CN112928491B - 一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料，属于人工电磁材料技术领域。本发明吸反一体材料基于两个四分之一波长吸波原理，通过设计三层人工电磁材料实现了超宽带吸波特性，且采用的三个二维结构，均可由印刷PCB板实现，成本低，加工简单。除此之外，本发明吸反一体材料的三层结构均具有对称特征，使得整体材料具有双极化特性；且通过直流馈电控制二极管的导通或关断，进而控制吸反一体材料反射窗口的打开或关闭，实现可开关手段简单。

Description

一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料

技术领域

本发明属于人工电磁材料技术领域，具体涉及一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料。

背景技术

在现代战略发展中，隐身与反隐身已成为日益重要的发展方向。为了实现电磁隐身的目的，常见的手段有：1.在飞机或者舰船等装备表面涂覆能够吸收电磁波的特种材料；2.基于电磁散射理论的特殊外形设计，使装备的雷达散射截面降低。然而，这两种方法都不适用于天线隐身，因为天线是重要散射源之一，以上两种方法均会影响天线的工作性能。

吸反一体材料是一种新型人工电磁材料，可以用于反射面天线隐身。用吸反一体材料制作天线反射面，在天线的工作频段显示全反射特性，不影响天线的正常工作，而在天线工作频段外显示吸波特性，吸收外来电磁波，降低天线雷达散射截面，从而提升反射面天线的带外隐身能力。此外，由于电磁波传播的互易性，吸反一体材料在天线工作频段内不具备隐身能力。而可开关吸反一体材料可以在吸反一体状态和全吸波状态切换，在紧急情况时，可以关闭反射窗口，进而提升反射面天线的带内隐身能力。目前，现有的吸反/吸透一体材料大多都利用四分之一波长来实现吸波的设计理论，导致能达到的吸波范围受到局限。现有吸反/吸透一体材料的宽带吸收能达到135％，但为了让天线能够在带外频段达到更好的隐身效果，需要拓宽吸反/吸透一体材料的吸波带宽。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料，该材料适用于隐身反射面天线。本发明吸反一体材料基于两个四分之一波长吸波原理，通过设计三层人工电磁材料实现了超宽带吸波特性，且该材料具有双极化特性，反射窗口可开关。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料，包括n×n个结构单元，所述结构单元从上至下包括第一阻抗层、第二阻抗层和金属地板层；

所述第一阻抗层包括第一介质层和位于第一介质层上表面的第一金属层，所述第一金属层中心为十字栅格结构，所述十字栅格的四端均分别连接一个尺寸相同的弯折偶极子折线结构，弯折偶极子折线结构的另一端连接一个矩形贴片，四个矩形贴片的尺寸相同，在矩形贴片的正中心位置均开一个缝隙，用于焊接电阻，四个电阻阻值相同；在矩形贴片的末端分别与细长的横向导线相连，四条横向导线的尺寸相同；

所述第二阻抗层包括第二介质层、位于第二介质层上表面的第二金属层和位于第二介质层下表面的第三金属层，第二金属层中心为具有两条互相垂直对称轴的并联LC谐振结构，并联LC谐振结构的两条对称轴所在的边分别连接一个矩形金属，四个矩形金属的尺寸相同，矩形金属的另一端分别与一个梯形金属片相连接，四个梯形金属片的尺寸相同；在靠近梯形金属片一端的矩形金属上设置缝隙，四个缝隙大小和位置相同，在四个缝隙位置分别焊接电阻，四个电阻大小相同；在并联LC谐振结构正中心和一个梯形金属片的正中心设置通孔，用于焊接金属圆柱；所述第三金属层为两个带有通孔的金属圆片，该金属圆片中心的两个通孔的位置与第二金属层中两个通孔的位置相对应；

