CN114221137A - 一种吸收与透射极化转化的多功能超表面 - Google Patents

一种吸收与透射极化转化的多功能超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，包括介质基板、吸波损耗层和频率选择表面，吸波损耗层印制在介质基板上表面，频率选择表面印制于介质基板的下表面；吸波损耗层包括开口谐振环与加载在该谐振环上的贴片电阻；频率选择表面包括弯折结构的金属贴片与在该贴片上的开槽；通过改变弯折线的长度，使得透射波实现对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化。本发明解决了吸波结构单元尺寸大，工作频带窄的问题。可用于微波波段，完成对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化功能，并且兼备宽带特性与低剖面特性。

Description

一种吸收与透射极化转化的多功能超表面
技术领域
本发明属于微波材料技术领域，特别涉及一种多功能超表面。本发明可用于微波波段，完成对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化功能，并且兼备宽带特性与低剖面特性。
背景技术
由于吸波结构可以吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰，因此被大量应用于军事领域与通信领域。近年来由于超材料吸波结构具有吸收入射电磁波的特性，在实现天线雷达散射截面减缩的领域运用广泛。但是传统的吸收入射波的方法大量采用集总电阻或电阻片，使得10dB RCS减缩带宽很窄。而超材料吸波结构本身具有单元尺寸大，工作频带窄的特点，不利于实现宽带与小型化的性能。因此，在基于超材料吸波体的设计中，设计出具有宽频带和小型化的吸波结构具有十分重要的意义。
王旭等人在其发表的论文“超宽带吸波结构设计及其在天线方面的应用研究”(电子科技大学，2019)中提出一种超宽带的吸波结构。该设计通过构建基本吸波结构单元的等效电路，分析影响吸波带宽上限的因素，利用多层吸波结构打破了带宽的上限。但是，该结构仍然存在的不足之处是，入射角稳定性不足，在30度左右性能开始恶化，而且实现方式上目前存在一定难度。
Xujin Yuan等人在其发表的论文“Wideband High-Absorption ElectromagneticAbsorber With Chaos Patterned Surface”(IEEE ANTENNAS AND WIREL,ESSPROPAGATION LETTERS,VOL.18,NO.1,JANUARY 2019)中提出了一种以罗斯勒混沌反应扩散系统模式为特征的超表面，并在表面层实现了宽频带内吸收入射波。该设计利用混沌图案片中的强耦合拓宽了吸波带宽，反射率在5.76GHz-14.14GHz的频段内降低-10dB以上，在6.90GHz-13.94GHz的频段内降低-15dB以上，表现优于传统的吸波器。在入射角偏移60度以内时，混沌超表面的反射率几乎不变，具有良好的稳定性。但是，该天线仍然存在的不足之处是吸波率不够高。
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具有低剖面特性的宽带吸波单元。旨在通过多谐振点共同作用的方式以实现吸波带宽的展宽，并且实现单元的小型化以及进一步降低结构的剖面高度。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，包括介质基板、吸波损耗层和频率选择表面，吸波损耗层印制在介质基板上表面，频率选择表面印制于介质基板的下表面；
所述吸波损耗层包括开口谐振环与加载在该谐振环上的贴片电阻；
所述频率选择表面包括弯折结构的金属贴片与在该贴片上的开槽；通过改变弯折线的长度，使得透射波实现对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化。
作为优选，所述开口谐振环是由四个小谐振环围绕中心点旋转90°组成，每一个小谐振环弯折三次，成“C”字型结构，每一个谐振环上均印制有两个贴片电阻。
作为优选，两个贴片电阻分别位于开口谐振环外边框上，并处于开口谐振环外边框中心位置。
作为优选，所述贴片上的开槽为中心十字槽线向外依次折叠四次的十字形开槽。
作为优选，所述贴片上的开槽的各槽线沿十字开槽a1设有7个弯折段a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8，其中各弯折段的长度由内向外依次递增。
作为优选，所述介质基板采用介电常数4.4，厚度t1＝3mm的FR4材料。
作为优选，所述吸波损耗层工作于高频，频率选择表面工作于低频。
作为优选，在6.24GHz-12.66GHz处，吸波率大于90％。
