CN113794060B - 一种双极化超宽带三维电磁波吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，包括若干个呈方形周期排布的吸波结构单元，每个吸波结构单元包括由四块介质基板围成的中空的长方体结构、分别镀在长方体结构相邻两内侧面的加载有集总电阻的异形金属带、设置在长方体结构底面的金属反射面；本发明能够实现具备高吸波率的超宽吸波频带，同时结构相对厚度薄，重量轻。

Description

一种双极化超宽带三维电磁波吸收体
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种双极化超宽带三维电磁波吸收体。
背景技术
随着现代探测和干扰技术的发展，对雷达和通信系统的生存能力提出了严峻的挑战。因此，越来越多的工作聚焦于提高系统的隐身能力。电磁波吸收体具有增强电磁兼容性和降低雷达截面积的功能，从而在各类电子系统中得到广泛应用。作为一种早期的经典吸收体，Salisbury吸波器的工作原理是在距离金属地面四分之一工作波长处放置一块电阻层。然而，其较窄的吸收带宽限制了其应用。为了拓宽吸收带宽，基于多重电阻层的Jaumann吸波器应运而生，但是其厚度也大大增加了。因此，设计一种兼具大带宽、厚度薄、重量轻特性的电磁波吸收器依旧有重大的应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，能够实现具备高吸波率的超宽吸波频带，同时结构相对厚度薄，重量轻。
实现本发明的技术方案如下：
一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，包括若干个呈方形周期排布的吸波结构单元，每个吸波结构单元包括由四块介质基板围成的中空的长方体结构、分别镀在长方体结构相邻两内侧面的加载有集总电阻的异形金属带、设置在长方体结构底面的金属反射面；
所述异性金属带为4个金属条围成的矩形结构，两个集总电阻分别焊接在横向的两个金属条的中点处，纵向的两个金属条向金属反射面的一端延伸出一段。
进一步地，两个集总电阻的阻值不同。
进一步地，所述介质基板为PCB板材。
进一步地，所述金属条和金属反射面采用金属材料制成。
有益效果：
1、本发明所提供的双极化超宽带吸波结构具备超宽吸波频带，在1.46GHz到10.27GHz频带范围内实现电磁波吸收率大于90％。另外，本发明所提供的吸波结构厚度仅为25mm，相对于最低吸波频点(1.46GHz)的厚度仅为0.12个波长。
2、在重量方面，因为本发明提出的结构大部分都是空气，PCB板材所占空间比例很小，且板材自身密度不高，属于轻质材料，因此整个结构重量较轻。
3、本发明提出的吸波结构易于设计，加工简单，整个结构仅用PCB工艺就可以实现，并且一个单元内只用了四个集总电阻，大大的缩减了设计成本和设计的复杂度。
附图说明
图1为本发明吸波结构单元示意图，(a)三维结构示意图,(b)异形金属带示意图。
图2为本发明吸波结构的等效电路模型。
图3为本发明吸波结构在平面电磁波入射下的反射系数和吸收率。
图4为本发明吸波结构在平面电磁波入射下集总电阻消耗的能量。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，该超宽带吸波结构采用两个相互垂直的加载有集总电阻的吸波结构来搭建出双极化超宽带吸波结构，能够实现具备高吸波率的超宽吸波频带。
本发明的三维双极化超宽带吸波结构为呈方形排布的周期性结构，吸波结构单元分别沿x轴和y轴等周期延拓。每个吸波结构单元包括由四块介质基板围成的中空的长方体结构、分别镀在长方体结构相邻两内侧面的加载有集总电阻的异形金属带、设置在长方体结构底面的金属反射面。
参阅图1(a)，图1(a)为本发明双极化超宽带三维吸波结构单元示意图。该吸波结构单元由四部分组成，分别为最外侧的介质基板，镀在介质基板内侧的呈90°旋转对称的金属带1、2，焊接在金属带1中心位置上的集总电阻1、2，以及底部的金属反射面组成。该单元结构整体高度h为25mm，周期p为15mm。