所述金属地板层包括第三介质层、位于第三介质层上表面的第四金属层和位于第三介质层下表面的第五金属层；所述第四金属层为矩形金属，尺寸和介质层相同，在与第二阻抗层中梯形金属片上的通孔的位置相对应处设置环形缝隙，所述环形缝隙的中心设置一个通孔，且第三金属层的中心也设置一个通孔，用于焊接金属圆柱；第五金属层的中心为圆形金属，圆形金属中心设置有通孔，圆形金属外侧设置同心金属圆环，金属圆环沿两条垂直对称轴的四个方向向外分别连接四个相同的矩形金属贴片，在其中一个金属片的上设置通孔，该通孔位置与第四金属层中环形缝隙中的通孔位置相对应；

所述吸反一体材料还包括馈电网络结构，所述馈电网络结构由两个金属圆柱组成，第一金属圆柱通过第二金属层中并联LC谐振结构中心的通孔连接到金属地板层中第五金属层的十字栅格结构的中心，第二金属圆柱通过第二金属层梯形金属片的正中心的通孔连接到金属地板层中第五层金属层的十字栅格边缘通孔；

所述第一阻抗层和第二阻抗层、第二阻抗层和金属地板层之间均为空气。

进一步地，所述并联LC谐振结构由八边形金属片、八边环金属贴片、四个过渡矩形金属和PIN二极管组成；所述并联LC谐振结构的中心为八边形金属片，在对称轴所在的四条边上均连接一个过渡矩形金属，过渡矩形金属外设置八边环金属贴片，过渡矩形金属与八边环金属贴片之间的间隙设置PIN二极管。

进一步地，所述八边形金属片为规则八边形金属片或不规则八边形金属片，所述不规则八边形金属片仍具有两条相互垂直的对称轴。

进一步地，第二阻抗层中矩形金属上的缝隙优选设置于远离并联LC谐振结构的2/3处。

进一步地，所述第一阻抗层、第二阻抗层和金属地板层中的介质层的尺寸均相同，均优选为24m×24mm；所述第一阻抗层和第二阻抗层之间的距离优选为20mm；第二阻抗层和金属地板层之间的距离优选为20mm。

进一步地，调节第一阻抗层到金属地板和第二阻抗层到金属地板的两个高度，以及和该吸反一体材料具体结构的尺寸参数值，使其阻抗特性与空气良好匹配，实现低频和高频良好的吸波特性。

进一步地，所述第一介质层的材料为Rogers RO4350B，厚度优选为0.254mm；所述第二介质层的材料为Rogers RO4350B，厚度优选为0.508mm；所述第三介质层的材料为FR-4，厚度优选为0.508mm。

进一步地，所述馈电过程为：在金属地板层中的第四层金属层加正向电压，在金属地板层中的第五层金属层加反向电压，通过第一金属圆柱和第二金属圆柱流通到二极管的两端向其馈电，从而控制二极管的通断。

本发明的机理为：第一层到第三层的距离是低频吸波频段中心频率的四分之一波长，第二层到第三层的距离是高频吸波频率的四分之一波长。通过联合这两个四分之一波长，实现低频和高频吸波，从而实现超带宽吸波特性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明吸反一体材料采用三个二维结构组合而成，均可由印刷PCB板实现，成本低，加工简单。

2.本发明吸反一体材料的三层结构均具有对称特征，使得整体材料具有双极化特性；且通过直流馈电控制二极管的导通或关断，进而控制吸反一体材料反射窗口的打开或关闭，实现可开关手段简单。

3.本发明吸反一体材料的反射波窗口打开时，在4.65-4.9GHz范围内反射，在1-4.45GHz和5.20-6.9GHz范围内吸波，具有超宽带吸波的特性，宽带吸收148％，优于行业水平；当反射波窗口关闭时，在1-6.95GHz范围内，S11小于-10dB，且S21小于-10dB，显示吸波特性。

