CN112952399A - 一种宽带和角度稳定的吸波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带和角度稳定的吸波结构，包括介质基板、印制在介质基板上的周期结构和加载在周期结构上的集总电阻；介质基板相互垂直交叉排列，形成网状结构；周期结构沿垂直交叉排列的介质基板表面按照M×N个谐振单元周期排列而成，其中M，N至少大于5；每个谐振单元上分布有若干个金属条带；集总电阻从上至下均布于谐振单元边缘；谐振单元每一个金属条带与集总电阻相连。本发明具有3D结构宽带宽、高吸收率和高角度稳定的特性，易于加工，可用于雷达隐身技术领域，实现目标双站RCS减缩。

Description

一种宽带和角度稳定的吸波结构

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种宽带和角度稳定的吸波结构。

背景技术

吸波材料的应用是武器平台隐身设计中常见的方式之一，但传统吸波材料质量重、造价高，在实际应用中有很大及局限性。为提高吸波结构的实用性，要求吸波结构具有质量轻、成本低、频带宽等特点。但传统的吸波结构难以同时满足这些设计目标，超材料结构具有独特的电磁调控特性，且易于人为设计与加工，为吸波结构设计提供了新的研究方案。表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)是一种沿着介质和导体界面方向传播的电磁波，在沿界面上呈现约束并以倏逝波的形式衰减，入射光子与导体表面分布的自由电子相互耦合振荡的作用激发了这样的表面电磁波。部分金属在光波频段下能够形成这样特殊的表面波，但在微波频段，普通金属表面在自然状态下无法支持SPP的产生。2004年，Pendry等人基于理论分析了一些具有缺陷结构的金属表面能够支持微波频段产生SPP模式，并且将能够激发SPP模式的金属表面称为人工表面等离激元(spoof surface plasmonpolaritons，SSPP)，由此，对SPP的研究逐渐段扩展到微波频段。基于SSPP结构中能够形成衰减波的特殊电磁特性，能够设计成为吸波结构，实现宽带、高稳定吸波的特性。

在实际应用中，电磁波相对于吸波结构的入射方向和角度是不可预测的，因此需要吸波结构具有较高的角度稳定特性。然而，基于超材料设计的平面型吸波结构通常很难同时满足宽带和角度稳定的需求，因此，如何在设计宽带吸波结构的同时保证结构的高角度稳定特性成为近年来超材料吸波结构的设计难点。

如专利《一种基于磁性吸波材料和多层电阻膜的超材料吸波结构》中提出一种具有宽带特性的吸波结构，采用电阻层和金属谐振层的复合结构，由于不同结构金属与电阻层的阻抗特性与谐振特性不同，因此能够层表面激励出不同频段的谐振电流，即对不同的频段的电磁波具有良好的谐振响应，由于表面激发的谐振电流的存在，当形成自适应极化条件时，在损耗介质中会产生耗散电流，耗散电流在吸波材料中逐渐衰减而产生电磁能的损耗，这种单层的电阻层和金属谐振层复合结构能使外场的电磁波能量转换为热能，增加吸波结构的吸波性能，实现对更宽频段电磁波的复合吸收性能，通过介电常数高低不同、厚度不同的介质匹配设计获得更好的整体吸波效果，该结构能够产生较宽的吸波频带，但并未提及结构的角度稳定特性。

专利《改善斜入射性能的金属线加载型电磁吸波结构》中提出一种电磁吸波结构，吸波单元包括金属板和设置在金属板上的磁性吸波材料层，磁性吸波材料层中设置有金属线，金属线的方向平行于吸波单元的一个边，并且所有的吸波单元中的金属线方向相同，金属线的长度小于吸波单元的边长，该吸波结构能够在不同入射角度下保证吸波特性，但只能在较窄的频带内保持角度稳定特性。

为提高吸波结构的实用性，吸波结构应具有质量轻、成本低、频带宽等特点。超材料结构能够从一定程度上解决质量和带宽的问题，但超材料吸波结构通常很难同时保持较宽的吸波带宽和较高的角度稳定性，因此，能够同时兼顾宽带、高角度稳定的吸波结构具有重要的应用价值。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种宽带和角度稳定的吸波结构，用于解决现有吸波结构不能同时兼顾宽带和角度稳定性的问题，以提高吸波结构的实用价值。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种宽带和角度稳定的吸波结构，包括介质基板、印制在介质基板上的周期结构和加载在周期结构上的集总电阻；

所述介质基板相互垂直交叉排列，形成网状结构；

所述周期结构沿垂直交叉排列的介质基板表面按照M×N个谐振单元周期排列而成，其中M，N至少大于5；每个谐振单元上分布有若干个金属条带；

所述集总电阻从上至下均布于谐振单元边缘；谐振单元每一个金属条带与集总电阻相连。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

