CN111755828A - 一种基于fss的低频吸波结构 - Google Patents

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李健骁
李维佳
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Abstract

本发明公开了一种基于FSS的低频吸波结构，属于吸波材料设计领域。包括从下向上依次层叠的金属背板、下磁性材料层、FSS结构和上磁性材料层。FSS结构包括介质基板，以及设置在介质基板上的周期性阵列金属FSS图形；周期性阵列金属FSS图形是由至少一个周期结构单元阵列排布而成；周期结构单元包含4个金属贴片,4个金属贴片的中心点分别位于一个矩形的四个顶点上；4个金属贴片的其中2个为相同的正方形金属贴片，另外2个为相同的十字形金属贴片，相同的金属贴片互不相邻。本发明提供的一种基于FSS的低频吸波结构，在2‑8GHz，尤其是2‑4GHZ的频率范围内，具有更好的宽带吸波效果，且结构简单、整体厚度更薄。

Description

一种基于FSS的低频吸波结构
技术领域
本发明属于吸波材料设计领域，具体涉及一种基于FSS的低频吸波结构。
技术背景
随着雷达技术向低频、远距离探测的发展，低频雷达对目标的威胁越来越大，其影响范围从C波段覆盖到了P波段。另一方面，生活中常用的电子设备工作频率一般在1GHz-4GHz范围内，该频率范围的电磁波对人体健康会造成一定的影响。这就促使人们对低频段宽带吸波材料做出进一步的改进，使其符合人们的需求。
传统方法通常采用提升吸波材料的低频磁导率，来增加吸波材料在低频段范围内的损耗，提升低频段宽带的吸波效果。然而现有的研究表明，仅仅依靠提升吸波材料本身的吸波性能，很难实现优良的低频段宽带吸波效果。这是因为，目前大多数常用的磁性材料通常只能实现8-18GHz的宽带强吸收，在低频段(2GHz-8GHz)难以实现宽带吸波。例如：以羰基铁为代表的磁性金属等。
为了拓展低频段宽带吸波材料的带宽，在文献[Yuan W,Chen Q,Xu Y,etal.Broadband Microwave Absorption Properties of Ultrathin Compositescontaining Edge-split Square-loop FSS embedded in Magnetic Sheets[J].IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,2016:1-1.]中，公开了一种在两层磁性材料中间层中嵌入FSS的结构型吸波材料，该结构型吸波材料中的FSS结构为开口谐振器，通过控制开口谐振器的开口间距，调节吸波频段大小和吸收峰值强弱，实现从Ku波段到低频范围内的C波段的宽带吸波，相较于传统的吸波结构，FSS的引入虽然对低频段的吸波性能有了一定的提升，但是在2GHz-8GHz，尤其是2GHZ-4GHZ频率范围内，宽带吸波效果仍然有进一步改善和提升的空间。
发明内容
针对上述背景技术中存在的不足，为改善现有技术中2GHz-8GHz，尤其是2GHZ-4GHZ频率范围的宽带吸波效果，本发明提供了一种基于FSS的低频吸波结构，该结构在2GHz-8GHz，尤其是2GHZ-4GHZ的频率范围内，宽带吸波效果更好，且结构简单。
本发明采用的具体方案如下：
一种基于FSS的低频吸波结构，包括从下向上依次层叠的金属背板、下磁性材料层、FSS结构以及上磁性材料层。
所述FSS结构包括介质基板，以及设置在介质基板上表面的周期性阵列金属FSS图形；周期性阵列金属FSS图形是由至少一个周期结构单元阵列排布而成；周期结构单元由金属贴片构成，在进行阵列排布时，所有金属贴片均不接触。
