CN112164896B - 基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体 - Google Patents

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Abstract

提供一种结构单元，该单元为方形结构，自上而下包括十字形金属贴片(2)、介质基板(1)、金属地板(3)，还包括与十字形金属贴片(2)同层的集总电阻(4)。介质基板(1)为正方形薄片；十字形金属贴片(2)贴合在介质基板(1)的上表面，在水平枝节和垂直枝节上各刻蚀有两个缝隙；在缝隙上加载集总电阻(4)；金属地板(3)完全覆盖介质基板(1)的底面。还提供由上述结构单元构成的基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体，为线阵或面阵，阵列中的结构单元数量越多，吸波效果越好，面阵吸波效果显著优于线阵。本发明通过磁性材料和集总电阻结合的方法实现0.23GHz～1.0GHz频段内85％以上的吸波效果，解决了P波段吸波带宽窄、吸波效果不理想的问题，且具有结构简单、超薄、小型化的优点。

Description

基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体
技术领域
本发明涉及宽带吸波体，具体涉及一种基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体。
背景技术
超材料吸波体是一种结构型人工电磁材料，其利用单元结构的欧姆损耗和介质损耗实现对电磁波的强吸收，能达到近100％吸收率，在隐身领域具有广阔的应用前景。但是其限制在于吸收带宽较窄，且很难实现低频工作。随着先进的低频雷达的发展，需要吸波体在P波段具有良好的吸波性能，而现有的吸波体大多工作在L～X波段，针对P波段的吸波体还很少有研究。虽然通过加大单元尺寸和厚度可以适当降低吸波体的工作频率，但使其工作在P波段仍具有很大难度，并且低频工作时剖面高、尺寸大、带宽窄，这些问题都极大限制了吸波体在实际问题中的应用，所以亟待发展P波段宽带超薄吸波体技术。
发明内容
为解决传统吸波体在P波段工作时尺寸大、带宽窄、吸波效果不理想的问题，本发明提出一种结构单元，以下简称为“单元”，其特征在于，单元为方形结构，自上而下包括十字形金属贴片2、介质基板1、金属地板3，还包括与十字形金属贴片2同层的集总电阻4；其中
介质基板1为正方形薄片；
十字形金属贴片2贴合在介质基板1的上表面，其中心与介质基板1的中心重合，由水平枝节和垂直枝节十字交叉组成，水平枝节和竖直枝节分别平行于介质基板1的两条边，且两个枝节的长度与介质基板1的边长相同；水平枝节和竖直枝节的宽度可以不同；水平枝节和垂直枝节上各刻蚀有两个缝隙，共形成四个缝隙，这四个缝隙沿水平枝节和垂直枝节长度方向的尺寸完全相同，四个缝隙的宽度与所在水平枝节或垂直枝节的宽度等宽；四个缝隙靠近十字形金属贴片2中心的前边缘，与十字形金属贴片2的中心距离相等；在缝隙上加载集总电阻4，集总电阻4完全覆盖缝隙；
金属地板3完全覆盖介质基板1的底面。
在本发明的一个实施例中，介质基板1和金属地板3的边长w在22.0～42.0mm范围内；水平枝节和竖直枝节的宽度s在0.2～1.5mm范围内；介质基板1的厚度t在8.0～20.0mm范围内；十字形金属贴片2和金属地板3的金属厚度范围为0.01～0.1mm范围内；集总电阻4的阻值在100～500Ω范围内。
在本发明的一个具体实施例中，介质基板1和金属地板3的边长w为32.0mm；水平枝节和竖直枝节的宽度s为0.6mm；介质基板1的厚度t为12.0mm；十字形金属贴片2和金属地板3的金属厚度为0.035mm。
在本发明的另一个具体实施例中，集总电阻4的阻值为250Ω。
在本发明的又一个具体实施例中，在0.2GHz～1.0GHz的频段内，介质基板1的磁导率从10.9下降到3.06，介电常数在7.5左右。
还提供一种利用上述结构单元制成的基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体，该低频超宽带吸波体是由多个相同的所述结构单元组成的周期性阵列结构，整体为二维排列的面阵，阵列尺寸为M×N，也就是含有M×N个结构单元，其中M、N均为大于等于2的自然数。