本发明基于具有低剖面特性的超材料吸波体的研究，通过使用加载集总元件技术、开口谐振环以及多谐振模式结合的方法构建了一种具有低剖面特性的宽带吸波单元。将设计的吸波结构与具有极化转化特性的频率选择表面相结合，完成了对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化功能。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
第一，本发明所设计的损耗层采用金属枝节结合集总电阻的设计方法，结合欧姆损耗与介电损耗，展宽了吸波结构的工作带宽。
第二，本发明吸波结构的入射角在45度内时，TE极化的吸波率在80％以上，TM极化的吸波率在90％以上。入射角的变化对该结构的吸波特性影响较小，具有良好的入射角稳定性。
第三，本发明采用折叠开口谐振环的形式方法，极大地延长了结构的电长度，从而减小了结构的单元尺寸，起到了很好的小型化效果。
第四，本发明将宽带吸波结构与带通型频率选择表面进行上下叠加组合，构造了兼具吸收与透射的超表面结构。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中下层超材料吸波结构示意图；
图3为本发明中频率选择表面结构示意图；
图4为本发明仿真实验中的反射系数图；
图5为本发明仿真实验中的透射系数图；
图6为本发明仿真实验中超表面的吸波率曲线图；
图7为本发明仿真实验中TE极化和TM极化反射系数曲线图；
图8为本发明仿真实验中TE极化和TM极化传输系数曲线图；
图9为本发明仿真实验中TE极化和TM极化吸波率曲线图。
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。
参照图1，对本发明的天线整体结构作进一步详细的说明。本发明吸收与透射转化的多功能超表面，包括介质基板2、吸波损耗层1和频率选择表面3，吸波损耗层1印制在介质基板2上表面，频率选择表面3印制于介质基板2的下表面。以实现对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化功能。
参照图2，上层的吸波损耗层1包括开口谐振环11与加载在该谐振环上的贴片电阻12；由四组开口谐振环11关于中心对称连接构成，四个谐振环尺寸结构完全相同，每个谐振环上均印制两个规格为0201的电阻贴片12。开口谐振环11是由四个小谐振环围绕中心点旋转90°组成，每一个小谐振环弯折三次，成“C”字型结构，谐振环结构的边缘与介质基板边缘分别对齐，谐振环的边沿之间两两平齐。每一个谐振环上均印制有两个贴片电阻，两个电阻贴片分别印制于谐振环与边缘平齐的长边上，且都处于中心位置。
其中，实现单元的小型化以及进一步降低结构的剖面高度也是研究的重点。
如图3所示，底层的频率选择表面3包括金属贴片31与在该贴片上的开槽32，贴片上的开槽32为中心十字槽线向外依次折叠四次的十字形开槽，各槽线沿十字开槽a1设有7个弯折段a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8，其中各弯折段的长度由内向外依次递增，使得金属槽线充分地分布在单元表面上，结构的电长度被很大限度的延长，起到了很好的小型化效果。
其中，在一个实施例中，介质基板长度p为6.7mm，谐振环长边L1为3mm，谐振环之间间距d为0.1mm，短边之间间距L2为2.7mm。
参照图3，频率选择表面选取了十字形进行多次折叠的弯折结构，底层十字槽单元臂宽为0.1mm，周期同介质基板长度为6.7mm，十字槽由中心向外各个小槽的长度分别为a1＝0.6mm、a2＝0.8mm、b1＝0.3mm、a3＝1.4mm、b1＝0.3mm、a4＝2.2mm、b1＝0.3mm、a5＝2.8mm、b1＝0.3mm、a6＝3.4mm、b1＝0.3mm、a7＝4.1mm、b1＝0.3mm、a8＝4.8mm，相应的，十字槽一臂长度由原先的3.35mm有效延长为弯折处理后的21.9mm，实现了很好的小型化的效果。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
利用商业仿真软件HFSS_19.0对本发明建模仿真得到超表面的仿真结果如图4、图5所示。图4为超表面的反射系数图，图5为超表面的透射系数图。图4以及图5中的横坐标为频率值，单位为GHz，纵坐标为S参数，单位为dB。由图4可得，单元反射系数小于－10dB的频段为6.33GHz-13.07GHz和2.19GHz-2.27GHz。6.33GHz-13.07GHz处是由于吸波结构对入射波的吸收作用，2.19GHz-2.27GHz处是因为处于频率选择表面的工作频段，电磁波由上而下入射时在此频点处产生了透射。通过观察图5的传输系数可以得到电磁波从下表面入射至上方时，传输系数大于－3dB的频段为2.17GHz-2.28GHz，其中在2.25GHz处传输系数为－2dB。
