CN115663482B - 一种应用于超表面的吸波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于超表面的吸波结构，涉及天线技术领域，吸波结构包括平行且相对设置的介质基板和金属板；介质基板的第一表面上设置有二阶Minkowski分形环；第一表面为介质基板的两个表面中靠近金属板的表面；介质基板的第二表面上设置有变形二阶Minkowski分形贴片；变形二阶Minkowski分形贴片是通过将二阶Minkowski分形贴片中的中心方形变形贴片替换为中心方形变形金属环，并将顶点方形变形贴片与介质基板重合的边长处填充金属贴片后得到的。本发明通过在介质基板的不同表面分别设置形状不同的Minkowski分形结构，能够提高单位面积对应的等效参数，进而实现吸波结构的小型化设计。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种应用于超表面的吸波结构。
背景技术
随着现代科技进步，人类日常生活中的电磁环境越来越复杂，对于电子设备抗外界辐射电磁波的干扰的性能要求越来越高。而电子设备实现抗辐射电磁波干扰的关键技术为电磁吸波材料。吸波材料在通信、天线测量和隐身测量等方面均有着广泛的应用。吸波材料能够吸收以P波段为代表的低频段，对于隐身性能具有重要意义。
与传统吸波材料（例如铁氧体吸波材料和尖劈型吸波材料）相比，超材料吸波结构具有灵活、可调、轻薄以及体积较小等优势。但现有的超材料吸波结构，尤其是应用于低频段电磁波吸收的超材料吸波结构，仍然周期较大、厚度较厚，难以达到预期的隐身测量效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于超表面的吸波结构，通过在介质基板的不同表面分别设置形状不同的Minkowski（人名，音译为闵可夫斯基）分形结构，提高单位面积对应的等效参数，进而实现吸波结构的小型化设计。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种应用于超表面的吸波结构，包括：介质基板和金属板；
所述介质基板和所述金属板平行且相对设置；
所述介质基板的第一表面上设置有二阶Minkowski分形环；
所述介质基板的第二表面上设置有变形二阶Minkowski分形贴片；所述变形二阶Minkowski分形贴片是通过将二阶Minkowski分形贴片中的中心方形变形贴片替换为中心方形变形金属环，并将顶点方形变形贴片与介质基板重合的边长处填充金属贴片后得到的。
可选的，所述介质基板的第一表面和第二表面上均设置有金属膜；
所述二阶Minkowski分形环和所述变形二阶Minkowski分形贴片均是通过对所述金属膜进行蚀刻得到的。
可选的，所述金属膜的材质为铜。
可选的，所述介质基板和所述金属板均为方形板状结构。
可选的，所述二阶Minkowski分形贴片包括：
中心方形变形贴片和4个顶点方形变形贴片；
所述中心方形变形贴片和4个所述顶点方形变形贴片的形状相同；
所述中心方形变形贴片和所述顶点方形变形贴片均是通过在方形贴片每条边的中点两侧以第一预设长度为边长蚀刻掉一个正方形后得到的；
4个所述顶点方形变形贴片的尺寸相同；
4个所述顶点方形变形贴片沿所述介质基板的不同顶点设置；
中心方形变形贴片的中心与所述介质基板同轴设置；
中心方形变形贴片的边长与2个顶点方形变形贴片的边上之和等于所述介质基板第一表面的边长。
可选的，所述二阶Minkowski分形环与所述二阶Minkowski分形贴片的边界形状相同。
可选的，所述中心方形变形金属环每条边的中点两侧第二预设长度内均设置有相同数量的多个齿状结构；
多个齿状结构均指向齿状结构所在边长的对边。
可选的，所述金属板的材质为铝。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种应用于超表面的吸波结构，包括：介质基板和金属板；介质基板和金属板平行且相对设置；介质基板的第一表面上设置有二阶Minkowski分形环；第一表面为介质基板的两个表面中靠近金属板的表面；介质基板的第二表面上设置有变形二阶Minkowski分形贴片；第二表面为介质基板的两个表面中远离金属板的表面；变形二阶Minkowski分形贴片是通过将二阶Minkowski分形贴片中的中心方形变形贴片替换为中心方形变形金属环，并将顶点方形变形贴片与介质基板重合的边长处填充金属贴片后得到的。本发明通过在介质基板的不同表面分别设置形状不同的Minkowski分形结构，能够提高单位面积对应的等效参数，进而实现吸波结构的小型化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中应用于超表面的吸波结构示意图；
图2为本发明实施例1中变形二阶Minkowski分形贴片结构示意图
图3为本发明实施例1中Minkowski分型贴片变形前后结构示意图；
图4为本发明实施例1中二阶Minkowski分形环结构示意图；
图5为本发明实施例1中吸波结构等效传输线模型示意图
图6为本发明实施例1中全波仿真和等效传输线模型仿真得到的反射系数对比图；
图7为本发明实施例1中在横电（TE，Transverse Electric）极化下不同入射角度的反射系数对比图；
