吸波器单元呈正方形。
进一步地，第一层磁性材料厚度范围为2mm-3mm。
进一步地，第一层磁性材料厚度范围为2.39mm。
进一步地，第二层磁性材料厚度范围为3mm-5mm。
进一步地，第二层磁性材料厚度范围为4.45mm。
进一步地，所述金属反射板厚度为2mm。
进一步地，第一结构尺寸的孔为半径为5.7mm的圆柱形孔，第二结构尺寸的孔为半径为5mm的圆柱形孔，第三结构尺寸的孔为半径为2mm的圆柱形孔。
本发明的有益效果：本发明通过采用两层具有周期性孔且介电常数与磁导率不同的磁性材料构成的吸波器，能实现对电磁波宽入射角度范围内较稳定的吸收性能；与现有技术相比，本发明的吸波器具有以下优点：
1、同等吸波器厚度条件下具有较宽的吸波带宽。
2、对入射电磁波的极化方式不敏感以及宽入射角度；
3、与传统磁性吸波材料相比较，具有较低的密度、较轻的重量；
4、通过优化调整吸波器结构的结构与单元尺寸，同样适用于其它三层以及多层结构场合。
附图说明
图1为本发明实施例中吸波器的整体结构图；
图2为本发明实施例中吸波器的结构单元图；
其中，图2(a)为三视图，图2(b)为侧视图，图2(c)为正视图；
图3为本发明实施例中第一层磁性材料与第二层磁性材料的电磁参数曲线图；
其中，图3(a)为第一层磁性材料的电磁参数曲线，图3(b)为第二层磁性材料的电磁参数曲线；
图4为本发明实施例中参考磁性吸波材料的吸波率随频率变化曲线图；
图5为本发明实施例中吸波器的吸波率随频率变化曲线图；
图6为本发明实施例中入射波为TM波不同入射角度时吸波器的吸波率随频率变化曲线图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
根据传输线等效理论，磁性材料在工作谐振频点处具有较好的吸波率。在磁性材料中间挖去一定结构尺寸大小的孔(如立方体孔、圆柱形孔、多边形孔等)，通过等效分析，此时磁性材料的等效介电常数与等效磁性率会随着孔的增大而减低，然而磁性材料的吸波谐振频率与磁性材料的厚度、等效介电常数、等效磁导率之间存在反比关系，吸波谐振频率随着的磁性材料厚度、等效介电常数、等效磁导率的增加而降低；同时磁性材料的吸波谐振频率与1/4导波波长的奇数倍呈正向关系，即吸波谐振频率发生在1/4导波波长所对应的谐振频率、3/4导波波长所对应的谐振频率以及5/4导波波长所对应的谐振频率等等；这样可以通过调整并优化吸波器的尺寸(孔的直径、磁性材料边长等)，在工作频段范围内使得磁性材料结构单元呈现多个吸波谐振频点，进而带孔型磁性材料的吸波器具有较宽吸波工作带宽。本实施例中采用圆柱形孔对本发明的内容进行说明：
如图1所示为本发明的一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器的整体结构图，所述超宽带吸波器由若干图2所示的吸波器单元周期性排列构成，如图2(a)所述吸波器单元从上至下依次为：第一层磁性材料4、第二层磁性材料5以及金属反射板6；在所述第一层磁性材料4的中心位置挖去第一结构尺寸的孔，在第二层磁性材料5的中心位置挖去第二结构尺寸的孔，在第一层磁性材料4的四个角各挖去第三结构尺寸的孔沿中心线正交等分的四分之一结构的孔，且第一结构尺寸的孔与第二结构尺寸的孔结构相同尺寸不同；
所述第一层磁性材料4及第二层磁性材料5的中心位置相同，挖去孔后的第一层磁性材料4与第二层磁性材料5均为关于穿过中心位置的垂直线的对称结构。
如图2(b)所示，h1表示第一层磁性材料厚度，h2表示第二层磁性材料厚度，h3表示金属反射板厚度。
如图2(c)所示，Pcell表示第一层磁性材料的边长，Rup表示第一结构尺寸的孔的半径，Rcorner表示第三结构尺寸的孔的半径，Rdown表示第二结构尺寸的孔的半径。
本发明的基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，第一层磁性材料采用介电常数与磁导率相对较低的磁性材料，第二层磁性材料采用介电常数与磁导率相对较高的磁性材料，其磁性材料的电磁参数如图3所示。在整个工作频段1GHz-18GHz范围内，第一层磁性材料的介电常数在16附近，磁导率从2.5下降到0.5附近；第二层磁性材料的介电常数从42下降到20，磁导率从7下降到0.5附近。其中第一层磁性材料与第二层磁性材料中的孔均采用激光切割的方式加工，该加工方式具有加工精度较高等特点以及易于大规模的加工生产等方面的优势。