参阅图1(b)，图1(b)为本发明吸波结构中异形金属带示意图。异形金属带由平行于xoy平面且相互平行的两根金属带1-1、1-2和垂直于xoy平面且相互平行的两根金属带2-1、2-2组成。其中，金属带1-1和两根金属带2-1及2-2的端点处相连，且位于结构的上方，金属带1-2和金属带2-1及2-2中间某一点相连，将金属带2-1和2-2分成长短不一的两段，这两段的长度分别为l1＝14mm，l2＝4mm，金属带1-1和1-2的长度均为l3＝15.5mm，且四根金属带的宽度均为w＝0.5mm。集总电阻1、2分别焊接在两条金属带1-1和1-2的中心位置，且两个电阻的阻值不同。
参阅图2，图2为本发明吸波结构的等效电路模型，以此来说明吸波结构的工作原理。在电路中，传输线(Z0，θ0)代表包含在结构中空气区域的特性阻抗和电长度。(Zr，θr)异形金属带沿着电磁波传播方向等效传输线的特性阻抗和电长度，它可以被等效为开路传输线。此外，t1和L2为金属带沿着入射电场方向的等效电感，C1为相邻单元之间的等效电容，R1和R2为集总电阻的等效阻值。因此，该等效电路的输入阻抗为
Figure BDA0003227449130000041
其中Z0是空气阻抗，约为377欧姆，等效电感L1和L2的值和金属带的长度及宽度相关，即
Figure BDA0003227449130000042
其中μ0是真空磁导率，li和wi分别是金属带的长度和宽度。然后可以由以下公式计算电路的反射系数|Γ|
|Γ|＝|(Z′in-Z0)/(Z′in+Z0)| (3)
由此可见，本发明设计的吸波器能构造多模谐振来实现宽带吸收以及较薄的厚度。
参阅图3，图3为本发明吸波结构在平面电磁波入射下的反射系数和吸收率。由结果可见，本发明提出的吸波结构能在较宽频带内实现电磁波的吸收效果，即在1.46GHz-10.27GHz内实现吸收率大于90％的吸波效果，相对带宽为150.2％。另外，我们也可以发现在这个宽吸收带内存在三个谐振点f1＝2.19GHz，f2＝6.24GHz，以及f3＝9.74GHz，即本发明所提出的结构中存在多模谐振。参阅图4，图4为两个集总电阻在不同谐振频率下对入射的电磁波起到的吸收效果。可以发现，在谐振点f1时，集总电阻1和2吸收的能量相当，说明此时金属带1-1和1-2上的谐振都比较强。而当谐振频率为f2和f3时，集总电阻2吸收了大部分的能量，说明此时电流均从金属带1-2和集总电阻2上流过。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：通过简易轻便的三维结构，构造了三个具有吸波功能的谐振模式，大大增加了吸波器的工作带宽，且结构本身的厚度仅为0.12个波长。另外，每个结构单元仅仅使用4个集总电阻和PCB加工工艺，大大降低了加工的难度和成本，有利于该吸波器在低可观测平台上的应用。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，其特征在于，包括若干个呈方形周期排布的吸波结构单元，每个吸波结构单元包括由四块介质基板围成的中空的长方体结构、分别镀在长方体结构相邻两内侧面的加载有集总电阻的异形金属带、设置在长方体结构底面的金属反射面；
所述异形金属带为4个金属条围成的矩形结构，两个集总电阻分别焊接在横向的两个金属条的中点处，纵向的两个金属条向金属反射面的一端延伸出一段。
2.如权利要求1所述的一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，其特征在于，两个集总电阻的阻值不同。
3.如权利要求1所述的一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，其特征在于，所述介质基板为PCB板材。
4.如权利要求1所述的一种双极化超宽带三维电磁波吸收体，其特征在于，所述金属条和金属反射面采用金属材料制成。
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