CN113410650A - 具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置 - Google Patents

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Abstract

本发明用于隐身天线罩领域，具体涉及具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置。该装置包括吸收型超表面、带通型超表面以及两层介质基板；其中，吸收型超表面印制在上层介质基板的上表面；带通型超表面印制在下层介质基板的上表面；上层介质基板与带通型超表面中间是空气层；吸收型超表面的单元结构由四个90°圆弧形金属贴片构成，在相邻两个圆弧形金属贴片间的缝隙处加载贴片电阻；带通型超表面的单元通过在方形金属贴片中心刻蚀一个十字形缝隙构成。本发明可在较低频段实现超宽带吸收，在较高频段实现低损耗传输，解决了传统超材料吸波体无法传输信号的问题，对电磁防护以及隐身天线罩领域的发展具有较大意义。

Description

具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置
技术领域
本发明用于隐身天线罩领域，具体涉及具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置。
背景技术
在通信系统中，电磁干扰逐渐成为人们关注的焦点，超材料吸波体逐渐成为了解决该问题的一种重要手段。
传统的超材料吸波体的结构主要由反射层与吸收层构成，吸收功能是利用金属贴片结构的谐振来实现的(M.Li,S.Xiao,Y.Bai and B.Wang,“An Ultrathin and BroadbandRadar Absorber Using Resistive FSS,”in IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters,vol.11,pp.748-751,2012.)，此外，吸收层还可以通过加载集总元件来实现，如加载集总电阻(刘凌云,张政军,刘力鑫.基于集总电阻的宽频带超材料吸波器研究[J].微波学报,2016,32(5):50-54.)、PIN二极管(曾宪亮,张麟兮,万国宾.一种基于有源频率选择表面的可调吸波体特性分析[J].中国舰船研究,2020,15(2):36-41)等。但传统结构中反射层的金属板会完全反射各个频段的信号。带通型频率选择表面(BPFSS)可以在传输工作频段内的信号的同时反射带外信号，用其替代反射层中的金属板即可实现吸收与传输一体化功能(A.Wang,M.Yan,J.Zhang,L.Zhen,J.Wang and S.Qu,“Absorptive/transmissiveintegrated frequency selective structure based on lumped resistanceelements,”IET Microwaves,Antennas&Propagation.,vol.14,no.3,pp.159-162,2020.)。但由于所设计的BPFSS结构层数较多，导致通带内的插入损耗较大。使用单层BPFSS可以有效减少插入损耗(Q.Chen,L.Chen,J.Bai and Y.Fu,“Design of absorptive frequencyselective surface with good transmission at high frequency,”ElectronicsLetters,vol.51,no.12,pp.885-886,Jun.2015.)，但由于其结构是非中心对称的，对入射波的极化方向比较敏感。
本发明提出了一种具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置，其在3.84～9.06GHz范围内的吸收率均大于89.8％，且在12.38～13.15GHz内实现窄带传输，且具有极化不敏感特性，对电磁防护、隐身天线罩领域的发展具有较大意义。
发明内容
本发明为解决目前传统超材料吸波体无法传输信号的问题，提出了一种采用带通型超表面和吸收型超表面级联的方法实现超宽带吸收和窄带传输一体化抗干扰装置。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置，包括从上到下依次设置的吸收型超表面、上层介质基板、带通型超表面、下层介质基板；
所述吸收型超表面印制在上层介质基板的上表面；所述带通型超表面印制在下层介质基板的上表面；所述上层介质基板和带通型超表面中间为空气层；所述吸收型超表面的中心线、上层介质基板的中心线、带通型超表面的中心线、下层介质基板的中心线相重合；所述吸收型超表面由M×M个单元构成，每个单元由四个90°圆弧形金属贴片构成；所述带通型超表面由M×M个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片，所述方形金属贴片的中心处刻蚀有十字形缝隙。
进一步，在相邻两个90°圆弧形金属贴片之间加载有贴片电阻。当通带外信号入射时，吸收型超表面利用所加载电阻实现吸波效果，此时所述一体化装置表现为传统超材料吸波体，并通过与自由空间达到阻抗匹配实现超宽带吸收；当通带内信号入射时，吸收型超表面与带通型超表面均处于谐振状态，此时所述一体化装置是电磁透明的，信号可以低损耗传输。本发明解决了传统超材料吸波体无法传输信号的问题，具有较好的电磁抗干扰效果。
所述一体化抗干扰装置的吸收/传输特性受入射信号频率的影响；当入射信号的频率在12.38～13.15GHz范围内时，吸收型超表面和带通型超表面均处于谐振状态，二者对12.38～13.15GHz范围内的信号均表现为透射，所以，频率在12.38～13.15GHz范围内的信号可以传输。当入射信号的频率在3.84～9.06GHz范围内时，带通型超表面均处于反射状态，吸收型超表面处于吸波状态，通过吸收型超表面与带通型超表面之间的耦合作用，使得频率在3.84～9.06GHz范围内的信号被吸收，吸收带的相对带宽为80.9％。该一体化抗干扰装置可实现对信号的超宽带吸收与窄带传输。
与现有的超材料吸波体相比，本发明所述的利用吸收型超表面与带通型超表面级联的方法不仅实现了对信号的低损耗传输，还通过吸收型超表面与带通型超表面之间的耦合作用，实现了对带外信号的超宽带吸收，且通带两侧均获得了较好的带外选择性。装置具有的剖面较低，为0.24λg，λg为吸收带所在频段的导波波长；同时，本发明通过在方形金属贴片的中心位置刻蚀十字形缝隙，增加了单元结构谐振频率的可调性；
进一步，所述一体化抗干扰装置具有较好的极化不敏感性。随着入射信号极化角度
Figure BDA0003124738500000031
的变化，所述一体化抗干扰装置的传输系数S21与反射系数S11在2～16GHz范围内均保持稳定。所实现的一体化抗干扰装置可以吸收3.84～9.06GHz内的信号，相对带宽达到80.9％，且吸收率均在89.8％以上，还可以传输12.38～13.15GHz内的信号，相对带宽为6％，插入损耗低于0.2dB。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是吸收型超表面单元结构示意图；
图3是带通型超表面单元结构示意图；
图4是本发明在信号垂直入射条件下的S11，S21示意图；
图5是本发明在信号垂直入射条件下的吸收率示意图；
图6是本发明在不同极化角度条件下的S11，S21示意图；
图中：1-吸收型超表面，2-上层介质基板，3-带通型超表面，4-下层介质基板，5-90°圆弧形金属贴片，6-贴片电阻，7-方形金属贴片，8-十字形缝隙。
具体实施方式
实施例1
如图1～3所示，一种具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置，包括从上到下依次设置的吸收型超表面1、上层介质基板2、带通型超表面3、下层介质基板4；所述吸收型超表面1印制在上层介质基板2的上表面；所述带通型超表面3印制在下层介质基板4的上表面；所述上层介质基板2和带通型超表面3中间为空气层；所述吸收型超表面1的中心线、上层介质基板2的中心线、带通型超表面3的中心线、下层介质基板4的中心线相重合；
所述吸收型超表面1由M×M(M＝9)个单元构成，每个单元由四个90°圆弧形金属贴片5构成，在相邻两个90°圆弧形金属贴片5之间加载有贴片电阻6，阻值为R＝240Ω，所述90°圆弧形金属贴片5的外半径为l1＝8.5mm，宽度为w1＝1.5mm；
所述带通型超表面3由M×M(M＝9)个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片7，所述方形金属贴片7的中心处刻蚀有十字形缝隙8，所述十字形缝隙8的长度为l2＝8.8mm，宽度为w2＝2.0mm。
所述装置的吸收/传输特性受入射信号频率的影响；当入射信号的频率在12.38～13.15GHz范围内时，吸收型超表面和带通型超表面均处于谐振状态，二者对12.38～13.15GHz范围内的信号均表现为透射，频率在12.38～13.15GHz范围内的信号可以传输；当入射信号的频率在3.84～9.06GHz范围内时，带通型超表面均处于反射状态，吸收型超表面处于吸波状态，通过吸收型超表面与带通型超表面之间的耦合作用，频率在3.84～9.06GHz范围内的信号被吸收，吸收带的相对带宽为80.9％，所述装置实现对信号的超宽带吸收与窄带传输。
如图4所示，曲线I表示所述一体化抗干扰装置在信号垂直入射条件下的反射系数S11，曲线II表示所述一体化抗干扰装置在信号垂直入射条件下的传输系数S21。通过图4可以看出：所述一体化抗干扰装置在3.84～9.06GHz内的传输系数S21与反射系数S11均在-10dB以下，相对带宽达到80.9％，实现了超宽带吸收。此外，在12.7GHz处谐振产生了一个通带，插入损耗为0.2dB。
图5为所述一体化抗干扰装置的吸收率随入射信号频率变化示意图，通过图5可以看出：所述一体化抗干扰装置在3.84-9.06GHz范围内，吸收率均大于89.8％，且在7.09GHz处的吸收率为99.9％，吸收带的相对带宽达到80.9％，实现超宽带吸收。
图6为所述一体化抗干扰装置的传输系数S21与反射系数S11随入射信号极化角度
Figure BDA0003124738500000051
变化示意图。由图6可以看出，随着入射信号极化角度
Figure BDA0003124738500000052
的变化，所述一体化抗干扰装置的传输系数S21与反射系数S11在2-16GHz范围内均保持稳定，当
Figure BDA0003124738500000053
时传输系数S21在15.2GHz处有一定波动，但对通带与吸收带基本没有影响，因此所述一体化抗干扰装置具有较好的极化不敏感性。