利用商业仿真软件HFSS_19.0对本发明建模得到超表面在15GHz内的吸波率曲线如图6所示。图6中的横坐标为频率值，单位为GHz，纵坐标为吸波率，为0-1之间的常数。其中结构吸波率的计算公式为A＝1-|S11|2-|S21|2。由图6可得，结构在6.24GHz-12.66GHz处，吸波率大于90％，由于结构下表面并不是金属地板而是带通型频率选择表面，因此吸波带宽还有展宽的空间。
利用商业仿真软件HFSS_19.0对本发明建模得到超表面结构的反射系数曲线如图7所示。图7中的横坐标为频率值，单位为GHz，纵坐标为S参数，单位为dB。由图7可得，对于TE极化，在6.4GHz-12.6GHz处入射波被吸收，结构的反射系数小于－10dB，在2.45GHz-2.57GHz处反射系数小于－10dB主要是由于频选的透射作用。对于TM极化，反射系数小于－10dB的吸波频段为6.37GHz-13.37GHz，透射频段为2.45GHz-2.57GHz。结构在两个极化下反射系数的差异，主要是由于下层频选两个极化下的尺寸不同造成的。
利用商业仿真软件HFSS_19.0对本发明建模得到超表面结构的传输系数曲线如图8所示。图8中的横坐标为频率值，单位为GHz，纵坐标为S参数，单位为dB，以及相位差，单位为deg。由图8可得，由图可得在两个极化下传输系数曲线在低频段有明显的差异，通过改变弯折线的长度，使得透射波在两个极化下的谐振频点不同，并通过两个频点的中间位置来构造等幅相位差为90°的透射波。在2.50GHz处，两个极化下的透射波幅度相等，并且两分量的相位差为96°，透射波基本接近与圆极化波。通过轴比计算公式：
Figure BDA0003485869350000061
可以计算得到结构的轴比，可得结构的3dB轴比带宽为2.44GHz-2.56GHz，相对带宽为4.8％，最小轴比在中心频率处为1dB。
通过公式A＝1-|S11|2-|S21|2计算结构的吸波率，图9为设计结构的吸波率曲线，由图可得，结构在6.24GHz-12.66GHz处，吸波率大于90％。
以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明中具有低剖面特性的超材料结构，展宽了吸波带宽，也进一步降低了结构的剖面高度，同时具备对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化功能。并且结构具有良好的极化稳定性和入射角稳定性。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，包括介质基板、吸波损耗层和频率选择表面，吸波损耗层印制在介质基板上表面，频率选择表面印制于介质基板的下表面；
所述吸波损耗层包括开口谐振环与加载在该谐振环上的贴片电阻；
所述频率选择表面包括弯折结构的金属贴片与在该贴片上的开槽；通过改变弯折线的长度，使得透射波实现对入射波的吸收与透射波的线极化至圆极化的转化。
2.根据权利要求1所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，所述开口谐振环是由四个小谐振环围绕中心点旋转90°组成，每一个小谐振环弯折三次，成“C”字型结构，每一个谐振环上均印制有两个贴片电阻。
3.根据权利要求2所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，两个贴片电阻分别位于开口谐振环外边框上，并处于开口谐振环外边框中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，所述贴片上的开槽(32)为中心十字槽线向外依次折叠四次的十字形开槽。
5.根据权利要求4所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，所述贴片上的开槽(32)的各槽线沿十字开槽a1设有7个弯折段a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8，其中各弯折段的长度由内向外依次递增。
6.根据权利要求1所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，所述介质基板采用介电常数4.4，厚度t1＝3mm的FR4材料。
7.根据权利要求1所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，所述吸波损耗层工作于高频，频率选择表面工作于低频。
8.根据权利要求1所述的一种吸收与透射极化转化的多功能超表面，其特征在于，在6.24GHz-12.66GHz处，吸波率大于90％。
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