所述周期结构单元的金属贴片有4个,4个金属贴片的中心点分别位于一个矩形的四个顶点上；4个金属贴片的其中2个为相同的正方形金属贴片，另外2个为相同的十字形金属贴片，且相同的金属贴片互不相邻。
进一步的，所述上磁性材料层和下磁性材料层的厚度均为0.8mm-1.5mm。
进一步的，所述下磁性材料层厚度薄于上磁性材料层厚度。
本发明的原理是：
本发明是以两种不同FSS图形的金属贴片为基础，将两种不同的图形组合在一起，作为FSS结构的一个周期结构单元，并对其进行阵列排列，组成周期性阵列金属FSS图形；然后将周期性阵列金属FSS图形附着在介质基板上，构成FSS结构。FSS结构只对电磁波起到选择透过的作用，本身不产生吸波效果。因此需要将FSS结构与磁性材料进行结合。当FSS结构与磁性吸波材料结合后，相当于在吸波材料的等效阻抗上并联了一个电抗元件，在一定的频率下，电抗元件的引入会使吸波结构发生谐振效应。此时在FSS结构处的电磁波会透过或者反射，进而促进上下两层磁性材料对电磁波的吸收。通常单一图形的FSS结构在一定频率范围内只产生一个谐振点，本发明采用两种不同FSS图形的金属贴片组合的FSS结构可以产生两个谐振点。当两个吸收峰都出现在2GHz-8GHz的频率范围内时，形成2GHz-8GHz范围宽带吸波的效果，从而实现吸波效果的提升。金属贴片尺寸或间距可调整，通过合理调整金属贴片尺寸或间距，可以控制吸收峰的位置和强弱。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于FSS的低频吸波结构，在2GHz-8GHz，尤其是2-4GHZ的频率范围内，具有更好的宽带吸波效果，而且结构简单。此外FSS结构加入磁性材料中也使得整体厚度更薄。
附图说明
图1为吸波结构整体示意图；
图2为FSS结构一个周期结构单元示意图；
图3为上层磁性磁性材料层的材料磁导率；
图4为下层磁性磁性材料层的材料磁导率；
图5为实施例1垂直入射下反射率的仿真结果示意图；
图6为实施例2垂直入射下反射率的仿真结果示意图；
图7为实施例3垂直入射下反射率的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供的一种基于FSS的低频吸波结构，包括从下向上依次层叠的金属背板4、下磁性材料层3、FSS结构2以及上磁性材料层1。
所述下磁性材料层3和上磁性材料层1为磁性材料制备的吸波胶板；下磁性材料层3和上磁性材料层1可以为相同的厚度和磁导率，也可以为不同的厚度和磁导率；当下层磁性材料层3厚度薄于上层磁性材料层1时，可以提升基于FSS的低频吸波结构的整体吸波效果。磁性材料层的磁性材料可以是羰基铁、金属合金粉或者磁性金属氧化物与树脂构成的复合体。在低频范围内，磁性材料的磁导率越高对低频电磁波损耗能力越强。为了更好的实现低频段的宽带吸波效果，施例中优选羰基铁。
所述FSS结构2包括介质基板(图上未明示出)，以及设置在介质基板上表面的周期性阵列金属FSS图形；介质基板的厚度为0.18mm,介电常数均为4.3、介电损耗均为0.025，磁导率均为1。周期性阵列金属FSS图形为阵列结构，包括至少一个周期结构单元，周期结构单元成矩阵排布。在排布过程中，所有的金属贴片均不接触。
所述周期结构单元如图2所示，包含4个金属贴片，4个金属贴片的中心点分别位于一个正方形的四个顶点上；周期结构单元内各相邻金属贴片保持有间距，其最小间距为W。4个金属贴片厚度相同，都是0.02mm，制作材料都选用铜，4个金属贴片具有相同的电导率，都是5.96×10^7S/m。4个金属贴片的其中2个为相同的正方形金属贴片，正方形金属贴片的宽度均为h；4个金属片中的另外2个为相同的十字形金属帖片，组成十字形金属贴片中竖边和横边的长度均为S1，宽度均为s2；相同的金属贴片互不相邻。需要说明的是，制作金属贴片的材料除铜外，还可以选用铝等其他金属材料。