附图说明

图1为本发明吸反一体材料结构单元示意图。

图2为本发明第一阻抗层中的金属层结构示意图。

图3为本发明第二阻抗层的结构示意图；

其中，(a)为第二金属层结构示意图；(b)为第三金属层结构示意图。

图4为金属地板层的结构示意图；

其中，(a)为第四金属层结构示意图；(b)为第五金属层结构示意图。

图5本发明吸反一体材料馈电网络的结构示意图。

图6为本发明吸反一体材料的等效电路图。

图7为本发明吸反一体材料在两个极化下的频率响应仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料，包括n×n个结构单元，n≥1，结构单元示意图如图1所示，由三层二维人工电磁材料组成，从上至下依次为第一阻抗层(1)、第二阻抗层(5)和金属地板层(6)。第一阻抗层(1)与第二阻抗层(5)之间距离为20mm，中间为空气。第一阻抗层(1)的尺寸为24mm×24mm，包括第一介质层(4)和位于第一介质层上表面的第一金属层(2)，第一介质层(4)的厚度为0.254mm，尺寸为24mm×24mm，材料为RogersRO4350B；第一金属层(2)的结构示意图如图2所示，其中心为十字栅格结构(10)，十字栅格结构长度为2.5mm，宽度为0.5mm；十字栅格的四端均分别连接一个尺寸相同的弯折偶极子折线结构(9)，弯折偶极子折线结构总长度为15.5mm，宽度为0.5mm；弯折偶极子折线结构的另一端连接一个矩形贴片(8)，四个矩形贴片的尺寸相同，矩形贴片长度为2.4mm，宽度为0.5mm；在矩形贴片的正中心位置均开一个缝隙，缝宽0.4mm，用于焊接电阻(3)，四个电阻阻值相同，均为150欧姆，封装为0402；在矩形贴片的末端分别与细长的横向导线(7)相连，四条横向导线的尺寸相同，长度为14mm，宽度为0.4mm。

第二阻抗层(5)的结构示意图如图3所示，其尺寸为24mm×24mm；第二阻抗层(5)包括第二介质层、位于第二介质层上表面的第二金属层(图3a)和位于第二介质层下表面的第三金属层(图3b)。其中，介质层的厚度为0.508mm，尺寸为24mm×24mm，材料为Ro gersRO4350B。如图3a所示，第二金属层中心为具有两条互相垂直对称轴的并联LC谐振结构(15)，所述并联LC谐振结构(15)的正中心是一个对称的不规则的八边形金属片(16)，八边形的短边长度大约1.85mm，长边长度为2mm；八边形金属片(16)中心设置有通孔，用于焊接中心金属圆柱，通孔的半径为0.25mm；八边形金属片的长边(即两条对称轴所在的边)向外连接一个过渡矩形金属(17)，四个过渡矩形金属的尺寸相同，长度为1.3mm，宽度为2mm；过渡矩形金属外设置不与过渡矩形金属(17)相连接的八边环金属贴片(18)，不规则八边环的宽度为0.4mm，短边长度为3mm，长边长度为4mm，过渡矩形金属与八边环金属贴片(18)之间的间隙设置两个并联的PIN二极管，型号均为bap 64-02；不规则八边环金属贴片(18)的短边向外分别连接一个矩形金属(14)，其长度为6mm，宽度为2mm；矩形金属的另一端分别与一个梯形金属片(12)相连接，四个梯形金属片的尺寸相同，短边长度为10mm，长边长度为12m，宽度为1.4mm；在靠近梯形金属片一端的矩形金属上设置缝隙，缝隙位于远离并联LC谐振结构的2/3处，四个缝隙大小和位置相同，缝宽0.4mm，在四个缝隙位置分别焊接180欧姆的电阻，封装为0402；在梯形金属片(12)的正中心设置通孔(11)，用于焊接边缘金属圆柱，通孔的半径为0.25mm；如图3b所示，所述第三金属层设置两个尺寸完全相同的圆形金属焊盘(20)，仅是基于加工工艺的考虑设置第三金属层。圆形金属焊盘(20)的半径为0.7mm，两个焊盘中心分别设置两个通孔(19、20)，其半径为0.25mm，两个通孔的位置与第二金属层中两个通孔的位置相对应。