本发明的设计，根据工作频段范围要求，确认吸波器的结构单元尺寸以及磁性材料的厚度，在整个工作频段1GHz-18GHz范围内，第一层磁性材料的厚度范围为2mm-3mm；第二层磁性材料的厚度范围为3mm-5mm；第一结构尺寸的孔的半径范围为3mm-7mm；第二结构尺寸的孔的半径范围为3mm-6mm；第三结构尺寸的孔的半径范围为1mm-3mm。
本实施例中，优化的参数如下：
第一层磁性材料的厚度为2.39mm，第二层磁性材料的厚度为4.45mm，吸波器结构单元的边长为13mm，第一结构尺寸的孔的半径为5.7mm，第三结构尺寸的孔的半径为2.0mm，第二结构尺寸的孔的半径为5.0mm，金属铝合金反射板的厚度为2mm。
电磁吸波材料的吸波性能通常用反射系数的大小S11与透射系数的大小S21共同来表征，这里考虑到吸波器的底部为金属反射板，即S21＝0，从而吸波器的吸波率近似为1-S2 11。图4给出了参考磁性材料的吸波率曲线图，根据图4可知参考磁性材料的吸波工作带较窄，在高频部分时吸波率不高。图5给出了两层带孔型磁性材料的吸波率曲线图，根据图5可知该吸波器的吸波率高于90％以上的吸波工作带宽为1.65GHz-18GHz，吸波器具有较宽的吸波工作带宽。
图6给出了入射电磁波为TM波时不同入射角度时吸波器的吸波率随频率变化曲线图，根据图6可知在入射角度为0-60度范围内，在工作频段1.7GHz-18GHz内，该吸波器的吸波率均高于90％，该吸波器具有宽入射角度特性。
本实施例提出的一种周期结构磁性材料超宽带吸波器，具有超宽带吸波性能；对入射电磁波的极化方式不敏感以及宽入射角度等特点；同时，该吸波器具有结构紧凑，便于加工装配，适合于大规模加工生产。吸波材料的厚度为6.84mm，其厚度为最低工作频率所对应的波长的1/26。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，其特征在于，由若干吸波器单元周期性排列构成，所述吸波器单元呈正方形，所述吸波器单元从上至下依次为：第一层磁性材料、第二层磁性材料以及金属反射板；在所述第一层磁性材料的中心位置挖去第一结构尺寸的孔，在第二层磁性材料的中心位置挖去第二结构尺寸的孔，在第一层磁性材料的四个角各挖去第三结构尺寸的孔，所述第三结构尺寸的孔为沿中心线正交等分的四分之一圆柱结构，且第一结构尺寸的孔与第二结构尺寸的孔结构相同尺寸不同；
所述第一层磁性材料及第二层磁性材料的中心位置相同，挖去孔后的第一层磁性材料与第二层磁性材料均为关于穿过中心位置的垂直线的对称结构；
第一结构尺寸的孔的尺寸大于第二结构尺寸的孔的尺寸，第二结构尺寸的孔的尺寸大于第三结构尺寸的孔的尺寸；吸波器结构单元的边长为13mm，第一结构尺寸的孔为半径为5.7mm的圆柱形孔，第二结构尺寸的孔为半径为5mm的圆柱形孔，第三结构尺寸的孔为半径为2mm；
所述第一层磁性材料为匹配层，第一层磁性材料在整个1-18GHz工作频段范围内，介电常数为16左右，磁导率从2.5下降到0.5，第二层磁性材料为吸波层，第二层磁性材料在整个1-18GHz工作频段范围内，介电常数从42下降到20左右，磁导率从7下降到0.5左右。
2.根据权利要求1所述的一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，其特征在于，第一层磁性材料厚度范围为2mm-3mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，其特征在于，第一层磁性材料厚度范围为2.39mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，其特征在于，第二层磁性材料厚度范围为3mm-5mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，其特征在于，第二层磁性材料厚度范围为4.45mm。
6.根据权利要求2或5所述的一种基于周期性磁性材料的超宽带吸波器，其特征在于，所述金属反射板厚度为2mm。
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