针对上述技术方案，对其进行实施验证，具体验证情况如下：
实施例1
依据上述内容制作出本发明提供的一种基于FSS的低频吸波结构，其具体尺寸参数为：上磁性材料层1的厚度d1为1.5mm，下磁性材料层3的厚度d2为0.8mm，FSS结构层2的厚度为0.2mm，周期性单元结构的周长为40mm，正方形金属贴片边长h为3mm，十字形金属贴片竖边和横边的长度S1为3mm，十字形金属贴片竖边和横边的宽度S2为1mm，周期结构单元内各金属贴片之间的最小间距W为2mm；
在垂直入射的情况下，吸波性能如图5所示：在2GHz-8GHz频率范围内，反射率为-7dB以下；在2GHz-5.8GHz频率范围内，反射率为-8dB以下；在2GHz-3.6GHz频率范围内，反射率为-10dB以下；实施例1的反射率最低值为-16dB。
实施例2
依据上述内容制作出本发明提供的一种基于FSS的低频吸波结构，其具体尺寸参数为：上磁性材料层1的厚度d1为1.5mm，下磁性材料层3的厚度d2为0.8mm，FSS结构层2的厚度为0.2mm，周期性单元结构的周长为40mm，正方形金属贴片边长h为4.3mm，十字形金属贴片竖边和横边的长度S1为4.3，十字形金属贴片竖边和横边的宽度S2为1mm，周期结构单元内各金属贴片之间的最小间距W为1.6mm。
在垂直入射的情况下，吸波性能如图6所示：在2GHz-8GHz频率范围内，反射率为-8dB以下；在5.5GHz-6.6GHz频率范围内，反射率为-9dB以下；在2GHz-3.12GHz频率范围内，反射率为-10dB以下；实施例的反射率最低值为-14dB。
实施例3
依据上述内容制作出本发明提供的一种基于FSS的低频吸波结构，其具体尺寸参数为：上磁性材料层1的厚度d1为1.5mm，下磁性材料层3的厚度d2为0.8mm，FSS结构层2的厚度为0.2mm，周期性单元结构的周长为40mm，正方形金属贴片边长h为4mm，十字形金属贴片竖边和横边的长度S1为4，十字形金属贴片竖边和横边的宽度S2为1mm，周期结构单元内各金属贴片之间的最小间距W为1mm；
在垂直入射的情况下，吸波性能如图7所示：在2GHz-8GHz频率范围内，反射率在-8dB以下；在2GHz-2.7GHz频率范围，反射率在-10dB以下；在4.9GHz到7.1GHz频率范围内，反射率低于-9dB；其吸收峰值在2.2GHz时为-12.8dB。
综上所述，本发明提供的一种FSS的低频吸波结构，不仅实现了在低频段范围内的宽带吸波效果，且效果更好。
需要说明的是，上述实施例仅用于进一步阐述本发明，以便于本领域技术人员更好的理解该技术方案，而非用于限制本发明。本发明保护范围亦不限于上述实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于FSS的低频吸波结构，包括从下向上依次层叠的金属背板、下磁性材料层、FSS结构以及上磁性材料层；
所述FSS结构包括介质基板，以及设置在介质基板上表面的周期性阵列金属FSS图形；周期性阵列金属FSS图形是由至少一个周期结构单元矩阵排布而成；周期结构单元由金属贴片构成，在进行阵列排布时，所有的金属贴片均不接触；
所述周期结构单元的金属贴片有4个,4个金属贴片的中心点分别位于一个矩形的四个顶点上；4个金属贴片的其中2个为相同的正方形金属贴片，另外2个为相同的十字形金属贴片，且相同的金属贴片互不相邻。
2.根据权利要求1所述的一种基于FSS的低频吸波结构，其特征在于：所述上磁性材料层和下磁性材料层的厚度均为0.8mm-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于FSS的低频吸波结构，其特征在于：所述下磁性材料层厚度薄于比上磁性材料层厚度。
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