基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體的製作方法
2023-07-07 15:28:21 1
基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體的製作方法
【專利摘要】本發明提出一種具有寬頻帶吸收特性的微波吸收體–基於摺疊偶極子結構的微波吸收體。該結構以摺疊偶極子天線為設計出發點，通過史密斯圓圖阻抗調節的方法設計出具有寬頻帶的天線陣列，進而根據天線的互易性原理，將饋源用負載電阻替代，從而獲得具有寬頻帶吸收特性的微波吸收體。該吸收體的介質層採用雙層結構，其中上層為普通的介質基板，下層為普通的聚苯乙烯泡沫材料（介電常數約為1.07）。雖然採用了雙層的介質材料，但是卻只採用了單層的金屬貼片電路，配合薄膜貼片電阻的使用，結構更加簡單，加工更容易，並且成本和重量都相對較小，因而可以大規模生產。
【專利說明】基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於電磁兼容設計和雷達吸收材料的電磁波吸收電路，特別是ー種基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體。
【背景技術】
[0002]電子設備在電磁環境中的安全性研究最早源於軍用設備的電磁信息防洩漏的研究，稱為TEMPEST技術(電磁信息洩露防護技術)。隨著民用電子信息產品的廣泛應用和快速的更新換代，電子設備的電磁環境安全性也受到關注，與TEMPEST技術不同的是民用電子信息產品主要考慮的不只是自身的信息洩露問題，而是外部的電磁場是否會影響自身設備的正常工作和自身散發的電磁是否會影響其它電子信息產品的正常工作。另外，隨著現代偵察與探測技術水平的不斷提高，對雷達吸波材料的性能也提出了更高的要求。
[0003]電磁波吸收體的使用是實現屏蔽電磁波不幹擾其它設備以及不被其它設備幹擾的一種有效手段。根據其作用機理不同，吸收體的研究主要分為兩大類:一種是對新型材料的研究，例如吸收劑，吸波材料等複合材料的設計以及超材料的運用；另外一種就是基於電路理論的設計，例如金屬網，Salisbury屏，Jaumann吸收體以及不僅包含電阻成分還包含電抗成分的電路模擬吸收體。目前，對電路模擬吸收體的研究著重於對電阻性材料的研究，通過設計不同形狀和不同阻抗值的電阻膜，來實現對入射電磁波的吸收。對於此類吸收體來說，若想在更寬的帶寬內獲得比較理想的吸收性能，則採取的主要手段是增加吸收層的層數，而這不僅會增加製作的成本，還會使得吸收體的體積和重量増加。
[0004]由上可知，現有技術的實現方法比較複雜，且很難實現既具有工作帶寬寬的特性又具有低剖面特性的微波吸收體。
【發明內容】
[0005]本發明所解決的技術問題在於提供一種基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，它能在寬頻段內吸收入射電磁波。
[0006]實現本發明目的的技術解決方案為:一種基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，以摺疊偶極子結構作為基本結構進行組陣，以四個中心対稱的半個摺疊偶極子結構為ー個周期單元進行ニ維排布，相鄰兩個摺疊偶極子結構的夾角為九十度，位於邊界處周期単元中的所有不完整摺疊偶極子結構分別用與其対稱的半個摺疊偶極子結構進行補充，以上結構印製在介質基板上，介質基板下方設置金屬板，在介質基板和金屬板之間填充聚苯こ烯泡沫板用以支撐介質基板，每個摺疊偶極子結構包括互連的長度相等的無饋源金屬臂和有饋源金屬臂，二者相互平行並且其連接處為天線末端，天線末端的中間位置設置貼片電阻，互連的無饋源金屬臂和有饋源金屬臂的兩側設置四條支節線，其中兩條支節線位於無饋源金屬臂外側與天線末端相連並與無饋源金屬臂相平行，另外兩條支節線位於有饋源金屬臂外側與天線末端相連並與有饋源金屬臂相平行，有饋源金屬臂的中部設置負載電阻，天線末端與負載電阻的距離小於四分之一波長。[0007]本發明與現有技術相比，其顯著優點為:1)本發明提出的基於摺疊偶極子結構的微波吸收體，可實現對雙極化入射電磁波的吸收；其相對工作帶寬超過100%，並且當入射波的角度為45°時，吸收帶寬仍然保持在90%以上；2)本發明提出的基於摺疊偶極子結構的微波吸收體，雖然採用了雙層的介質材料，卻只採用了單層的金屬貼片電路，配合薄膜貼片電阻的使用，結構更加簡單，加工更容易，並且成本和重量都相對較小，因而可以大規模生產；此外，還可與其他技術，譬如MEMS開關技術相結合設計出具有接收、發射及吸收等功能的雷達系統部件。
