CN112864633B - 一种基于超表面的宽带微波吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波超材料吸波体领域，具体是一种基于超表面的宽带微波吸收体，其包括依次设置的背板、介质板和超表面的贴片，介质板的厚度方向内设置电阻膜，电阻膜上沿厚度方向开设镂空孔，贴片和镂空孔的形状选自十字形和H形中的一种，且贴片和镂空孔的形状不同。本发明不仅可以综合十字形或H形超表面的贴片的多频化及电阻膜的宽频化的优势，还具有吸收率高、厚度较小及制备简单的优点，本发明通过超表面的贴片与电阻膜的复合，利用电阻膜的欧姆损耗机制，通过电磁谐振与电路谐振的协同作用，可以在保证“完美吸收”的基础上进一步实现宽带吸波。

Description

一种基于超表面的宽带微波吸收体
技术领域
本发明涉及微波超材料吸波体领域，具体是一种基于超表面的宽带微波吸收体。
背景技术
雷达隐身技术及吸波材料的研究一直处于现代重大军事作战发展的前沿。电磁超材料是由亚波长结构单元周期性排列组合而成的新型人工材料，由于具有不同于传统材料的电磁特性，可以实现普通传统材料所不能实现的功能，例如：隐身斗篷、全息成像等。电磁超材料的提出也为改善武器装备隐身化提供了新思路。自2008年Landy等人设计出了“完美吸收”的超材料吸波体，以超表面为核心的吸波体结构设计引起了科研人员的广泛关注。
“完美吸收”超材料吸波体的缺点是吸波带宽极窄，应用场景受限，而适应宽带吸收的超材料吸波体在军事隐身、射频微波电路及探测成像等方面都发挥着至关重要的作用。目前，常用的实现吸波体多频及宽频吸波的方法是将不同的谐振器模型进行垂直叠层、水平复合或加载集总元件。其中，垂直叠层会使吸波体的厚度较大，不便于应用；水平复合虽可有效实现多频化，但其在雷达隐身技术最主要和最关键的1～20GHz工作频段内宽带吸波的效果不明显；加载集总元件，会使吸波体加工复杂且成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有吸波体不便于制备、吸收频带较窄以及加工复杂成本较高，为了解决该问题，本发明提供一种基于超表面的宽带微波吸收体，其结构简单制备方便，且能够展宽吸波频带。
本发明的内容为一种基于超表面的宽带微波吸收体，包括依次设置的背板、介质板和超表面的贴片，介质板的厚度方向内设置电阻膜，电阻膜上沿厚度方向开设镂空孔，贴片和镂空孔的形状选自十字形和H形中的一种，且贴片和镂空孔的形状不同。
进一步地，所述的背板和贴片的材质均为铜，介质板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板。
进一步地，所述的背板、介质板和电阻膜的厚度方向投影相同。
进一步地，所述的背板、介质板和电阻膜均为边长为18mm的正方形。
进一步地，所述的镂空孔开设在电阻膜中部。
进一步地，所述的介质板由第一介质板和第二介质板构成，电阻膜贴合在第一介质板和第二介质板之间。
进一步地，所述的背板、介质板和贴片依次贴合。
进一步地，所述的十字形的贴片以及开设有H形镂空孔的电阻膜均形成感性电路，H形的贴片以及开设有十字形镂空孔的电阻膜均形成容性电路。
进一步地，所述的十字形和H形为分形图形。
进一步地，所述的十字形为一阶分形图形，H形为二阶分形图形。
本发明的有益效果是，本发明不仅可以综合十字形或H形超表面的贴片的多频化及电阻膜的宽频化的优势，还具有吸收率高、厚度较小及制备简单的优点，本发明通过超表面的贴片与电阻膜的复合，利用电阻膜的欧姆损耗机制，通过电磁谐振与电路谐振的协同作用，可以在保证“完美吸收”的基础上进一步实现宽带吸波。
附图说明
附图1为本发明的炸开结构示意图；
附图2为本发明的另一种炸开结构示意图；
附图3为本发明的H形各阶分形示意图；
附图4为本发明的十字形各阶分形示意图；
附图5为A层、B层和C层吸收结构的吸收率A(ω)随谐振频率f变化曲线图；
图6为发明的实施例1复合波阻抗随谐振频率f变化曲线图；
图7为发明的实施例1整体表面功率损耗密度分布图；
图8为发明的实施例1拆分表面功率损耗密度分布图。