Claims (3)

1.具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置，其特征在于，包括从上到下依次设置的吸收型超表面(1)、上层介质基板(2)、带通型超表面(3)、下层介质基板(4)；
所述吸收型超表面(1)印制在上层介质基板(2)的上表面；所述带通型超表面(3)印制在下层介质基板(4)的上表面；所述上层介质基板(2)和带通型超表面(3)中间为空气层；所述吸收型超表面(1)的中心线、上层介质基板(2)的中心线、带通型超表面(3)的中心线、下层介质基板(4)的中心线相重合；
所述吸收型超表面(1)由M×M个单元构成，每个单元由四个90°圆弧形金属贴片(5)构成；
所述带通型超表面(3)由M×M个单元构成，每个单元是一个方形金属贴片(7)，所述方形金属贴片(7)的中心处刻蚀有十字形缝隙(8)。
2.根据权利要求1所述的具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置，其特征在于，在相邻两个90°圆弧形金属贴片(5)之间加载有贴片电阻(6)。
3.根据权利要求2所述的具有超宽吸收带的低剖面吸收/传输一体化抗干扰装置，其特征在于，所述装置的吸收/传输特性受入射信号频率的影响；当入射信号的频率在12.38～13.15GHz范围内时，吸收型超表面和带通型超表面均处于谐振状态，二者对12.38～13.15GHz范围内的信号均表现为透射，频率在12.38～13.15GHz范围内的信号可以传输；当入射信号的频率在3.84～9.06GHz范围内时，带通型超表面均处于反射状态，吸收型超表面处于吸波状态，通过吸收型超表面与带通型超表面之间的耦合作用，频率在3.84～9.06GHz范围内的信号被吸收，吸收带的相对带宽为80.9％，所述装置实现对信号的超宽带吸收与窄带传输。
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