CN110277649A - 基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体 - Google Patents

基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，包括底板、设置在底板上的介质层以及在介质层上二维等间距排布的周期结构单元，所述底板为金属膜或者金属栅格；所述介质层为单层或多层；所述周期结构单元的谐振频率在吸收频带的带外高频。本发明在同等小型化尺度条件下，可以获得较大的相对带宽。

Description

基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体
技术领域
本发明属于频率选择表面技术领域和电磁吸收体技术，具体为一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体。
背景技术
电磁吸收体指能吸收并衰减入射的电磁波，并且使电磁能量转化为其他形式的能量损耗掉的一种功能材料。随着科技的发展，电磁吸收体的需求正在不断增长。电磁吸收体在军事应用中起着关键作用，主要用于减少飞机，船舶，坦克等目标的雷达特征。除了隐形和伪装应用之外，电磁吸收体还被用于减少安装在同一平台上的电路元件之间的电磁干扰。因此，电磁吸收体的研究具有重要意义。
前人在电磁吸收体的研究中已经取得了许多成果，Salisbury屏就是其中一种，它是通过在金属地板前四分之一波长处放置一块电阻板构成，具有结构简单的优点，但是带宽很窄。而Jaumann屏通过在金属地板前分开放置多个电阻板构成展宽带宽，但是其间厚度有所增加。为了更好地满足电磁吸收体对于带宽和厚度的需求，周期结构被引入电磁吸收体的设计，这样的电磁吸收体也称作“电路模拟吸收体”。
传统的电路模拟吸收体一般将周期单元的谐振频率设置在吸收中心频率f0附近，这样根据传输线理论，吸收体表面的周期单元可以等效为一个R、L、C串联谐振电路，而底层地板让传输线终端短路。在f0处，周期单元谐振导致L、C电抗相互抵消，此时，若介质基板的厚度约为四分之一个中心频率波长，且电阻R与自由空间阻抗相接近，即可以获得入射波的零反射。若入射波频率小于f0，R、L、C等效电路中的电抗部分呈现容抗特性，而介质基板将呈现感性，也可以实现谐振获得入射波的零反射；当入射波频率大于f0，情况类似。因此，电路模拟吸收体可以实现较宽的带宽。但是，基于这种原理设计，将导致周期单元尺寸较大，尤其中低频情况下。而在实际应用中，很多电磁吸收体的占用空间受限，要在有限空间中放置更多周期单元以逼近无限大结构对单元尺寸提出了较高要求。
目前，电路模拟吸收体中周期单元的小型化主要可采用(1)弯折线结构(2)集总元件加载(3)倾斜排布。弯折线技术和倾斜排布往往受单元结构和排布空间的限制，使得单元尺寸缩减量有限。集总元件加载工艺上需要焊接，不利于实现全平面结构和加工成本控制，另外集总元件的容差会引起实测参数和仿真的较大偏离，高频集总元件的高售价也往往让设计者止步。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，包括底板、设置在底板上的介质层以及在介质层上二维等间距排布的周期结构单元，所述底板为金属膜或者金属栅格；所述介质层为单层或多层；所述周期结构单元的谐振频率在吸收频带的带外高频。
优选地，工作频率在60GHz以下。
优选地，当底板为金属膜时，其电导率通过仿真得到的S11参数确定，指标为入射波全反射；当底板为金属栅格时，其尺寸由透光率要求确定，确定公式为：
其中，a是金属栅格周期边长，g是金属栅格线宽；
金属栅格电导率通过仿真得到的S11参数确定，指标为入射波全反射。
优选地，所述周期结构单元的厚度通过方阻与电导率和厚度之间的关系确定，确定公式为：其中，R为方阻值，d为导电薄膜厚度，σ为导电薄膜电导率。
优选地，所述周期结构单元的材料为有耗膜材料。
优选地，所述周期结构单元的材料为有纳米银线。
优选地，所述周期结构单元为方形、圆形、六边形或Y形。
优选地，所述周期结构单元为镂空的方形环贴片，所述金属栅格底板由若干方形栅格贴片构成，每个周期结构单元与一个方形栅格贴片一一对应设置。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明可以显著的提高电磁吸收体的小型化程度，周期单元尺寸可以达到2)本发明在同等小型化尺度条件下，可以获得较大的相对带宽，单元尺寸为时，可以获得47％的相对带宽，并对入射波角度不敏感；3)本发明可以用于透光电磁吸波体设计，若地板采用金属栅格结构，同时周期单元采用金属占有率单元结构，在介质基板选用透光材料的情况下，则可以实现高透光性，透光率80％以上。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是实施例中周期结构单元的正视尺寸规格图。
图2是实施例中金属栅格底板的正视尺寸规格图。
图3是实施例中周期结构单元的2x2周期排布图。
图4是实施例中金属栅格底板的2x2周期排布图。
图5是本发明在TE/TM极化波垂直入射时的反射系数隨频率变化的曲线。
图6是本发明在TE/TM极化波垂直入射时的透射系数隨频率变化的曲线。
图7是本发明在不同入射角度下的TE极化波入射时的反射系数隨频率变化的曲线。
图8是本发明在不同入射角度下的TE极化波入射时的透射系数隨频率变化的曲线。
图9是本发明在不同入射角度下的TE极化波入射时的吸收率隨频率变化的曲线。
图10是本发明在不同入射角度下的TM极化波入射时的反射系数隨频率变化的曲线。
图11是本发明在不同入射角度下的TM极化波入射时的透射系数隨频率变化的曲线。
