CN112821085B - 一种基于afss的多频段可调谐宽带吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，从左至右，包括有第一层有源频率选择表面、第一层泡沫层、第二层有源频率选择表面、第二层泡沫层和金属背板层；本发明中采用了双层有源频率选择表面，其相对于单层频率选择表面而言，其可以实现目标频段多频段宽带可调谐吸波。2)本发明中的有源频率选择表面金属单元采用了上下两个方向相反的箭头组成的单元，并在两个相邻单元箭头部位之间存在有缝隙，在缝隙之间焊接二极管连接，通过对吸波体结构的表面电流分析可以得出，表面电流主要分布在金属单元片上，并且表面电流汇集到双箭头结构的箭头顶端位置，箭头顶端缝隙间所加载的二极管通过欧姆损耗将入射电磁波的能量转化为热能，提高对电磁波的损耗，从而扩展吸波体的吸收带宽。

Description

一种基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体
技术领域
本发明属于电磁隐身技术领域，具体涉及一种基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体。
背景技术
由于各种反隐身技术的发展和精确制导武器的相继问世，以及更加复杂的战场电磁环境，电磁隐身技术成为了应对这一挑战的关键研究。频率选择表面(FrequencySelective Surface,FSS)对电磁波具有选择透过性，美国在上世纪60年代便对FSS理论进行研究，如今这项技术以应用到美军服役的隐形战斗机中。有源频率选择表面(ActiveFrequency Selective Surface,AFSS)是指在FSS中加入二极管或者变容二极管，通过调节偏置电压或电流来改变FSS的谐振效应，提高FSS使用的机动性和抗干扰性。无源FSS吸波体在实际应用过程中难以适应现实复杂的电磁环境，难以在不同波段雷达的探测下有效工作。
因此，针对以上不足，需要提出一种基于AFSS的多波段可调谐宽带吸波体，以适应更加复杂的电磁环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，以达到在雷达探测频段内隐身的效果，并通过控制吸波频带的移动以适应复杂的电磁波环境。
本发明这种基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，包括有第一层有源频率选择表面、第一层泡沫层、第二层有源频率选择表面、第二层泡沫层和金属背板层；
其中：第一层有源频率选择表面由金属单元阵列、介质层和二极管组成，金属单元刻蚀在介质层上表面，金属单元在介质层上呈周期性阵列分布；相邻的金属单元的缝隙中焊接有二极管；
第二层有源频率选择表面由金属单元阵列、介质层和二极管组成，金属单元刻蚀在介质层上表面，金属单元在介质层上呈周期性阵列分布，形成金属单元阵列；相邻的金属单元的缝隙中焊接有二极管；
第一层有源频率选择表面含有金属单元和二极管的一面与第一泡沫层接触，第二层有源频率选择表面含有金属单元和二极管的一面与第一泡沫层接触。
所述的第一层有源频率选择表面和第二层有源频率选择表面的金属单元的形状均为上下两个方向相反的箭头组成的单元，两个相邻单元箭头部位之间存在有缝隙，在缝隙之间焊接二极管连接。
所述的上下两个方向相反的箭头组成的单元其直线宽度大于斜线宽度，箭头单元直线高度大于斜线高度，两个箭头之间通过箭头单元的直线相连接。
所述的上下两个方向相反的箭头单元箭头直线与斜线之间夹角15°≤α≤75°。
第二层有源频率选择表面中金属单元的尺寸是第一层有源频率选择表面中金属单元的尺寸的两倍。
所述的介质层表面刻蚀好金属单元阵列后，需要介质层上金属单元阵列外侧刻蚀出方形外加偏置线，框住金属单元阵列，对整个阵列施加偏置电压。
所述金属单元阵列中焊接的二极管方向一致或者方向相反。
所述的二极管选用贴片型二极管。
所述的介质层为低介电常数高强度材料；所述的金属单元采用导电材料制备而成；所述的泡沫层采用低密度低介电常数发泡材料制备而成。
优选的，所述的介质层为玻璃钢、PI膜或者PI板中的一种，所述的金属单元采用铜、铝、碳中的一种，所述的泡沫层采用PMI、聚氨酯中的一种。
本发明的原理：电磁波从第一层有源频率选择表面介质层上垂直入射，接着通过介质层上的金属单元，再接着依次通过第一层泡沫层，第二层有源频率选择表面的金属单元、介质层，第二层泡沫层，最终在金属背板上产生反射，入射电磁波导致金属单元产生表面感应电流，二极管导通后在不同偏压下具有不同大小的电阻，不同大小的电阻将影响感应电流在金属单元上的分布，而且AFSS吸波体结构的谐振吸波频率也会随之改变，从而实现反射率的频率响应随二极管不同状态变化的调控效果。在本发明中对二极管施加偏置电压，通过改变偏置电压的大小可使二极管的电阻大小发生改变，可以调整吸波体的阻抗，并使其谐振频率与自由空间匹配，从而使得吸波体的反射率动态可调。