在图中，1、背板 2、第一介质板 3、电阻膜 4、第二介质板 5、贴片 6、镂空孔。
具体实施方式
一种基于超表面的宽带微波吸收体，包括依次设置的背板1、介质板和超表面的贴片5，介质板的厚度方向内设置电阻膜3，电阻膜3上沿厚度方向开设镂空孔6，贴片5和镂空孔6的形状选自十字形和H形中的一种，且贴片5和镂空孔6的形状不同。贴片5的电谐振和贴片5与背板1之间的磁谐振的协同作用即为电磁谐振。电阻膜3能够增强电路消耗电能的能力，在电磁谐振的基础上又增加了电阻膜3、介质板和背板1之间的电路谐振机制。电路谐振相对于频率的变化比较稳定，其表面阻抗能在谐振频率附近很宽的频带内与自由空间阻抗匹配，因此，这种结构不仅可以综合十字形或H形超表面的贴片5的多频化及电阻膜3的宽频化的优势，还具有吸收率高、厚度较小及制备简单的优点，这对微波雷达领域其他类似结构超材料吸波体的设计制备具有借鉴参考价值。这种结构通过超表面的贴片5与电阻膜3的复合，利用电阻膜3的欧姆损耗机制，通过电磁谐振与电路谐振的协同作用，可以在保证“完美吸收”的基础上进一步实现宽带吸波。根据仿真实验结果，较传统金属型超材料吸波体，本发明有效带宽可拓展4～5GHz左右。十字形和H形的贴片5和镂空孔6具有结构简单、制备容易、具有对称性以及对入射的电磁波极化不敏感等优点，镂空孔6相当于将单层电阻膜结构吸波体的图案层引进了分形的概念，可以集多频化和宽频化于一身。
所述的背板1和贴片5的材质均为铜，介质板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板。首先，背板1和贴片5设置为金属，以便于产生电磁谐振,而铜的成本较低。其次，背板1设置为金属，能够便于计算反射率。具体分析如下：
吸波体对电磁波的吸收可用如下公式表示：A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)。
其中，A(ω)表示吸收，R(ω)表示反射，T(ω)表示透射。当吸波体的底层为金属的背板1时，T(ω)可以忽略不计。因此上述公式就可以表示为：A(ω)＝1-R(ω)。
通过Ansoft HFSS电磁仿真软件可以得到吸波体的S参数图，上述公式与S参数的对应关系为：A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11|2。
根据上式，便可得到吸波体的吸收率。
介质板的材质可以为多种，采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板的原因是成本较低。
所述的背板1、介质板和电阻膜3的厚度方向投影相同。该三者尺寸相同，能够防止垂直入射的电磁波的透射。
所述的背板1、介质板和电阻膜3的形状和大小采用优化后的结果，该三者均为边长为18mm的正方形。
所述的镂空孔6的位置采用优化后的结果，其开设在电阻膜3中部。
所述的介质板由第一介质板2和第二介质板4构成，电阻膜3贴合在第一介质板2和第二介质板4之间。这种结构将单层分形结构吸波体(贴片+第一介质板+背板)和单层电阻膜结构吸波体(电阻膜+第二介质板+背板)进行了复合，提高了吸波效果。
所述的背板1、介质板和贴片5依次贴合。该三者之间贴合，能够减小厚度，杜绝空气层对其产生影响。
十字形的贴片5以及开设有H形镂空孔6的电阻膜3均形成感性电路，H形的贴片5以及开设有十字形镂空孔6的电阻膜3均形成容性电路。超表面贴片5与电阻膜3可以综合贴片5的多频化及电阻膜3的宽频化的优势，改善贴片5的窄带化及电阻膜3的低吸收及高频吸收的缺点。
所述的十字形和H形为分形图形。十字形的超表面的贴片5或开设有H形镂空孔6的电阻膜3形成的感性电路，其简单吸波体谐振峰数量会随着分形阶数增加先增多后减小；H形的超表面的贴片5或开设有十字形镂空孔6的电阻膜3形成的容性电路，其简单吸波体谐振峰数量会随着分形阶数增加先增多后不变；前述谐振峰数量仅考虑反射强度小于-10dB的谐振峰。分形超表面的贴片5与电阻膜3的设置可以综合分形结构多频化及电阻薄膜结构宽频化的优势，改善分形图形窄带化及电阻薄膜结构低吸收及高频吸收的缺点。为使表述更清晰，H形图形是以正方形为基础单元的分形图形，H形各阶分形如图3所示，其分形维数DS≈1.77；十字形图形是以正方形为基础单元的分形图形，十字形各阶分形如图4所示，其分形维数DS≈1.46。本发明所采用的H形及十字形分形图形相当于平面的复合图形。分形图形相比于简单的几何形状，具有自相似性、结构紧凑的优点。将其运用到吸波体中，可实现多频吸收。除此之外，H形及十字形分形图形还具有迭代规律简单明了的优点。