所述金属地板层包括第三介质层、位于第三介质层上表面的第四金属层和位于第三介质层下表面的第五金属层；其中，第三介质层的材料为FR-4，厚度为0.508mm，尺寸为24×24mm。第四金属层的结构示意图如图4(a)所示，其为矩形金属(21)，尺寸和第三介质层相同；与第二阻抗层中梯形金属片上的通孔的位置相对应处设置环形缝隙，其外半径为1mm，内半径为0.7mm，环形缝隙正中心放置圆形的金属焊盘(22)，半径为0.7mm，金属焊盘(22)中心设置通孔(23)，用于焊接边缘金属圆柱，半径为0.25mm。第五金属层的结构示意图如图4(b)所示，其中心为圆形金属焊盘(24)，半径为1.25mm，焊盘(24)中心设置通孔，用于焊接中心金属圆柱，通孔的半径为0.25mm；金属焊盘(24)外侧设置同心金属圆环，外半径为2mm，内半径为1.5mm；金属圆环沿两条垂直对称轴的四个方向向外分别连接四个相同的矩形金属贴片(26)，其长度为10mm，宽度为1.2mm；在其中一个金属片的上设置通孔(27)，该通孔位置与第四金属层中环形缝隙中的通孔位置相对应，其半径为0.25mm。

本发明吸反一体材料还包括馈电网络结构，其结构示意图如图5所示，所述馈电网络结构由两个金属圆柱组成，中心金属圆柱(28)是从第二金属层中并联LC谐振结构(八边形金属片)中心的通孔连接到金属地板层的第五层金属层十字栅格结构的中心圆形焊盘，半径为0.25mm，高为10.016mm；边缘金属圆柱(29)是从第二金属层梯形金属片的正中心的通孔连接到金属地板层中第五层金属层的十字栅格边缘通孔，边缘圆柱的半径为0.25mm，高为10.016mm。

上述尺寸均为经过计算及优化后的特定尺寸，如尺寸变化，吸/反效果会恶化。

图6为本发明吸反一体材料的等效电路图。如图6所示，在本吸反一体结构中，第一阻抗层和第二阻抗层的金属等效于电感，金属与金属之间的间隙等效为电容，再加上焊接的电阻，组成电阻-电感-电容串联电路；第一阻抗层和第二阻抗层到金属地板的距离分别为低频吸波中心频率和高频吸波频率的四分之一波长，通过调节到金属地板的两个高度和该串联电路的参数值，可以使其阻抗特性与空气良好匹配，实现低频和高频良好的吸波特性，从而实现超带宽吸波特性。第二阻抗层的中心结构处可以等效为电感和PIN二极管的并联，通过PI N二极管的导通/关断，实现反射窗口打开和关闭两种状态。当二极管导通时，相当于一个电感和电阻串联，此时中心结构处的等效电路为结构产生电感和PIN二极管产生的电感和电阻并联，使得中心频率处的无谐振点产生，此时为反射窗口关闭状态；当二极管关断时，相当于一个电感和电容的串联，此时中心结构处的等效电路为中心结构产生的电感和PIN二极管产生的电容和电感并联，使得中心频率处有谐振点产生，此时为反射窗口打开状态。