还提供另一种利用上述结构单元制成的基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体，其特征在于，该低频超宽带吸波体是由多个相同的所述结构单元组成的周期性阵列结构，整体为一维排列的线阵，阵列尺寸为L个结构单元，其中L为大于等于2的自然数。
本发明的优点在于：
1、将磁性材料和集总电阻结合，利用磁性材料的高磁导率有效降低吸波频率，展宽带宽，在磁损耗的基础上结合电阻损耗，在低频实现良好的吸波效果。
2、吸波频带完全覆盖P波段，在0.23GHz～1.0GHz的频带内吸波率整体高于85％，解决了传统吸波体在低频段带宽窄、吸波效果不理想的问题。
3、具有结构简单、超薄、小型化的优点。厚度仅有12mm，约为低频波长的0.009倍，单元尺寸仅有32mm*32mm，约为低频波长的0.024倍。
4、当选择磁导率更高的磁性材料时，可以进一步降低其吸波频段，具有应用前景广阔的特点。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点，结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明基于磁性材料的低频超宽带吸波体单元结构的示意图，图1(a)为俯视图，图1(b)为正视图；
图2为由多个相同的低频超宽带吸波体单元组成的周期性阵列结构，形成二维排列的面阵示意图；
图3为图1中介质基板所用磁性材料的介电常数曲线图；
图4为图1中介质基板所用磁性材料的磁导率曲线图；
图5为实施例1的吸波率曲线图。
附图标记：
1介质基板、2十字形金属贴片、3金属地板、4集总电阻
具体实施方式
下面通过详细描述一个实施例具体阐述本发明提出的基于磁性材料的低频超宽带吸波体，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的标号表示相同的含义。
吸波体的吸波率计算公式为：A＝1-R，其中R表示吸波体的反射率。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述本发明。
本发明的结构单元(以下简称为“单元”)如图1所示。单元为方形结构，自上而下包括十字形金属贴片2、介质基板1、金属地板3，还包括与十字形金属贴片2同层的集总电阻4。
介质基板1为正方形薄片。
十字形金属贴片2贴合在介质基板1的上表面，其中心与介质基板1的中心重合，由水平枝节和垂直枝节十字交叉组成，水平枝节和竖直枝节分别平行于介质基板1的两条边，且两个枝节的长度与介质基板1的边长相同。水平枝节和竖直枝节的宽度可以不同。水平枝节和垂直枝节上各刻蚀有两个缝隙，共形成四个缝隙，这四个缝隙沿水平枝节和垂直枝节长度方向的尺寸完全相同，四个缝隙的宽度与所在水平枝节或垂直枝节的宽度等宽。四个缝隙靠近十字形金属贴片2中心的前边缘，与十字形金属贴片2的中心距离相等。在缝隙上加载集总电阻4，集总电阻4完全覆盖缝隙。集总电阻4的厚度与金属贴片2的厚度不需要一致，集总电阻4的厚度由具体电阻尺寸决定。
金属地板3完全覆盖介质基板1的底面。
单元具体尺寸如下：结合图1所示，介质基板1和金属地板3的边长w在22.0～42.0mm范围内，优选值为32.0mm。水平枝节和竖直枝节的宽度s在0.2～1.5mm，优选值为0.6mm。介质基板1的厚度t在8.0～20.0mm范围内，优选值为12.0mm。在0.2GHz～1.0GHz的频段内，介质基板1的磁导率从10.9下降到3.06，介电常数在7.5左右。十字形金属贴片2和金属地板3的金属厚度范围为0.01～0.1mm，优选值为0.035mm，可以采用铜、银和铝等常规导电材料或其他导电材料。集总电阻4的阻值在100～500Ω范围内，优选值为250Ω。
本发明的低频超宽带吸波体是由多个相同的单元组成的周期性阵列结构，整体为二维排列的面阵，如图2所示，为简单起见，该图忽略了相邻各单元的分界线。虽然该阵列也可以是一维阵列，但一维的效果不算理想。总的来说，单元数量越多，吸波效果越好，二维面阵效果显著好于一维阵列效果。
图3为介质基板1所用磁性材料的介电常数曲线图。
图4为介质基板1所用磁性材料的磁导率曲线图。
图5为图1所示单元组成无限大阵列后的吸波率曲线图。采用商用三维全波电磁仿真软件Ansys HFSS14对本发明低频超宽带吸波体进行仿真。图5给出仿真得到的吸波率曲线图。可以看出，在0.23GHz～1.0GHz的频带内，该吸波体的吸波率均高于85％，表明本发明提出的吸波体工作频段覆盖整个P波段，且具有良好的吸收率。