图12是本发明在不同入射角度下的TM极化波入射时的吸收率隨频率变化的曲线。
具体实施方式
一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，包括底板1、设置在底板1上的介质层2以及设置在介质层2上的周期结构单元3，所述底板1为金属膜或者金属栅格；所述介质层2为单层或多层；所述周期结构单元3的谐振频率数倍于所需吸收频率。多层介质层的介电系数可以相同或不同，多层介质层的厚度也可以相同或不同。介质层的材料可以自行确定。介质层的厚度可以通过参数扫描、人工蚁群、遗传算法等优化程序优化确定。所述周期结构单元3均为线宽小于100μm的金属线条，且其长宽均小于1mm。
进一步的实施例中，工作频率在60GHz以下。
进一步的实施例中，当底板1为金属膜时，其电导率通过仿真得到的S11参数确定，指标为入射波全反射；当底板1为金属栅格时，其尺寸由透光率要求确定，确定公式为：
其中，a是金属栅格周期边长，g是金属栅格线宽；
金属栅格电导率通过仿真得到的S11参数确定，指标为入射波全反射。
进一步的实施例中，所述周期结构单元3的厚度通过方阻与电导率和厚度之间的关系确定，确定公式为：其中，R为方阻值，d为导电薄膜厚度，σ为导电薄膜电导率。
进一步的实施例中，所述周期结构单元3的材料为有耗膜材料。
进一步的实施例中，所述周期结构单元3的材料为有耗纳米银线。
进一步的实施例中，所述周期结构单元3为方形、圆形、六边形或Y形
本发明采用的设计原理是将周期结构单元的谐振频率设计到数倍于所需吸收频率f0处，所以当该电磁吸收体工作在吸收频率f0附近时，当前工作频率远小于周期结构单元的谐振频率，根据传输线理论，可以将周期结构单元等效为一个R、L、C串联谐振电路，此时该电路的电抗部分主要呈现容性，而介质基板呈现感性，与周期结构单元的容性抵消。若等效电路中的电阻成分近似为自由空间波阻抗，就可以实现对电磁波的零反射。又由于电磁吸收体的吸收频率f0远小于周期结构单元的谐振频率，所以在吸收频率f0附近一段较宽的频率范围内，周期结构单元的R、L、C串联等效电路中的电抗部分都呈现为容性。因此，利用这一原理可以实现电磁吸收体较宽的相对带宽。与此同时，由于周期结构单元的谐振频率被设计到数倍于所需吸收频率f0处，周期结构单元的尺寸将小于工作于相同吸收频段的传统电路模拟吸收体单元。当设计的电路模拟吸收体工作于60GHz以下的频段时，周期结构单元的小型化效果显著。由于这种原理设计得到的周期结构单元尺度极小，这种结构对入射波的角度也不敏感。很多传统周期结构单元都可以等比例缩小应用于这种结构，从而为小型化周期结构单元的电路模拟吸收体提供了通用设计方法。
实施例
一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，包括金属栅格底板、设置在金属栅格底板上的介质基板，以及设置在介质基板表面的表层周期结构单元。
如图1所示，本实施例中，周期结构单元为镂空的方形环贴片。
本实施例中，周期结构单元选用的材料为纳米银线。采用纳米银线的原因是纳米银线是一种可以实现微米尺度加工的有耗膜材料。本实施例中，表层纳米银线周期结构单元的电导率设置为1×105S/m。
本实施例中，周期结构单元的厚度设置为1μm，可以通过方阻与电导率和厚度之间的关系：来改变表层与底层电阻膜厚度。上述方阻与电导率和厚度的关系式中，R为方阻值，d为有耗膜厚度，σ为有耗膜电导率。
介质基板为矩形板，材料为有损耗介质。
本实施例中，介质基板选用相对介电系数为3.75的玻璃，厚度为4mm。采用玻璃的原因是，周期结构单元和金属栅格底板的金属占有率均很小，使用玻璃这一透明介质可以实现电磁吸收体的高透光率。
金属栅格底板由若干方形栅格贴片，每个方形栅格贴片与一个周期结构单元相对设置，如图2所示。
本实施例中，金属栅格底板选用的材料为纳米银线。纳米银线是一种可以实现微米尺度加工的有耗膜材料。本实施例中，底层纳米银线金属栅格的电导率设置为5×106S/m。
本实施例中，金属栅格底板的厚度设置为1μm，可以通过方阻与电导率和厚度之间的关系：来改变表层与底层电阻膜厚度。上述方阻与电导率和厚度的关系式中，R为方阻值，d为有耗膜厚度，σ为有耗膜电导率。
本实施例中形成的电路模拟吸收体的吸波频段为5.8-9.3GHz，介质基板为正方形，周期结构单元以0.5mm为周期长度在介质基板上无限排列，本实施例中，排列为2x2形式，如图3、图4所示，本实施例中各部分的尺寸如表1所示，各参数单位为μm。其中，a-周期单元边长，p-表面层镂空方形环贴片到单元边界的距离，w-表面层镂空方形环贴片的宽度，g1-表面层镂空方形环贴片的镂空部分宽度，w1-表面层镂空方形环贴片镂空部分到方形环贴片内侧边沿的距离，g-底层方形栅格贴片宽度。
表1
a g1 w1 w p g
500 10 5 20 5 2.5
本实施例的电路模拟吸收体在TE/TM极化波入射时的反射系数隨频率变化的曲线如图5所示，电磁吸收体在TE/TM极化波入射时的透射系数隨频率变化的曲线如图6所示。以上曲线都是由CST电磁仿真软件得到的仿真结果。电磁吸收体在不同入射角度下的TE极化波入射时的吸收性能如图7～图12所示，图7、图8、图10、图11中的曲线是由CST电磁仿真软件得到的仿真结果，图9、图12中的曲线是根据absorption＝1-S11 2-S21 2将电磁仿真软件CST得到的仿真得到的结果利用数值计算软件Matlab计算得到。从图中可以看出，电磁吸收体在吸波频段内实现对入射电磁波90％的吸收，相对带宽达到47％，在TE/TM极化波入射时，反射系数与透射系数在吸收频带内稳定，在0°-45°的入射角度下，吸收性能稳定。此外，该结构的单元面积尺寸仅为λ为吸收频段的中心频率所对应的波长，具有较好的小型化性能。

