CN111029788A - 具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，吸波结构包括由上至下依次贴设的金属贴片单元、介质基板和下层金属地板，金属贴片单元，包括：多个扇形贴片和一个正多边形贴片；正多边形贴片设置于介质基板的中心处，其中，正多边形贴片为正八边形；扇形贴片呈圆形、等间距的分布于正多边形贴片的外侧，扇形贴片的圆心位于正多边形贴片的顶点上。通过本申请中的技术方案，设计一种具有角度和极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，该吸波结构应用于天线，在宽频带范围内，具有优秀的吸波性能，并且在不同的入射极化方向和入射角度下，都能保证天线性能的稳定。

Description

具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构
技术领域
本申请涉及天线的技术领域，具体而言，涉及具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构。
背景技术
超材料是指一些具有天然材料所不具备的、超常物理性质的、人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上，进行结构有序设计，可以突破某些自然规律的限制，从而获得超出自然界常规材料所固有的普通物理性质的功能。
随着人们对电磁超材料的关注度逐渐升高，对它的科研进展也逐渐加快。电磁超材料能够使入射到材料的相应频带内的电磁波的电磁分量耦合，从而近乎百分之百的吸收入射电磁波，可以应用于测辐射热仪、电磁隐身、热发射等领域，电磁超材料还能够有效的减小如电磁炉，微波炉，微波理疗仪等电子产品的电磁泄漏现象，从而避免热效应、非热效应、累积效应等由于电磁辐射产生不良现象对人体造成伤害和电磁污染。
而现有技术中，已经将电磁超材料应用于天线的吸波结构，以提高天线性能，特别是增强天线的定向性。在实际应用中，低剖面和宽频带是天线中的两个重要的性能参数。虽然研究人员提出了很多技术和方法来提升天线的工作带宽，例如多谐振结构、集中元件加载和多层结构等，但是，在不同极化方向和入射角度，天线的吸波率和带宽的变化剧烈。因此，设计一种具有角度和极化不敏感性的宽带吸波结构，在天线领域中具有重要的实际应用价值。
发明内容
本申请的目的在于：设计一种具有角度和极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，该吸波结构应用于天线，在宽频带范围内，具有优秀的吸波性能，并且在不同的入射极化方向和入射角度下，都能保证天线性能的稳定。
本申请第一方面的技术方案是：提供了具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，吸波结构包括由上至下依次贴设的金属贴片单元、介质基板和下层金属地板，金属贴片单元，包括：多个扇形贴片和一个正多边形贴片；正多边形贴片设置于介质基板的中心处，其中，正多边形贴片为正八边形；扇形贴片呈圆形、等间距的分布于正多边形贴片的外侧，扇形贴片的圆心位于正多边形贴片的顶点上。
上述任一项技术方案中，进一步地，金属贴片单元，还包括：加载电阻和加载电容；加载电阻和加载电容设置于相邻的两个扇形贴片之间，其中，加载电阻设置于金属贴片单元内侧的边缘，加载电容设置于加载电阻的内侧。
上述任一项技术方案中，进一步地，加载电阻和加载电容为边长相等的正方形，加载电阻的第一距离x1为加载电容的第二距离x2的一半，其中，第一距离x1为加载电阻的外边缘与金属贴片单元边缘之间的距离，第二距离x2为加载电容的外边缘与金属贴片单元边缘之间的距离。
上述任一项技术方案中，进一步地，根据预设屏蔽波段参数和吸波率计算公式，计算加载电阻R和加载电容C1的取值，其中，吸波率计算公式为：
Figure BDA0002312723300000021
Yin＝Y1+YA
Figure BDA0002312723300000022
Figure BDA0002312723300000023
式中，Y0为空气的特性导纳，Yin为该等效电路的输入导纳，εr为介质基板的相对介电常数，ε0为真空的介电常数，μr为介质基板的磁导率，μ0为自由空间的磁导率，Yd为介质基板的特性导纳，k为介质基板的传播常数。
上述任一项技术方案中，进一步地，介质基板的宽度p为13.7mm，介质基板的厚度h＝3.4mm。
本申请第二方面的技术方案是：提供了一种天线，该天线由吸波结构构成，吸波结构为如第一方面技术方案中任一项所述的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构。