Claims (6)

1.一种磁性材料结构单元，以下简称为“单元”，其特征在于，单元为方形结构，自上而下包括十字形金属贴片(2)、磁性材料介质基板(1)、金属地板(3)，还包括与十字形金属贴片(2)同层的集总电阻(4)；其中
磁性材料介质基板(1)为正方形薄片；在0.2GHz～1.0GHz的频段内，磁性材料介质基板(1)的磁导率从10.9下降到3.06，介电常数在7.5左右；
十字形金属贴片(2)贴合在磁性材料介质基板(1)的上表面，其中心与磁性材料介质基板(1)的中心重合，由水平枝节和垂直枝节十字交叉组成，水平枝节和竖直枝节分别平行于磁性材料介质基板(1)的两条边，且两个枝节的长度与磁性材料介质基板(1)的边长相同；水平枝节和竖直枝节的宽度不同；水平枝节和垂直枝节上各刻蚀有两个缝隙，共形成四个缝隙，这四个缝隙沿水平枝节和垂直枝节长度方向的尺寸完全相同，四个缝隙的宽度与所在水平枝节或垂直枝节的宽度等宽；四个缝隙靠近十字形金属贴片(2)中心的前边缘，与十字形金属贴片(2)的中心距离相等；在缝隙上加载集总电阻(4)，集总电阻(4)完全覆盖缝隙；
金属地板(3)完全覆盖磁性材料介质基板(1)的底面。
2.如权利要求1所述的磁性材料结构单元，其特征在于，
磁性材料介质基板(1)和金属地板(3)的边长w在22.0～42.0mm范围内；水平枝节和竖直枝节的宽度s在0.2～1.5mm范围内；磁性材料介质基板(1)的厚度t在8.0～20.0mm范围内；十字形金属贴片(2)和金属地板(3)的金属厚度范围为0.01～0.1mm范围内；集总电阻(4)的阻值在100～500Ω范围内。
3.如权利要求2所述的磁性材料结构单元，其特征在于，磁性材料介质基板(1)和金属地板(3)的边长w为32.0mm；水平枝节和竖直枝节的宽度s为0.6mm；磁性材料介质基板(1)的厚度t为12.0mm；十字形金属贴片(2)和金属地板(3)的金属厚度为0.035mm。
4.如权利要求2所述的磁性材料结构单元，其特征在于，集总电阻(4)的阻值为250Ω。
5.利用权利要求1至4的任何一项所述的磁性材料结构单元制成的基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体，其特征在于，该低频超宽带吸波体是由多个相同的所述结构单元组成的周期性阵列结构，整体为二维排列的面阵，阵列尺寸为M×N，也就是含有M×N个结构单元，其中M、N均为大于等于2的自然数。
6.利用权利要求1至4的任何一项所述的结构单元制成的基于磁性材料与集总器件的低频超宽带吸波体，其特征在于，该低频超宽带吸波体是由多个相同的所述结构单元组成的周期性阵列结构，整体为一维排列的线阵，阵列尺寸为L个结构单元，其中L为大于等于2的自然数。
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