CN114050420A - 一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散热‑吸波一体的无源频率选择表面吸波器，包括从上到下依次设置的频率选择表面、介质基底、空气层和金属地。本发明的有益效果为：(1)采用了无源频率选择表面，性能稳定，且减少了额外产生的热源以及电磁干扰；(2)上下层的通孔以及中间的空气层能够更好的散热，且不影响吸波性能；(3)吸波‑散热一体结构，在原有的散热孔上进行吸波设计，既能减少空间、节约成本，也能实现电磁防护和散热功能。

Description

一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器

技术领域

本发明涉及电磁防护技术领域，尤其是一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器。

背景技术

FSS是一种完全相同的基本单元按照一定方式周期性排列的阵列结构。FSS于上世纪六十年代被提出，是一种新型微波电路，可以对电磁波的频率、相位和极化等特性进行选择，其本质上是一种空间滤波器，具有一定的选择电磁波频率的特性。FSS一般分为贴片型和孔径型两种基本类型的单元，分别对应电磁波的低通和高通滤波器。贴片型FSS主要是由完全相同的金属贴片构成的周期阵列，孔径型FSS则是由完全相同的金属缝隙构成的周期结构。传统的吸波器采用完整的金属背板，由于金属的全反射特性，数据处理时透射系数可忽略不计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，在吸波器结构上打了通孔，实现了吸波散热一体设计。

为解决上述技术问题，本发明提供一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，包括从上到下依次设置的频率选择表面、介质基底、空气层和金属地。

优选的，频率选择表面包括上层双方环金属贴片以及附着的贴片电阻、中间的空气层、下层金属板层；贴片电阻均放置在开缝圆环缝隙处，上下层中心的通孔以及上下层分别打通的圆形孔洞，在满足散热性能的前提条件下，实现2.2～5.8GHz频段90％以上的吸波。

优选的，设R(ω)是反射率，T(ω)是传输率，A(ω)是吸波率，三者之间的关系表示为：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)

用散射参数S来表示FSS吸波器的吸波率，其中反射率、传输率用S参数的反射系数、传输系数表示：R(ω)＝|S₁₁|²，T(ω)＝|S₂₁|²，因此，吸波率A(ω)又通过S参数表示为：

A(ω)＝1–|S₁₁|²-|S₂₁|²

金属板层为全反射导体面，透波系数S₂₁忽略不计，为实现散热功能对金属板层做了打孔处理，因而金属地板的透波系数不可忽略。

优选的，介质基底选用相对介电常数为2.2的F4B基底材料。

优选的，介质基底上的圆形孔洞呈周期性分布。

优选的，金属地上的周期性中心孔洞与最上层中心孔对应，形成通孔。

本发明的有益效果为：(1)采用了无源频率选择表面，性能稳定，且减少了额外产生的热源以及电磁干扰；(2)上下层的通孔以及中间的空气层能够更好的散热，且不影响吸波性能；(3)吸波-散热一体结构，在原有的散热孔上进行吸波设计，既能减少空间、节约成本，也能实现电磁防护和散热功能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2(a)(b)(c)为本发明在TE模式下、不同角度下仿真和测试的吸波率示意图。

图3(a)(b)(c)为本发明在TM模式、不同角度下仿真和测试的吸波率示意图。

图4为本发明作为机箱散热面与散热面为金属板、圆孔散热口的温度对比示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，包括从上到下依次设置的频率选择表面、介质基底、空气层和金属地。

电磁波与吸波器表面的作用主要有反射、传输、吸收，电阻层与自由空间阻抗匹配，电磁波进入介质层，消耗大量电磁能量并且将其转化为热能或其它形式的能量，实现吸波功能。设R(ω)是反射率,T(ω)是传输率,A(ω)是吸波率，三者之间的关系可以表示为：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)

在一般情况下，都是用散射参数S来表示FSS吸波器的吸波率，其中反射率、传输率可用S参数的反射系数、传输系数表示：R(ω)＝|S₁₁|²，T(ω)＝|S₂₁|²。因此，吸波率A(ω)又可以通过S参数表示为：

A(ω)＝1–|S₁₁|²-|S₂₁|²

一般情况下，金属背板为全反射导体面，透波系数S₂₁可忽略不计，为实现散热功能对金属背板做了打孔处理，因而透波系数不可忽略。

频率选择表面包括上层双方环金属贴片以及附着的贴片电阻、中间的空气层、下层金属板层；贴片电阻均放置在开缝圆环缝隙处，上下层中心的通孔以及上下层分别打通的圆形孔洞，在满足散热性能的前提条件下，实现2.2～5.8GHz频段90％以上的吸波。