本吸反一体材料分为反射窗口打开和关闭两种状态。当第二阻抗层中心的二极管关断时，为反射窗口打开状态。此时电磁波由第一阻抗层上方垂直入射时，第二阻抗层相当于一个空间带通滤波器，在4.85-4.98GHz范围内，显示透波特性。第二阻抗层中心的结构相当于电容-电感谐振电路，谐振频点在4.9GHz，在4.85-4.98GHz范围内，由于该谐振电路的存在，金属底板层显示反射波特性。同时，在谐振频点时，第二阻抗层到金属底板层的距离刚好是谐振频点处的二分之一波长，此时电场强度较弱，几乎没有电流流过，此时的反射波能力最强，因此本吸反一体材料在4.85-4.98GHz范围内反射波(S11≥-1dB)。在1.00-4.80GHz和5.38-6.78GHz范围内，第一阻抗层和第二阻抗层的金属条相当于电感，两相邻单元的横向细长导线之间的缝隙相当于电容，再加上焊接的电阻，组成电阻-电感-电容串联电路。通过调节该串联电路的参数值，可以使其阻抗特性与空气良好匹配。此时金属底板层显示全反射特性，分别与第一阻抗层和第二阻抗层组合成为电路模拟吸收体，增强第一阻抗层所处位置的电场强度，强电场在第一阻抗层激励起电流，流经电阻时会被电阻吸收，将电能转换为热能耗散，实现超宽带吸波的效果(S11≤-10dB)。

当第二阻抗层中心的二极管导通时，为反射窗口关闭状态。此时第二阻抗层在1.00-6.96GHz范围内相当于金属地板，显示全反射特性；此时第一阻抗层被短路，该状态由第二阻抗层和金属地板层工作。第二阻抗层中心处的并联LC谐振结构被破坏，在1.00-6.96GHz范围内，阻抗层相当于电阻-电感-电容串联电路。通过调节该串联电路的参数值，可以使其阻抗特性与空气良好匹配；此时金属底板层显示全反射特性，与上方第二阻抗层组合成为电路模拟吸收体，增强第二阻抗层所处位置的电场强度，强电场在第二阻抗层激励起电流，流经电阻时会被电阻吸收，将电能转换为热能耗散，实现吸波的效果(S11≤-10dB)。

图7为本发明吸反一体材料在电磁仿真软件中，采用周期边界条件，双极化波垂直入射时的电磁仿真结果图，横坐标为频率，纵坐标为S参数。从图中可以看出，本发明吸反一体材料具有双极化特性。当反射窗口打开时，在4.85-4.98GHz范围内，S11大于-1dB，显示全反射特性；在在1.00-4.80GHz和5.38-6.78GHz范围内，S11小于-10dB，显示吸波特性。当反射窗口关闭时，在1.00-6.96GHz范围内，S11小于-10dB，显示吸波特性。

本吸反一体材料的尺寸为24mm×24mm，最大工作波长为300mm，单元尺寸小于十分之一波长，具有小型化特性。利用两个阻抗层到金属地板层的高度不同，其中，高度分别对应两个吸波频率的中心频段，通过调节高度实现超宽带吸波。本发明所提出的吸反一体材料的吸收率为148％左右，具有高吸收特性，优于已有报道的文献资料。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种超宽带吸波的双极化可开关的吸反一体材料，其特征在于，所述吸反一体材料包括n×n个结构单元，所述结构单元从上至下包括第一阻抗层、第二阻抗层和金属地板层；

所述第一阻抗层包括第一介质层和位于第一介质层上表面的第一金属层；所述第一金属层中心为十字栅格结构，所述十字栅格的四端均分别连接一个尺寸相同的弯折偶极子折线结构，弯折偶极子折线结构的另一端连接一个矩形贴片，四个矩形贴片的尺寸相同，在矩形贴片的正中心位置均开一个缝隙，用于焊接电阻，四个电阻阻值相同；在矩形贴片的末端分别与细长的横向导线相连，四条横向导线的尺寸相同；

