CN113904125A - 基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了基于Non‑foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其基本结构单元主要由上层三维立体井字形电阻膜结构与下层Non‑foster有源平板结构组成。其中井字形电阻膜结构由介质片上覆盖导电碳薄膜构成，Non‑foster有源平板结构从上到下分别包含介质层、铁氧体磁性材料层以及金属地板层；介质层上、下表面在xy方向上分别铺设有两条金属线，上表面的金属线之间连接有集总电阻元件，下表面的金属线之间连接有Non‑foster电路。实验表明，本发明在0.19GHz‑50GHz对电磁波吸收率达到90％以上，相对带宽为198％。本发明还具有双极化、低剖面、厚度薄、易复合等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波吸收器领域，特别涉及一种基于三维立体井字形电阻膜结构与Non-foster有源平板结构复合的超宽带双极化吸波器。
背景技术
微波吸收器用于减小物体的雷达截面，在过去的70年里吸引了大量研究。在微波工程中长期的挑战性问题之一是使用极薄的结构对电磁波实现超宽带吸收，根据Rozanov理论要想增加吸收器带宽必须增加其厚度，磁性材料有利于减小吸收器的厚度，增加带宽但还是受Rozanov理论限制。
论文“Broadband and thin magnetic absorber with non-Foster metasurfacefor admittance matching”打破了Rozanov理论限制的限制，但其吸收的带宽只有0.1GHz-1GHz。中国专利CN202010504878.4公开的基于非福斯特电路的超薄超宽带平板吸波器，提出加载磁性材料FSS结构在0.25GHz-16GHz吸收率在80％以上，虽然吸波带宽较宽但吸收性能较差且为单极化吸波。故目前存在的问题在于在有限厚度情况下实现较高带宽并对双极化电磁波达到非常好的吸波性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，以实现超薄超宽带双极化吸波。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，由基本结构单元在xy平面内周期延拓而成，所述基本结构单元主要由上层三维立体井字形电阻膜结构与下层Non-foster有源平板结构组成；所述Non-foster有源平板结构从上到下分别包含介质层、铁氧体磁性材料层以及金属地板层；所述介质层上表面在xy方向上分别铺设有两条金属线，四条金属线构成十字形状，相同方向上的两条金属线之间连接有集总电阻元件；所述介质层下表面在xy方向上分别铺设有两条金属线，四条金属线构成十字形状，相同方向上的两条金属线之间连接有Non-foster电路；所述井字形电阻膜结构由介质片上覆盖导电碳薄膜构成，包括x方向相互平行的两块电阻膜片和与其垂直相交的y方向相互平行的两块电阻膜片。
作为优选，所述井字形电阻膜结构的介质片为PET介质片，介质片的内外表面除交接处均覆盖有纳米级厚度的导电碳薄膜。
作为优选，通过调整介质片的高度、电阻膜方阻、电阻膜缝隙调整吸波带宽。
作为优选，所述Non-foster有源平板结构中的介质层上、下表面的四条金属线构成的十字形状的中心，以及井字形电阻膜结构的中心与基本结构单元的中心在同一垂直于xy平面的直线上。
作为优选，所述Non-foster电路为浮地型结构，电路版图采用四层layout设计，顶层为射频走线，第二层为参考地层，第三层为电源层，底层为去耦电路及直流偏置走线，其中层叠之间采用介质隔开。
作为优选，同一基本结构单元的xy不同极化方向上的Non-foster电路在同一块PCB电路板上，通过在PCB板上打孔连接金属线。
作为优选，同一行或同一列的所有基本结构单元的Non-foster电路集成在一块PCB电路板上。
所述双极化吸波器的优化方法包括：整体结构在CST中建模，其中Non-foster电路采用discrete port代替并在CST中进行仿真，将整体结构的S参数由CST导入ADS中与Non-foster电路联合仿真；Non-foster电路的PCB版图采用四层layout设计并在AltiumDesigner中完成绘制导入ADS中进行EM仿真后，在ADS中将CST导出的整体结构的S参数与Non-foster电路进行联合仿真优化。