图8为本发明实施例1中在TE极化下不同入射角度的吸收率对比图；
图9为本发明实施例1中在横磁（TM，Transverse Magnetic）极化下不同入射角度的反射系数对比图；
图10为本发明实施例1中在TM极化下不同入射角度的吸收率对比图。
附图标记说明：
1-介质基板；10-中心方形变形贴片；11-蚀刻掉的方形贴片；12-齿状结构；2-空气层；3-金属板；4-中心方形变形金属环；5-顶点方形变形贴片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种应用于超表面的吸波结构，通过在介质基板的不同表面分别设置形状不同的Minkowski分形结构，提高单位面积对应的等效参数，进而实现吸波结构的小型化设计。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种应用于超表面的吸波结构，包括：介质基板1和金属板3；介质基板1和金属板3之间设置有空气层2；介质基板和金属板平行且相对设置；介质基板的第一表面上设置有二阶Minkowski分形环；第一表面为介质基板的两个表面中靠近金属板的表面；介质基板的第二表面上设置有变形二阶Minkowski分形贴片；第二表面为介质基板的两个表面中远离金属板的表面；变形二阶Minkowski分形贴片是通过将二阶Minkowski分形贴片中的中心方形变形贴片10替换为中心方形变形金属环4，并将顶点方形变形贴片5与介质基板重合的边长处填充金属贴片后得到的。
如图1所示，本实施例提供的吸波材料，包括两块板，两块板间是空气层；下层板是纯金属板，上层板为两面覆铜的介质板，两面的覆铜层刻蚀出两种不同设计的图案。其中，介质基板的正面覆铜层刻蚀图案如图2和图3所示，背面覆铜层刻蚀图案如图4所示。金属板在距离介质基板h1处，作用为防止电磁波透射。
其中，介质基板的第一表面和第二表面上均设置有金属膜；二阶Minkowski分形环和变形二阶Minkowski分形贴片均是通过对金属膜进行蚀刻得到的。金属膜的材质为铜。介质基板和金属板均为方形板状结构。二阶Minkowski分形环与二阶Minkowski分形贴片的边界形状相同。金属板的材质为铝。介质基板使用Rogers RT5880介质材料，厚度为h2。金属板与介质基底的间距为h1。
具体的，二阶Minkowski分形贴片包括：中心方形变形贴片（边长为D1）和4个顶点方形变形贴片（边长为D2）；中心方形变形贴片和4个顶点方形变形贴片的形状相同；中心方形变形贴片和顶点方形变形贴片均是通过在方形贴片每条边的中点两侧以第一预设长度为边长蚀刻掉一个正方形后得到的；4个顶点方形变形贴片的尺寸相同；4个顶点方形变形贴片沿介质基板的不同顶点设置；中心方形变形贴片的中心与介质基板同轴设置；中心方形变形贴片的边长与2个顶点方形变形贴片的边上之和等于介质基板第一表面的边长。
如图1-图3所示，加载集总电阻的频率选择超表面（FSS，Frequency SelectionSurface）层在二阶Minkowski分形贴片的基础上，将贴片边界进行了填补，由于表面电流集中分布在贴片中心槽状结构边界处，而在贴片的四条边上由于第二次迭代产生的槽状结构上几乎没有电流分布，因此将这一部分进行填补后，相当于减小了贴片之间的缝隙，因此会增大等效电容。图3左侧二阶Minkowski分型贴片，黑色处表示贴片，白色表示空隙。图3右侧四个顶点位置的顶点方形变形贴片与原始相比由白色变为黑色的部分即表示填补部分。集总电阻R01位于中心金属线框的边界，处于金属线弯折处。集总电阻的大小根据所需导纳匹配确定。变形二阶Minkowski分形贴片边长为L或p，L=p。一阶和二阶分形比例因子为S1和S2，两个因子相近时效果更好，金属线宽w综合考虑吸波效果和加工精度确定。
其中，中心方形变形金属环每条边的中点两侧第二预设长度内均设置有相同数量的多个齿状结构12；多个齿状结构均指向齿状结构所在边长的对边。如图2图3所示，将中心方形变形贴片（即加载集总电阻的FSS吸收层）用中心方形变形金属环代替，在金属环中心部分加入同样线宽的多匝弯折线（即齿状结构），这种方式极大减小了表面电流流过的面积，相当于减小了栅条宽度，因此可以有效增大加载集总电阻的FSS吸收层的等效电感。在中心弯折金属线上加载集总电阻，可以为吸波材料引入欧姆损耗。经仿真，分形比例因子S1和S2（S1=D1/L，S2=D2/D1）相近时反射系数较小，金属线宽w1综合考虑仿真结果和加工精度确定。
w表示金属线宽，即图1右侧金属线的宽度，S1和S2依据仿真，选择使反射系数较小的结果
如图4，底面的分形环吸收层的形状为二阶Minkowski分形环。集总电阻加载在环中心拐角处。电阻值为R02。金属线宽为w1，分形环外边长为x，类似的，一阶和二阶的分形比例因子分别为r1和r2，集总电阻间距为dx。在介质板背面加入二阶Minkowski分形环后，在低频段增大了等效导纳虚部，而在高频段减小等效导纳虚部，这解决了正面分型贴片结构在高频段导纳虚部严重失配的问题，从而在原结构的基础上扩宽了吸收带宽。在一个实施例中，经过仿真，分形比例因子r1和r2相近时可以得到适当的导纳实部与虚部，从而得到较小的反射系数，金属线宽w1综合考虑仿真结果和加工精度确定。