本申请的有益效果是：
本申请中的技术方案，通过设置正八边形贴片，并在该贴片的每个顶点处设置一个扇形贴片，并通过在相邻的两个扇形贴片之间添加加载电阻和加载电容，实现对吸波结构的加载，并通过等效电路计算各个结构的参数取值，进而完成对吸波结构的设计。本申请中的宽带超材料吸波结构，可实现5.6GHz到13.7GHz的宽频带高效率吸波性能，且吸收率不随极化角度变化而变化。当入射波从不同角度入射时，该吸波结构也能保证较好的性能。
由于所设计的吸波结构采用的单层介质板，相对于其他宽带吸波结构，具有更低的剖面高度，更简单的加工流程和更低的成本。因此在实际应用中，例如隐身系统以及电磁屏蔽系统，在保证性能的同事，可以提供更多的设计自由度，提供更好的应用能力。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构的俯视图；
图2是根据本申请的一个实施例的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构的侧视图；
图3是根据本申请的一个实施例的吸波结构的等效电路图；
图4是根据本申请的一个实施例的吸波结构的吸收率与频率之间的关系曲线；
图5是根据本申请的一个实施例的不同极化角度下超材料吸波结构的吸收率与频率之间的关系曲线；
图6是根据本申请的一个实施例的TE模式下不同入射角度下超材料吸波结构的吸收率与频率之间的关系曲线；
图7是根据本申请的一个实施例的TM模式下不同入射角度下超材料吸波结构的吸收率与频率之间的关系曲线。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1和图2所示，本实施例提供了具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，吸波结构包括由上至下依次贴设的金属贴片单元、介质基板和下层金属地板，金属贴片单元，包括：多个扇形贴片和一个正多边形贴片。
该正多边形贴片设置于介质基板的中心处，其中，正多边形贴片为正八边形。正多边形贴片的每一个顶点连接有一个扇形贴片，即扇形贴片的圆心位于正多边形贴片的顶点上，8个扇形贴片呈圆形、等间距的分布于正多边形贴片的外侧，相邻的两个扇形贴片间的间距，记作为扇形贴片间距a。
进一步的，金属贴片单元，还包括：加载电阻和加载电容；加载电阻和加载电容设置于相邻的两个扇形贴片之间，加载电阻和加载电容为边长相等的正方形，两者的宽度与扇形贴片间距a的大小相等。通过设置加载电阻和加载电容，对吸波结构中的金属贴片单元进行加载。
在设置加载电阻和加载电容时，将加载电阻设置于金属贴片单元内侧的边缘，加载电阻的外边缘距离金属贴片单元边缘的距离为第一距离x1，加载电容设置于加载电阻的内侧，其外边缘距离金属贴片单元边缘的距离为第二距离x2。
进一步的，根据预设屏蔽波段参数和吸波率计算公式，计算加载电阻R和加载电容C1的取值，如图3所示，将本实施例中的吸波结构进行等效变换，区域A是RLC电路层，由电阻R、电感L、电容C和C1组成，区域B是高度为h的短路传输线，即介质基板的厚度为h。
计算该等效电路的吸波率，吸波率计算公式为：
Figure BDA0002312723300000051
Yin＝Y1+YA
Figure BDA0002312723300000052
Figure BDA0002312723300000053
式中，Y0为空气的特性导纳，Yin为该等效电路的输入导纳，εr为介质基板的相对介电常数，ε0为真空的介电常数，μr为介质基板的磁导率，μ0为自由空间的磁导率，Yd为介质基板的特性导纳，k为介质基板的传播常数。
因此，为了使吸波结构能够实现全频段的完美吸收效果，需要满足条件Yin＝Y0。本实施例中，金属贴片单元和下层金属地板采用金属铜材料，介质基板的型号为FR-4型，其相对介电常数εr＝3.9，损耗正切角为0.002。
通过利用图3中的等效电路模型，对各参数的初始值进行计算，得到初始值之后，再通过常用的三维全波电磁仿真优化，对本实施例中的吸波结构进行参数优化，确定其最终模型参数值。本实施例的吸波结构，各参数的取值如表1所示。
表1
参数名称 参数取值
介质基板宽度p 13.7mm
扇形贴片间距a 0.35mm
扇形贴片半径r 4.1mm
介质基板厚度h 3.4mm
第一距离x1 0.5mm
第二距离x2 1mm
加载电阻阻值R 120Ω
加载电容值C1 0.1pF
为了验证本实施例中吸波结构的性能，对其进行试验，利用本实施例中的吸波结构制成天线，对天线的吸波情况进行检测。