有益效果：本发明提供的超宽带双极化吸波器基于三维立体井字形电阻膜结构和Non-foster有源平板结构复合而成，其中三维立体井字形电阻膜结构能够依靠谐振吸收与驻波损耗实现宽带吸波，频率较低时，电场主要集中于电阻膜的缝隙处，在此产生较强的谐振；随着频率升高，谐振效果相应减弱，但是多重驻波逐渐产生，这些驻波能够在电阻膜构成的损耗结构中不断损耗，从而在较高频段实现对电磁波的吸收。并且通过Non-foster电路引入负阻用于抵消小于四分之一波长的连接金属背板的介质板引入的正电感使之与上层结构实现匹配对低频电磁波进行吸收损耗，进一步拓展了吸波带宽下限。实验表明，本发明的复合吸波器具有很好的吸波效果，能在0.19GHz-50GHz达到90％以上吸收率，具有双极化、低剖面、厚度薄、易复合的优点。
附图说明
图1为本发明实施例中双极化吸波器基本结构单元构成示意图。
图2为本发明实施例中三维立体井字形电阻膜单元结构示意图。
图3为本发明实施例中Non-foster有源平板结构示意图(省略集总电阻元件和Non-foster电路)。
图4为本发明实施例中8×8吸波器结构示意图。
图5为本发明实施例中浮地型Non-foster原理图。
图6为本发明实施例中Non-foster电路版图布局示意图。
图7为本发明实施例中Non-foster电路版图层叠结构示意图。
图8为本发明实施例的仿真结果图，其中，(a)列为TM极化反射系数与吸收率，(b)列为TE极化反射系数与吸收率。
图9为本发明实施例中吸波器整体结构端口连接联合仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其基本结构单元主要由上层三维立体井字形电阻膜结构与下层Non-foster有源平板结构组成。
如图2所示，三维立体井字形电阻膜结构包含PET介质片与覆盖在PET介质片上使用导电碳薄膜制备的电阻膜；介质片的内外表面除交接处均覆盖有导电碳薄膜，由x方向的电阻膜片和y方向的电阻膜片垂直相交而成。可通过调整介质片的高度、电阻膜方阻、电阻膜缝隙等调整吸波带宽。随着高度的增大，能够拓宽吸波带宽上、下限，单纯增大厚度会影响低频段的吸波效果，低频段吸波曲线凸起；该结构需要较大的电阻膜方阻才能实现宽带吸波，但是方阻太大会使得带宽下限往高频偏移，且低频段的吸波效果会减弱，低频段曲线凸起；电阻膜缝隙不能太小，至少应大于PET片厚度，这样才能进行交叉搭建，但缝隙也不能太大，否则会影响低频段的谐振效果，进而影响吸波带宽。通过合理调整结构参数可以实现有效的宽带吸波效果。本例中用于导电碳薄膜生长的PET介电常数为3.8，生长的导电碳薄膜方阻为430Ω/sq，厚度为纳米级，结构高度为25mm，电阻膜之间的缝隙为0.5mm。
图3为引入的Non-foster有源平板结构，自上而下分别为金属线，FR4介质层，金属线，铁氧体磁性材料层与金属地板层；FR4上表面铺设的金属线连接电阻，下表面铺设的金属线连接Non-foster电路；上/下表面的金属线构成是：在xy方向上分别铺设有两条金属线，四条金属线构成十字形状，相同方向上的两条金属线之间连接有集总电阻元件/Non-foster电路(图中未示意)。具体制作时可将同一基本结构单元的xy不同极化方向上的Non-foster电路集成在同一块PCB电路板上，通过在PCB板上打孔连接金属线。为了便于制作，也可将同一行或同一列的所有单元的Non-foster电路集成在一块长条的PCB电路板上。
本例中介质层上下表面铺设的是厚度为0.035mm，宽度为1mm的长方体铜皮，两层十字形状均居中、对称。上层金属线连接集总电阻元件的间距为2mm，下层金属线连接Non-foster电路的间距为4mm。FR4介质层厚度为0.5mm，铁氧体磁性材料层厚度为4.5mm，金属地板层厚度为0.017mm。图4为由基本结构单元在xy平面内周期延拓而成的整体吸波器结构，整体尺寸为240mm×
240mm，单元个数8×8，单元尺寸30mm×30mm，整体厚度为30mm。
本实施例通过CST(CST STUDIO SUITE)对单元结构进行建模与仿真，采用floquetport端口，unit cell边界条件，有源元件采用discrete port端口代替，在将S参数结果导出为snp文件供ADS(Advanced Design System)调用。
图5为浮地型Non-foster电路原理图，采用两片THS4303运算放大器，整体电路输入阻抗Zin＝2Rg-Rf/RpZL，通过调节正反馈电阻RP的大小改变负载ZL的阻抗转换系数，同时调节RP、ZL的大小即可获得不同的负阻值；图6为在Altium Designer中设计的Non-foster版图，版图采用阻抗为50Ω的微带走线，线宽为13.6mil，顶层和底层走线通过过孔连接。通过Altium Designer导入到ADS进行版图EM仿真，供后续Non-foster电路原理图版图联合仿真使用；图7为Non-foster版图的层叠结构，使用四层layout设计，自上而下分别为顶层top、参考地层gnd02，电源层pwr03、底层bottom；顶层为射频走线，底层为去耦电路及直流偏置走线。层叠之间使用介电常数为4.6的FR4介质，厚度为7.1mil。