作为优选，所述谐振单元印制在介质基板的一侧表面，谐振单元上金属条带为波浪形条带，构成的栅格结构，若干个波浪形条带沿垂直方向排列，在垂直交叉的介质基板表面形成对称结构。

作为优选，所述波浪形条带沿介质基板一侧上下排列，以两波峰或波谷经过一固定观测点为一个波浪周期，相邻金属条带以一个波浪周期的二分之一长度为增量线性递增。

作为优选，所述波浪形条带的前端与集总电阻相接，末端向上弯折。

作为优选，所述波浪形条带中波浪周期长度r₂＝0.3mm～0.38mm，波浪峰值到谷值之间的长度r₁＝0.38mm～0.42mm，条带前端直线长度w＝0.35mm～0.55mm，末端直线长度p＝0.1mm～0.3mm，弯折部分长度l＝0.65mm～1.05mm，条带宽度s₁＝0.05mm～0.25mm，集总电阻宽度s₂＝0.3mm～0.5mm。

作为优选，所述集总电阻的阻值为R＝10Ω～30Ω，宽度为s₂＝0.3mm～0.5mm。

作为优选，所述M×N个谐振单元的排列周期为d＝4.5mm～6.5mm。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1、本发明利用SSPP结构独特的色散特性，设计成为吸波结构，具有宽带吸波的特点。

2、本发明通过在金属条带中加载电阻，提升了结构的吸收率。

3、本发明通过弯折金属条带可以实现结构单元尺寸小型化，从而增强了角度稳定性的特定，令吸波结构同时具有宽带和高角度稳定的特点。

4、本发明属于3D结构，具有3D结构带宽宽、吸收率高的优点，吸波结构的吸收率大于90％的频段为9.08-17.34GHz，相对带宽62.53％％，吸收率大于80％的频段为8.5-19.13GHz，相对带宽76.95％。在加工过程中能够通过两个平面型的介质基板相互交叉排列的方式实现加工，与其他3D结构相比，更加易于加工。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是吸波结构单元3D示意图；

图3是吸波结构单元主视图；

图4是本发明实施例1的吸收率示意图；

图5(a)、5(b)是本发明实施例1的吸收率的角度稳定性示意图。

图中：1、介质基板；2、周期结构；3、集总电阻；21、谐振单元；211、右金属栅格；212、左金属栅格；213、后金属栅格；214、前金属栅格。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种宽带和角度稳定的吸波结构，包括介质基板1、印制在介质基板1上的周期结构2和加载在周期结构2上的集总电阻3。介质基板相互垂直交叉排列，形成网状结构。周期结构2沿垂直交叉排列的介质基板1表面按照M×N个谐振单元21周期排列而成，其中M≥5，N≥5。集总电阻3从上至下均布于谐振单元21边缘；谐振单元21每一个金属条带与集总电阻3相连。

如图2所示，谐振单元21印制在介质基板1的一侧表面，谐振单元21由四个相同的前、后、左、右金属栅格214、213、212、211相互垂直组成，每个栅格结构211由九个波浪形金属条带组成，波浪形条带沿垂直方向排列，在垂直交叉的介质基板1表面形成对称结构。波浪形条带为九个金属条带沿介质基板1一侧上下排列，以两波峰或波谷经过一固定观测点为一个波浪周期，相邻金属条带以一个波浪周期的二分之一长度为增量线性递增；波浪形条带的外端与集总电阻3相接，末端向上弯折。

如图3所示，在本发明提供的实施例中，波浪形条带中波浪周期长度r₂＝0.3mm～0.38mm，波浪峰值到谷值之间的长度r₁＝0.38mm～0.42mm，条带前端直线长度w＝0.35mm～0.55mm，末端直线长度p＝0.1mm～0.3mm，弯折部分长度l＝0.65mm～1.05mm，条带宽度s₁＝0.05mm～0.25mm，集总电阻焊接部分宽度s₂＝0.3mm～0.5mm。集总电阻3的阻值为R＝10Ω～30Ω，宽度为s₂＝0.3mm～0.5mm。M×N个谐振单元的排列周期为d＝4.5mm～6.5mm。

下面给出不同的实施例来进一步说明本发明。

实施例1

参照图1，本发明包括介质基板1、周期结构单元2和加载在结构中的集总电阻3，周期结构2由M×N个谐振单元21周期排列而成，其中M≥5，N≥5；介质基板为长条的长方形板材，互相垂直交叉排列，形成网状结构。