所述第二阻抗层包括第二介质层、位于第二介质层上表面的第二金属层和位于第二介质层下表面的第三金属层；第二金属层中心为具有两条互相垂直对称轴的并联LC谐振结构，并联LC谐振结构的两条对称轴所在的边分别连接一个矩形金属，四个矩形金属的尺寸相同，矩形金属的另一端分别与一个梯形金属片相连接，四个梯形金属片的尺寸相同；在靠近梯形金属片一端的矩形金属上设置缝隙，四个缝隙大小和位置相同，在四个缝隙位置分别焊接电阻，四个电阻大小相同；在并联LC谐振结构正中心和一个梯形金属片的正中心设置通孔，用于焊接金属圆柱；所述第三金属层为两个带有通孔的金属圆片，该金属圆片中心的两个通孔的位置与第二金属层中两个通孔的位置相对应；

所述金属地板层包括第三介质层、位于第三介质层上表面的第四金属层和位于第三介质层下表面的第五金属层；所述第四金属层为矩形金属，尺寸和介质层相同，在与第二阻抗层中梯形金属片上的通孔的位置相对应处设置环形缝隙，所述环形缝隙的中心设置一个通孔，且第三金属层的中心也设置一个通孔，用于焊接金属圆柱；第五金属层的中心为圆形金属，圆形金属中心设置有通孔，圆形金属外侧设置同心金属圆环，金属圆环沿两条垂直对称轴的四个方向向外分别连接四个相同的矩形金属贴片，在其中一个金属片的上设置通孔，该通孔位置与第四金属层中环形缝隙中的通孔位置相对应；

所述吸反一体材料还包括馈电网络结构，所述馈电网络结构由两个金属圆柱组成，第一金属圆柱通过第二金属层中并联LC谐振结构中心的通孔连接到金属地板层中第五金属层的十字栅格结构的中心，第二金属圆柱通过第二金属层梯形金属片的正中心的通孔连接到金属地板层中第五层金属层的十字栅格边缘通孔；

所述第一阻抗层和第二阻抗层、第二阻抗层和金属地板层之间均为空气，其中，第一阻抗层和第二阻抗层到金属地板的距离分别为低频吸波频段中心频率和高频吸波频率的四分之一波长。

2.如权利要求1所述的吸反一体材料，其特征在于，所述并联LC谐振结构由八边形金属片、八边环金属贴片、四个过渡矩形金属和PIN二极管组成；所述并联LC谐振结构的中心为八边形金属片，在对称轴所在的四条边上均连接一个过渡矩形金属，过渡矩形金属外设置八边环金属贴片，过渡矩形金属与八边环金属贴片之间的间隙设置PIN二极管。

3.如权利要求2所述的吸反一体材料，其特征在于，所述八边形金属片为规则八边形金属片或不规则八边形金属片，所述不规则八边形金属片仍具有两条相互垂直的对称轴。

4.如权利要求1所述的吸反一体材料，其特征在于，第二阻抗层中矩形金属上的缝隙设置于远离并联LC谐振结构的2/3处。

5.如权利要求1所述的吸反一体材料，其特征在于，所述第一阻抗层、第二阻抗层和金属地板层中的介质层的尺寸均相同，均为24m×24mm；所述第一阻抗层和第二阻抗层之间的距离为20mm；第二阻抗层和金属地板层之间的距离为20mm。

6.如权利要求1所述的吸反一体材料，其特征在于，调节第一阻抗层到金属地板和第二阻抗层到金属地板的两个高度，以及吸反一体材料具体结构的尺寸参数值，使其阻抗特性与空气良好匹配，实现低频和高频良好的吸波特性。

7.如权利要求1所述的吸反一体材料，其特征在于，所述第一介质层的材料为RogersRO4350B，厚度为0.254mm；所述第二介质层的材料为Rogers RO4350B，厚度为0.508mm；所述第三介质层的材料为FR-4，厚度为0.508mm。

8.如权利要求1所述的吸反一体材料，其特征在于，所述馈电网络结构的馈电过程为：在金属地板层中的第四层金属层加正向电压，在金属地板层中的第五层金属层加反向电压，通过第一金属圆柱和第二金属圆柱流通到二极管的两端向其馈电，从而控制二极管的通断。

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