介质基底采用F4B介质基板，厚度为0.508mm。金属周期阵列为10×10双方环周期分布的金属单元。金属单元由两个带缝隙的金属环贴片和8个电阻构成。电阻均放置在开缝方环缝隙处，热量通过上下层通孔。上层为双方环结构，内外环分别附有4个电阻，内环阻值49.9欧姆，外环阻值499欧姆，介质板为相对介电常数ε_r＝2.2、厚度0.5mm的F4B，中心孔半径大小为4mm，与金属地板中心对应，其余8个孔半径为3mm；下层为金属铜地板，介质板为1mm，孔半径为4mm。上下层层间距14mm，单元其他尺寸参数为：单元周期30mm，外环外边长26mm，内环外边长10.52mm，外环宽度0.74mm，内环宽度0.7mm。

图2(a)、(b)、(c)和图3(a)、(b)、(c)为图1所示吸波-散热一体FSS吸波器TE、TM模式下不同角度的吸波率，即0°、15°和30°天线辐照下板子的仿真和测试结果图，由于板子较薄，即使有尼龙柱支撑，间隔区间依然有些微弯曲，导致测试结果与仿真结果有误差。另外，随着入射倾斜角度变大，吸波率变低且不稳定，由于空气层的影响，TM模式下的吸波率比TE模式的稍逊一筹。

图4为机箱不同散热面的温度对比结果，吸波器在电磁仿真软件CST中整体建模后，将该模型导入热分析软件ANSYS Icepak中，将该吸波结构作为机箱的一面进行建模，机箱厚度10cm，80℃的热源放置在机箱中心位置，与吸波结构相对的一面设置鼓风机，鼓风机半径8cm，体积流量为0.0023m³/s，实现强迫制冷。为验证其有效性，在相同机箱大小，对其中一个表面分布系列圆孔、分布FSS吸波器，以及全封闭的机箱进行最低温度的测试。可以看出FSS吸波器的散热面与普通的圆孔散热面散热效果相差无几，相比封闭机箱的温度，降低了10℃，结果如图4所示。

结果表明，本发明提出的吸波-散热一体FSS吸波器有很好的吸波效果，能够应用于工作在WIFI频段的机箱屏蔽中，可以防止外界电磁对机箱内部的正常工作的影响，而且满足了机箱散热的需求。

散热-吸波一体无源频率选择表面吸波器主要包括吸波和散热两部分。设计使用了双方环结构，调节单元大小、电阻值实现目标频段不同入射角度下具有90％以上的吸波率。在此基础上对结构进行打孔设计，再次仿真得到吸波率，并确定该值符合预计后，进行机箱完整建模，包括鼓风机、热源以及隔热条件，确保该结构的散热功能，实现吸波-散热一体。本发明为机箱的电磁防护、空中通信提供重要的技术支持，具有重要的军事和民用价值。

Claims (6)

1.一种散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，其特征在于，包括从上到下依次设置的频率选择表面、介质基底、空气层和金属地。

2.如权利要求1所述的散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，其特征在于，频率选择表面包括上层双方环金属贴片以及附着的贴片电阻、中间的空气层、下层金属板层；贴片电阻均放置在开缝圆环缝隙处，上下层中心的通孔以及上下层分别打通的圆形孔洞，在满足散热性能的前提条件下，实现2.2～5.8GHz频段90％以上的吸波。

3.如权利要求2所述的散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，其特征在于，设R(ω)是反射率，T(ω)是传输率，A(ω)是吸波率，三者之间的关系表示为：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)

用散射参数S来表示FSS吸波器的吸波率，其中反射率、传输率用S参数的反射系数、传输系数表示：R(ω)＝|S₁₁|²，T(ω)＝|S₂₁|²，因此，吸波率A(ω)又通过S参数表示为：

A(ω)＝1–|S₁₁|²-|S₂₁|²

金属板层为全反射导体面，透波系数S₂₁忽略不计。

4.如权利要求1所述的散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，其特征在于，介质基底选用相对介电常数为2.2的F4B基底材料。

5.如权利要求1所述的散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，其特征在于，介质基底上的圆形孔洞呈周期性分布。

6.如权利要求1所述的散热-吸波一体的无源频率选择表面吸波器，其特征在于，金属地上的周期性中心孔洞与最上层中心孔对应，形成通孔。

Images