参照图2，谐振单元21由四个相同的金属栅格结构组成，栅格结构211由九个变形的金属条带组成，条带前端与相邻的单元用集总电阻相连接，中间以波浪形结构弯曲，末端弯折来实现结构的小型化，增强角度稳定性；金属条带由短到长沿垂直方向排列，长度以波浪形结构半个周期的长度为增量递增，金属条带的波浪数由1.5个递增到5.5个；介质基板厚度t＝0.8mm。

参考图3，栅格结构211中弯折的波浪形金属条带中波浪周期长度r₂＝0.34mm，波浪峰值到谷值之间的长度r₁＝0.4mm，条带前端直线长度w＝0.45mm，末端直线长度p＝0.2mm，弯折部分长度l＝0.85mm，条带宽度s1＝0.1mm，电阻焊接部分宽度s2＝0.4mm，栅格结构中相邻条带的间隔g＝0.7mm，加载电阻的阻值R＝20Ω，介质基板高度h＝6.7mm，单元周期长度d＝10mm。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：

栅格结构211中金属条带前端直线长度w＝0.55mm，中间波浪结构周期为r₂＝0.38mm，末端直线长度p＝0.3mm，末端弯折长度l＝0.55mm，单元周期长度d＝11.4mm，介质基板的厚度t＝1mm。

以下结合仿真结果对本发明的技术效果作进一步描述：

1、仿真内容

1.1基于商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例1的S参数进行仿真计算，基于S21和S11计算得到吸收率仿真结果如图4所示。

1.2基于商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例1的吸收率角度稳定性进行仿真计算，结果如图5(a)、图5(b)所示。

2、仿真结果

参考图4，横轴表示频率，单位为GHz，纵轴表示吸收率，实线为TE波入射时的吸收率曲线，虚线为TE波入射时的吸收率曲线，从仿真图可以看出，该吸波结构的吸收率大于90％的频段为9.08-17.34GHz，相对带宽62.53％％，吸收率大于80％的频段为8.5-19.13GHz，相对带宽76.95％，在TE和TM两种极化的入射波下，吸收率曲线基本不变。

参考图5，横轴表示频率，单位为GHz，纵轴表示吸收率，从仿真图可以看出，本发明对于不同极化和入射角的入射波都表现出较好的吸波特性，在入射角小于60°的情况下，吸收率依然能够大于80％，图5(a)为TE波入射时吸波结构的吸收率的角度稳定性仿真曲线，图5(b)为TM波入射时吸波结构的吸收率的角度稳定性仿真曲线。

通过以上仿真结果说明，本发明可以实现同时兼顾宽带和角度稳定性的特性，能够在日益复杂的电磁环境中依然保证良好的吸波特性，具有良好的实用价值。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，包括介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的周期结构(2)和加载在周期结构(2)上的集总电阻(3)；

所述介质基板(1)相互垂直交叉排列，形成网状结构；

所述周期结构(2)沿垂直交叉排列的介质基板(1)表面按照M×N个谐振单元(21)周期排列而成，其中M，N至少大于5；每个谐振单元(21)上分布有若干个金属条带；

所述集总电阻(3)从上至下均布于谐振单元(21)边缘；谐振单元(21)每一个金属条带与集总电阻(3)相连。

2.根据权利要求1所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，所述谐振单元(21)印制在介质基板(1)的一侧表面，谐振单元(21)上金属条带为波浪形条带，构成的栅格结构，若干个波浪形条带沿垂直方向排列，在垂直交叉的介质基板(1)表面形成对称结构。

3.根据权利要求2所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，所述波浪形条带沿介质基板(1)一侧上下排列，以两波峰或波谷经过一固定观测点为一个波浪周期，相邻金属条带以一个波浪周期的二分之一长度为增量线性递增。

4.根据权利要求2所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，所述波浪形条带的前端与集总电阻(3)相接，末端向上弯折。

5.根据权利要求2所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，所述波浪形条带中波浪周期长度r₂＝0.3mm～0.38mm，波浪峰值到谷值之间的长度r₁＝0.38mm～0.42mm，条带前端直线长度w＝0.35mm～0.55mm，末端直线长度p＝0.1mm～0.3mm，弯折部分长度l＝0.65mm～1.05mm，条带宽度s₁＝0.05mm～0.25mm，集总电阻宽度s₂＝0.3mm～0.5mm。

6.根据权利要求2所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，所述集总电阻(3)的阻值为R＝10Ω～30Ω，宽度为s₂＝0.3mm～0.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，所述M×N个谐振单元(21)的排列周期为d＝4.5mm～6.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种宽带和角度稳定的吸波结构，其特征在于，吸波结构吸收率大于90％的频段为9.08-17.34GHz，相对带宽为62.53％；吸波结构吸收率大于80％的频段为8.5-19.13GHz，相对带宽为76.95％。

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