所述的十字形为一阶分形图形，H形为二阶分形图形。H形图形优选正方形为基础单元的二阶分形图形，十字形图形优选正方形为基础单元的一阶分形图形。
为能对本发明实施例中的结构设计方案进行清楚、完整地描述，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但并不限定本发明，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于超表面的宽带微波吸收体，包括依次贴合的背板1、第一介质板2、电阻膜3、第二介质板4和超表面的贴片5，贴片5为一阶十字形分形图形，并形成感性电路，电阻膜3上沿厚度方向开设镂空孔6，镂空孔6的形状为二阶H形分形图形，开设有H形镂空孔6的电阻膜3形成感性电路。背板1、第一介质板2、电阻膜3和第二介质板4均为边长为18mm的正方形，贴片5和背板1的材质均为铜，第一介质板2和第二介质板4均为玻璃纤维环氧树脂覆铜板，其厚度为1.6mm，电阻膜3的方阻值为250Ω/□。
本发明实施例1中的分形超表面结构分形阶数选择的方法，包括以下步骤：
(1)以“分形超表面”为核心点，设计两款不同类型(感性/容性)的分形图形，及其各自的高阶分形；
(2)建立简单吸波体模型，即：贴片、介质板及背板之间相互贴合；
(3)通过Ansoft HFSS软件在1～20GHz频段范围内对仿真模型进行模拟计算，主要研究分形图形的类型和分形的阶数对S参数的影响规律；
(4)对仿真结果进行分析，综合考虑吸收率及谐振峰的数量，得到最优结构，即：一阶十字形分形图形及所述二阶H形分形图形。
本发明实施例中1夹层电阻薄膜结构方阻值选择的方法，包括以下步骤：
(1)将电阻膜3的方阻值设置为4个量级：0.1Ω/□、10Ω/□、100Ω/□及1000Ω/□；
(2)通过Ansoft HFSS软件在1～20GHz频段范围内对这4个仿真模型(仅电阻膜3的方阻值不同)进行模拟计算；
(3)对仿真结果进行分析，综合考虑吸收率及谐振峰的数量，选择适当方阻值的量级，即：100Ω/□，再在其量级附近择优取值，允许误差上下50Ω左右，得到电阻膜3的方阻值为250Ω/□。
吸收结构在电磁波垂直入射下的吸收率如图5所示，图5中，A为贴片+介质+背板所组成的微波吸收结构在电磁波垂直入射下的吸收率；B为未开孔的电阻膜+介质+背板所组成的微波吸收结构在电磁波垂直入射下的吸收率；C为实施例1所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体(贴片+第一介质板+开设有镂空孔的电阻膜+第二介质板+背板)在电磁波垂直入射下的吸收率，由图5可知，贴片5呈现多频窄带特性，电阻膜3呈现宽频低吸收特性，而本发明实施例1所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体可综合两者优势，呈现高性能吸收的特性：(1)最大吸收率可达98.25％；(2)较传统金属型超材料吸波体，反射强度小于-10dB的带宽可拓展5GHz左右。
实施例1所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体的复合波阻抗随谐振频率f变化曲线图如图6所示，由图可知，在谐振频率附近，实施例1所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体的复合波阻抗的实部接近于1，虚部接近于0，满足阻抗匹配的条件。
实施例1所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体的表面功率损耗密度分布如图7和8所示，由图可知，实施例1所涉及的一种基于超表面的宽带微波吸收体的能量损耗主要由于电阻膜3的欧姆损耗。