在ADS中将Non-foster电路版图进行EM仿真后设置成symbol，调用此symbol进行Non-foster电路原理图版图联合仿真，再通过调用CST对无源结构的仿真S参数结果，即将CST导出的snp文件导入ADS进行整体仿真，通过优化，其最终结果如图8所示在0.19GHz-50GHz吸波率在90％以上，相对带宽达到198％。
图9所示为吸波器分解端口连接图，其中，Term1为TM极化波，Term2为TE极化波，端口阻抗为空间波阻抗377Ω。Port1连接电阻R并放置在FR4层上方x极化方向的金属线间，Port2连接电阻R并放置在FR4层上方y极化方向的金属线间，Port3与Port4分别连接Non-foster电路并放置在FR4层下方x极化方向与y极化方向的金属线间，整体结构在ADS中对RP，ZL及R参数进行优化，若结果不理想也将Non-foster电路原理图版图联合仿真的S参数导入到CST中与无源结构进行场路联合仿优化无源结构，RP，ZL及R使其结果满足所需要求。
Claims (8)
1.基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，由基本结构单元在xy平面内周期延拓而成，其特征在于：所述基本结构单元主要由上层三维立体井字形电阻膜结构与下层Non-foster有源平板结构组成；所述Non-foster有源平板结构从上到下分别包含介质层、铁氧体磁性材料层以及金属地板层；所述介质层上表面在xy方向上分别铺设有两条金属线，四条金属线构成十字形状，相同方向上的两条金属线之间连接有集总电阻元件；所述介质层下表面在xy方向上分别铺设有两条金属线，四条金属线构成十字形状，相同方向上的两条金属线之间连接有Non-foster电路；所述井字形电阻膜结构由介质片上覆盖导电碳薄膜构成，包括x方向相互平行的两块电阻膜片和与其垂直相交的y方向相互平行的两块电阻膜片。
2.根据权利要求1所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：所述井字形电阻膜结构的介质片为PET介质片，介质片的内外表面除交接处均覆盖有纳米级厚度的导电碳薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：通过调整介质片的高度、电阻膜方阻、电阻膜缝隙调整吸波带宽。
4.根据权利要求1所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：所述Non-foster有源平板结构中的介质层上、下表面的四条金属线构成的十字形状的中心，以及井字形电阻膜结构的中心与基本结构单元的中心在同一垂直于xy平面的直线上。
5.根据权利要求1所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：所述Non-foster电路为浮地型结构，电路版图采用四层layout设计，顶层为射频走线，第二层为参考地层，第三层为电源层，底层为去耦电路及直流偏置走线，其中层叠之间采用介质隔开。
6.根据权利要求1所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：同一基本结构单元的xy不同极化方向上的Non-foster电路在同一块PCB电路板上，通过在PCB板上打孔连接金属线。
7.根据权利要求6所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：同一行或同一列的所有基本结构单元的Non-foster电路集成在一块PCB电路板上。
8.根据权利要求1所述的基于Non-foster有源结构的三维超宽带双极化吸波器，其特征在于：所述双极化吸波器的优化方法包括：整体结构在CST中建模，其中Non-foster电路采用discrete port代替并在CST中进行仿真，将整体结构的S参数由CST导入ADS中与Non-foster电路联合仿真；Non-foster电路的PCB版图采用四层layout设计并在AltiumDesigner中完成绘制导入ADS中进行EM仿真后，在ADS中将CST导出的整体结构的S参数与Non-foster电路进行联合仿真优化。
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