本发明的有益效果：1)本发明中采用了双层有源频率选择表面，其相对于单层频率选择表面而言，其可以实现目标频段多频段宽带可调谐吸波。2)本发明中的有源频率选择表面金属单元采用了上下两个方向相反的箭头组成的单元，并在两个相邻单元箭头部位之间存在有缝隙，在缝隙之间焊接二极管连接，通过对吸波体结构的表面电流分析可以得出，表面电流主要分布在金属单元片上，并且表面电流汇集到双箭头结构的箭头顶端位置，箭头顶端缝隙间所加载的二极管通过欧姆损耗将入射电磁波的能量转化为热能，提高对电磁波的损耗，从而扩展吸波体的吸收带宽。
附图说明
图1本发明基于AFSS的多波段可调谐宽带吸波体截面结构示意图；
图2实施例中第一层有源频率选择表面结构1的示意图。
图3实施例中第二层有源频率选择表面结构3的示意图。
图4实施例中吸波体有源频率选择表面单元结构示意图。
图5是第一层频率选择表面吸波器S参数图。
图6是第一层频率选则表面表面电流分布图。
图7是第二层频率选择表面吸波器S参数图。
图8是实施例中基于AFSS的多波段可调谐宽带吸波体的反射率曲线图。
其中：1、第一层有源频率选择表面；2、第一层泡沫层；3、第二层有源频率选择表面；4、第二层泡沫层；5、金属背板层；11、第一介质层；12、第一金属单元；13、第一二极管；31、第二介质层；32、第二金属单元；33、第二二极管；6、外加偏置线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
本发明中的基于AFSS的多波段可调谐宽带吸波体的结构如图1所示，从左至右，包括有第一层有源频率选择表面1，第一层泡沫层2，第二层有源频率选择表面3，第二层泡沫层4和金属背板层5。
本实施例中吸波体的第一层有源频率选择表面的结构示意图如图2所示，从图2可以看出，第一层有源频率选择表面1包括第一介质层11，第一介质层11上刻蚀有第一金属单元12组成的矩形阵列，矩形阵列为18×18的阵列；第一金属单元12都是由两个方向相反的箭头单元组成，箭头头部位置的夹角为45°，箭头单元中其直线宽度大于斜线宽度，箭头单元直线高度大于斜线高度，两个箭头之间通过箭头单元的直线相连接。相反方向箭头之间的间隙大小由第一二极管13的大小决定，第一二极管13焊接在相反方向箭头之间的间隙中，本实施例中焊接选用封装为SOD323的PIN二极管，第一金属单元12中第一二极管13方向是一致，且相邻金属单元之间对应相连。
本实施例中第二层有源频率选择表面3的结构如图3所示，从图3可以看出，第一层有源频率选择表面1包括第二介质层31，第二介质层31上刻蚀有第二金属单元32组成的矩形阵列，矩形阵列为9×9的阵列；第二金属单元32都是由两个方向相反的箭头单元组成，箭头头部位置的夹角为45°，箭头单元中其直线宽度大于斜线宽度，箭头单元直线高度大于斜线高度，两个箭头之间通过箭头单元的直线相连接。相反方向箭头之间的间隙大小由第二二极管33的大小决定，第二二极管33焊接在相反方向箭头之间的间隙中，本实施例中焊接选用封装为SOD323的PIN二极管，第二金属单元32中第二二极管33方向是一致，且相邻金属单元之间对应相连。
第一层有源频率选择表面1刻蚀有第一金属单元12的一面与第一层泡沫层2接触，第二层有源频率选择表面3刻蚀有第二金属单元32的一面与第一层泡沫层2接触，第二金属单元31的尺寸是第一金属单元11的2倍，具体可见图4。
第二介质层31的厚度为2mm，第一介质层11厚度为1mm，介质层均采用FR-4环氧玻璃布层压板；第二层泡沫层4的厚度为10mm，第一层泡沫层2厚度为5mm，泡沫层均采用PMI。在本实施例中所有的金属单元(第一金属单元11和第二金属单元31)选择使用导电性好、性质稳定的金属铜。
第一层有源频率选择表面1和第二层有源频率选择表面3的介质层上都刻蚀有方形外加偏置线6，框住所有阵列，通过在阵列上下两个位置刻蚀的外加偏执线6，可对整个阵列施加偏置电压，串联的阵列两端施加直流偏置电压后，可通过改变偏置电压的大小来改变PIN二极管的工作状态，即可调整吸波体的阻抗，并使其谐振频率与自由空间匹配，从而使得吸波体的反射率动态可调。当施加偏置电压后，PIN二极管导通，可以等效为一个可变电阻，并且电阻值会随着偏置电压大小的改变而发生改变，当不施加偏置电压时，PIN二极管断开，此时PIN二极管等效为一个阻值极大的电阻，通过改变偏置电压开关大小的状态，达到可调谐宽带吸波的效果。
本实施例中的吸波体结构可以看出，电磁波从第一介质层11上方垂直入射，依次穿过第一介质层11，第一金属单元12，第一层泡沫层2，第二金属单元32，第二介质层31，第二层泡沫层4，最终在金属背板5上产生反射，入射电磁波导致金属单元产生表面感应电流，二极管导通后在不同偏压下具有不同大小的电阻，不同大小的电阻将影响感应电流在金属单元上的分布，而且AFSS吸波体结构的谐振吸波频率也会随之改变，从而实现反射率的频率响应随二极管不同状态变化的调控效果。