如图4所示，天线信号垂直入射时，对于TE和TM模式下，该吸波结构的吸收率和频率之间的关系。可以看出两种模式下，天线对信号的吸收率基本一样，当信号的频率在5.6到13.7GHz范围内时，天线的吸收率达到90％以上的吸收率，带宽达到80％以上，而剖面高度仅为1/9波长。
如图5所示，当天线的极化角度从0到90度变化时，该天线对信号的吸收率均无变化，体现了非常优秀的极化不敏感性。
如图6和图7所示，信号的入射角度不同时，对于TE模式，当入射角从0到50度变化时，该吸波结构在30度范围内依旧能实现6.5到13GHz、90％以上的宽带吸收，并且随着入射角变大，吸收率下降幅度不像其他结构那么明显。对于TM模式，在0到30度范围内也可以实现7到11GHz的良好吸波性能。
以上数据表明，该超材料吸波结构具有良好的角度不敏感性。
本实施例还提供了一种天线，利用上述实施例中具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构制成。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，吸波结构包括由上至下依次贴设的金属贴片单元、介质基板和下层金属地板，金属贴片单元，包括：多个扇形贴片和一个正多边形贴片；正多边形贴片设置于介质基板的中心处，其中，正多边形贴片为正八边形；扇形贴片呈圆形、等间距的分布于正多边形贴片的外侧，扇形贴片的圆心位于正多边形贴片的顶点上。通过本申请中的技术方案，设计一种具有角度和极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，该吸波结构应用于天线，在宽频带范围内，具有优秀的吸波性能，并且在不同的入射极化方向和入射角度下，都能保证天线性能的稳定。
本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (6)

1.具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，其特征在于，所述吸波结构包括由上至下依次贴设的金属贴片单元、介质基板和下层金属地板，所述金属贴片单元，包括：多个扇形贴片和一个正多边形贴片；
所述正多边形贴片设置于所述介质基板的中心处，其中，所述正多边形贴片为正八边形；
所述扇形贴片呈圆形、等间距的分布于所述正多边形贴片的外侧，所述扇形贴片的圆心位于所述正多边形贴片的顶点上。
2.如权利要求1所述的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，其特征在于，所述金属贴片单元，还包括：加载电阻和加载电容；
所述加载电阻和所述加载电容设置于相邻的两个扇形贴片之间，其中，所述加载电阻设置于所述金属贴片单元内侧的边缘，所述加载电容设置于所述加载电阻的内侧。
3.如权利要求2所述的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，其特征在于，所述加载电阻和所述加载电容为边长相等的正方形，所述加载电阻的第一距离x1为所述加载电容的第二距离x2的一半，
其中，所述第一距离x1为所述加载电阻的外边缘与所述金属贴片单元边缘之间的距离，
所述第二距离x2为所述加载电容的外边缘与所述金属贴片单元边缘之间的距离。
4.如权利要求2所述的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，其特征在于，根据预设屏蔽波段参数和吸波率计算公式，计算所述加载电阻R和所述加载电容C1的取值，
其中，所述吸波率计算公式为：
Figure FDA0002312723290000011
Yin＝Y1+YA
Figure FDA0002312723290000012
Figure FDA0002312723290000021
式中，Y0为空气的特性导纳，Yin为该等效电路的输入导纳，εr为介质基板的相对介电常数，ε0为真空的介电常数，μr为介质基板的磁导率，μ0为自由空间的磁导率，Yd为介质基板的特性导纳，k为介质基板的传播常数。
5.如权利要求4所述的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构，其特征在于，所述介质基板的宽度p为13.7mm，所述介质基板的厚度h＝3.4mm。
6.一种天线，其特征在于，所述天线由吸波结构构成，所述吸波结构包括如权利要求1至5中任一项所述的具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构。
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