实施例2
一种基于超表面的宽带微波吸收体，包括依次贴合的背板1、第一介质板2、电阻膜3、第二介质板4和超表面的贴片5，贴片5为二阶H形分形图形，并形成容性电路，电阻膜3上沿厚度方向开设镂空孔6，镂空孔6的形状为一阶十字形分形图形，开设有H形镂空孔6的电阻膜3形成容性电路。背板1、第一介质板2、电阻膜3和第二介质板4均为边长为18mm的正方形，贴片5和背板1的材质均为铜，第一介质板2和第二介质板4均为玻璃纤维环氧树脂覆铜板，其厚度为1.6mm，电阻膜3的方阻值为150Ω/□。
本发明实施例2中夹层电阻薄膜结构方阻值选择的方法，包括以下步骤：
(1)将电阻膜3的方阻值设置为4个量级：0.1欧姆/□、10欧姆/□、100欧姆/□及1000欧姆/□；
(2)通过Ansoft HFSS软件在1～20GHz频段范围内对这4个仿真模型(仅电阻膜3的方阻值不同)进行模拟计算；
(3)对仿真结果进行分析，综合考虑吸收率及谐振峰的数量，选择适当方阻值的量级，即：100欧姆/□，再在其量级附近择优取值，允许误差上下50欧姆左右，得到电阻膜3的方阻值为150Ω/□。
实施例2所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体在电磁波垂直入射下呈现高性能吸收的特性：(1)最大吸收率可达99.35％；(2)较传统金属型超材料吸波体，反射强度小于-10dB的带宽可拓展4GHz左右。
实施例2所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体的复合波阻抗在谐振频率附近，实部接近于1，虚部接近于0，满足阻抗匹配的条件。
实施例2所设计的一种基于超表面的宽带微波吸收体的能量损耗主要由于电阻薄膜结构的欧姆损耗。
以上所述实施例仅为本发明的优选示例，本发明的保护范围并不局限于上述实施例。本发明一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：包括依次设置的背板（1）、介质板和超表面的贴片（5），介质板的厚度方向内设置电阻膜（3），电阻膜（3）上沿厚度方向开设镂空孔（6），贴片（5）和镂空孔（6）的形状选自十字形和H形中的一种，且贴片（5）和镂空孔（6）的形状不同，所述的十字形和H形为分形图形，所述的十字形为以正方形为基础单元的一阶分形图形，H形为以正方形为基础单元的二阶分形图形，所述的十字形的贴片（5）以及开设有H形镂空孔（6）的电阻膜（3）均形成感性电路，H形的贴片（5）以及开设有十字形镂空孔（6）的电阻膜（3）均形成容性电路。
2.如权利要求1所述的一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：所述的背板（1）和贴片（5）的材质均为铜，介质板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板。
3.如权利要求1所述的一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：所述的背板（1）、介质板和电阻膜（3）的厚度方向投影相同。
4.如权利要求3所述的一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：所述的背板（1）、介质板和电阻膜（3）均为边长为18mm的正方形。
5.如权利要求1所述的一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：所述的镂空孔（6）开设在电阻膜（3）中部。
6.如权利要求1所述的一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：所述的介质板由第一介质板（2）和第二介质板（4）构成，电阻膜（3）贴合在第一介质板（2）和第二介质板（4）之间。
7.如权利要求1所述的一种基于超表面的宽带微波吸收体，其特征在于：所述的背板（1）、介质板和贴片（5）依次贴合。
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