以单层AFSS吸波体结构为例进行分析，来解释为何选用双箭头结构作为吸波体的结构单元，使用仿真软件对吸波体结构进行分析，选择第一层频率选择表面1为吸波体的单元结构，给出单层频率选择表面(1)吸波器S参数图5。
在仿真软件中添加场监视器的测试图如图6所示，对吸波体结构的表面电流分布进行分析，当二极管的等效电阻大小为50Ω时，S参数图显示谐振的中心频点位于10.15Ghz处，由表面电流图可以看出，表面电流主要分布在金属贴片上，并且表面电流汇集到双箭头结构的箭头顶端位置，箭头顶端缝隙间所加载的二极管通过欧姆损耗将入射电磁波的能量转化为热能，提高对电磁波的损耗，扩展吸波体的吸收带宽，当二极管的等效电阻大小为200Ω时，谐振的中心频点则转移到12.25Ghz处，同样的表面电流的分布也是趋近于箭头结构的顶端。由表面电流分布的情况可以看出箭头结构有利于表面电流聚集，帮助吸波器获得更好的吸波效应。
基于第二层频率选择表面结构3的吸波体结构的S参数图如图7所示，对比基于第一层频率选择表面1的吸波体结构的S参数图5，可以发现单层频率选择表面吸波体结构可以实现多频吸波，但在难以实现多频段的带宽吸波，故采取多层频率选择表面吸波体结构来实现目标频段多频段宽带可调谐吸波。
本实施例中的多层频率选择表面结构的基于AFSS的多波段可调谐宽带吸波体的反射率图如图8所示。
加载不同电压时，在2-18Ghz范围内有明显的变化，当不加载偏置电压时，PIN二极管断开，反射率如图8(a)所示，吸波体在2-18Ghz内吸波效果较差，当加载偏置电压时，PIN二极管处于导通状态，不同偏压下PIN二极管等效电阻改变，吸波体在2-18Ghz内有不同的吸波效果，图8(b)为PIN二极管在不同等效电阻下的反射率图，在不同的等效电阻下反射率峰值频率发生改变。由图8的结果可知，本实施中采用多层有源频率选择表面级联的方法，设计的多层有源频率选择表面吸波体结构，可以实现目标频段多频段宽带可调谐吸波。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不用于限制本发明；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，从左至右，包括有第一层有源频率选择表面、第一层泡沫层、第二层有源频率选择表面、第二层泡沫层和金属背板层；
其中：第一层有源频率选择表面由金属单元阵列、介质层和二极管组成，金属单元刻蚀在介质层上表面，金属单元在介质层上呈周期性阵列分布；相邻的金属单元的缝隙中焊接有二极管；
第二层有源频率选择表面由金属单元阵列、介质层和二极管组成，金属单元刻蚀在介质层上表面，金属单元在介质层上呈周期性阵列分布，形成金属单元阵列；相邻的金属单元的缝隙中焊接有二极管；
第一层有源频率选择表面含有金属单元和二极管的一面与第一层泡沫层接触，第二层有源频率选择表面含有金属单元和二极管的一面与第一层泡沫层接触；
所述的第一层有源频率选择表面和第二层有源频率选择表面的金属单元的形状均为上下两个方向相反的箭头组成的单元，两个相邻单元箭头部位之间存在有缝隙，在缝隙之间焊接二极管连接；第二层有源频率选择表面中金属单元的尺寸是第一层有源频率选择表面中金属单元的尺寸的两倍。
2.根据权利要求1所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述的上下两个方向相反的箭头组成的单元其直线宽度大于斜线宽度，箭头单元直线高度大于斜线高度，两个箭头之间通过箭头单元的直线相连接。
3.根据权利要求2所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述的上下两个方向相反的箭头单元箭头直线与斜线之间夹角15°≤α≤75°。
4.根据权利要求1所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述的介质层表面刻蚀好金属单元阵列后，需要介质层上金属单元阵列外侧刻蚀出方形外加偏置线，框住金属单元阵列，对整个阵列施加偏置电压。
5.根据权利要求1所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述金属单元阵列中焊接的二极管方向一致或者方向相反。
6.根据权利要求5所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述的二极管选用贴片型二极管。
7.根据权利要求1所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述的介质层为低介电常数高强度材料；所述的金属单元采用导电材料制备而成；所述的泡沫层采用低密度低介电常数发泡材料制备而成。
8.根据权利要求7所述的基于AFSS的多频段可调谐宽带吸波体，其特征在于，所述的介质层为玻璃钢、PI膜或者PI板中的一种，所述的金属单元采用铜、铝、碳中的一种，所述的泡沫层采用PMI、聚氨酯中的一种。
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