Claims (8)

1.一种基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，包括底板(1)、设置在底板(1)上的介质层(2)以及在介质层(2)上二维等间距排布的周期结构单元(3)，所述底板(1)为金属膜或者金属栅格；所述介质层(2)为单层或多层；所述周期结构单元(3)的谐振频率在吸收频带的带外高频。
2.根据权利要求1所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，工作频率在60GHz以下。
3.根据权利要求1所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，当底板(1)为金属膜时，其电导率通过仿真得到的S11参数确定，指标为入射波全反射；当底板(1)为金属栅格时，其尺寸由透光率要求确定，确定公式为：
其中，a是金属栅格周期边长，g是金属栅格线宽；
金属栅格电导率通过仿真得到的S11参数确定，指标为入射波全反射。
4.根据权利要求1所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，所述周期结构单元(3)的厚度通过方阻与电导率和厚度之间的关系确定，确定公式为：其中，R为方阻值，d为导电薄膜厚度，σ为导电薄膜电导率。
5.根据权利要求1所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，所述周期结构单元(3)的材料为有耗膜材料。
6.根据权利要求1或5任一所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，所述周期结构单元(3)的材料为有耗纳米银线。
7.根据权利要求1所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，所述周期结构单元(3)为方形、圆形、六边形或Y形。
8.根据权利要求1所述的基于微米尺度周期单元的电路模拟吸收体，其特征在于，所述周期结构单元(3)为镂空的方形环贴片，所述金属栅格底板由若干方形栅格贴片构成，每个周期结构单元与一个方形栅格贴片一一对应设置。
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