建立应用于超表面的吸波结构的等效传输线模型如图5所示。图5中，H1表示空气层等效的传输线，H2表示介质基板等效的传输线；R1是加载集总电阻的FSS吸收层等效的谐振支路中的电阻，L1是加载集总电阻的FSS吸收层等效的谐振支路中的电容，C1是加载集总电阻的FSS吸收层等效的谐振支路中的电感，R2是二阶Minkowski分形环等效的谐振支路中的电阻、电容和电感。L2是二阶Minkowski分形环等效的谐振支路中的电阻、电容和电感。C2是二阶Minkowski分形环等效的谐振支路中的电阻、电容和电感。Yin1、Yin2和Yin3表示图5中不同箭头处的输入导纳，Y0是空气层等效的传输线H1特性导纳；Y01是介质基板等效的传输线H2的特性导纳。
加载了集总电阻的二阶Minkowski分形环可等效为一个串联RLC电路（电阻-电感-电容串联结构电路），因此FSS吸收层和二阶Minkowski分形环可以被等效为两条RLC串联支路；介质基底和空气层可以各等效为一条长度、特性阻抗不同的传输线。
如图6所示，利用电路仿真软件和全波仿真软件分别得到了0.25GHz至1.5GHz内超材料的反射率曲线图，该结构在0.3GHz-1.28GHz范围内反射系数均小于-10dB，吸收率大于90%，吸收带宽为124.1%。电路仿真和全波仿真具有良好的一致性。根据反射系数曲线，可以看出该结构在0.3GHz-1.31GHz内有三个谐振点，分别为fr1=0.37GHz，fr2=0.88GHz，fr3=1.23GHz，由此，结构的归一化等效导纳在0.2GHz到1.5GHz内可以分为三个区域，即低频处的感性区域；中频处接近纯电导的区域以及在高频处的容性区域，三个谐振点分别对应三个区域距离匹配点最近的频点。
如图7-图10，对于TM极化和TE极化入射的平面电磁波，对入射角在0º-45º的情况下反射系数和吸波率进行了仿真。可以看到在TM极化的情况下，随着入射角的增大，吸收频带逐渐向高频移动，在入射角为30°时，在0.38GHz-1.34GHz频带内反射系数小于-10dB；而在TE极化情况下，随着入射角的增大，反射系数逐渐增大，曲线整体向上方移动，在入射角为30°时，反射系数在0.3GHz-1.4GHz频带内小于-8dB，具有85%以上的吸收率。仿真结果表示在0º-30º入射角范围内，吸波结构具有良好的吸收率。可见，本发明减小了超表面单元的尺寸，扩宽了吸收带宽，同时保证了结构具有良好的极化稳定性和入射角稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，包括：介质基板和金属板；
所述介质基板和所述金属板平行且相对设置；
所述介质基板的第一表面上设置有二阶Minkowski分形环；
所述介质基板的第二表面上设置有变形二阶Minkowski分形贴片；所述变形二阶Minkowski分形贴片是通过将二阶Minkowski分形贴片中的中心方形变形贴片替换为中心方形变形金属环，并将顶点方形变形贴片与介质基板重合的边长处填充金属贴片后得到的；第一表面为介质基板的两个表面中靠近金属板的表面；第二表面为介质基板的两个表面中远离金属板的表面；
所述二阶Minkowski分形贴片包括：
中心方形变形贴片和4个顶点方形变形贴片；
所述中心方形变形贴片和所述顶点方形变形贴片均是通过在方形贴片每条边的中点两侧以第一预设长度为边长蚀刻掉一个正方形后得到的；
4个所述顶点方形变形贴片沿所述介质基板的不同顶点设置。
2.根据权利要求1所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，所述介质基板的第一表面和第二表面上均设置有金属膜；
所述二阶Minkowski分形环和所述变形二阶Minkowski分形贴片均是通过对所述金属膜进行蚀刻得到的。
3.根据权利要求2所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，所述金属膜的材质为铜。
4.根据权利要求1所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，所述介质基板和所述金属板均为方形板状结构。
5.根据权利要求1所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，
所述中心方形变形贴片和4个所述顶点方形变形贴片的形状相同；
4个所述顶点方形变形贴片的尺寸相同；
中心方形变形贴片的中心与所述介质基板同轴设置；
中心方形变形贴片的边长与2个顶点方形变形贴片的边上之和等于所述介质基板第一表面的边长。
6.根据权利要求5所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，所述二阶Minkowski分形环与所述二阶Minkowski分形贴片的边界形状相同。
7.根据权利要求1所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，所述中心方形变形金属环每条边的中点两侧第二预设长度内均设置有相同数量的多个齿状结构；
多个齿状结构均指向齿状结构所在边长的对边。
8.根据权利要求1所述的一种应用于超表面的吸波结构，其特征在于，所述金属板的材质为铝。
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