[0008]下面結合附圖對本發明作進ー步詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的摺疊偶極子的結構示意圖。
[0010]圖2為周期單元的三維示意圖。
[0011]圖3為基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體結構俯視圖。
【具體實施方式】
[0012]結合圖1、圖2和圖3，本發明的一種基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，以摺疊偶極子結構作為基本結構進行組陣，以四個中心対稱的半個摺疊偶極子結構為ー個周期単元進行ニ維排布，相鄰兩個摺疊偶極子結構的夾角為九十度，位於邊界處周期単元中的所有不完整摺疊偶極子結構分別用與其対稱的半個摺疊偶極子結構進行補充，以上結構印製在介質基板7上，介質基板7下方設置金屬板9，在介質基板7和金屬板9之間填充聚苯こ烯泡沫板8用以支撐介質基板7，每個摺疊偶極子結構包括互連的長度相等的無饋源金屬臂I和有饋源金屬臂2，二者相互平行並且其連接處為天線末端3，天線末端3的中間位置設置貼片電阻6，互連的無饋源金屬臂I和有饋源金屬臂2的兩側設置四條支節線4，其中兩條支節線4位於無饋源金屬臂I外側與天線末端3相連並與無饋源金屬臂I相平行，另外兩條支節線4位於有饋源金屬臂2外側與天線末端3相連並與有饋源金屬臂2相平行，有饋源金屬臂2的中部設置負載電阻5，天線末端3與負載電阻5的距離小於四分之一波長。
[0013]所述介質基板7的介電常數e r為2.2?10.2,厚度為1mm。
[0014]所述填充材料8為聚苯こ烯泡沫板，其等效介電常數為1.03?1.07，厚度為入0/4-(Vn Vi^I)，其中\為自由空間內的波長。
[0015]所述摺疊偶極子的無饋源金屬臂I的寬度為有饋源金屬臂2寬度的四分之一，兩臂之間距離為有饋源金屬臂2寬度的3倍；天線末端3與負載電阻5的距離為無饋源金屬臂I長度的1/3,天線末端3的寬度為0.5mm ;支節線4的寬度與無饋源金屬臂I的寬度相等，支節線4的長度等於無饋源金屬臂I長度的1/5。
[0016]所述負載電阻5的阻值與摺疊偶極子作為天線時的輸入阻抗值相等。
[0017]所述貼片電阻6的阻值為普通半波偶極子輻射阻抗值的兩倍。
[0018]下面對本發明的具體裝置的細節及工作情況進行細化說明。
[0019]完整的摺疊偶極子的無饋源金屬臂I的寬度為0.3mm,長度為16.2mm ;有饋源金屬臂2的寬度為1.2mm,長度為16.2mm ;四條支節線4的寬度均為0.3mm,長度為3.5mm,與無饋源金屬臂I的距離為0.3mm ;無饋源金屬臂I和有饋源金屬臂2的間距為3.95mm，摺疊偶極子天線末端3的寬度為0.5mm ;有饋源金屬臂2中部位置加載SMD負載電阻5，其封裝型號為0603，阻值為620 Q ;為消除雙極化陣列相鄰兩個位於不同方向的摺疊偶極子產生的貼片FSS工作模式，在摺疊偶極子天線末端3加載貼片電阻6，其封裝型號為0402，阻值為150 Q。為滿足對相互垂直的兩個方向的極化波的吸收，周期單元的尺寸為22.5mm*22.5mm,由位於垂直方向的四個尺寸完全相同的半個摺疊偶極子構成，每半個摺疊偶極子與同方向相鄰單元的另外半個摺疊偶極子構成一個完整的摺疊偶極子；依次類推，在平面的兩個垂直方向上進行ニ維周期排布13*13個單元。此外，為保證整體結構的完整性，樣品的第I列，第3列，第I排及第13排單元裡，位於外側的13*13隻半個摺疊偶極子，與其対稱的左補償結構10、右補償結構11、下補償結構12及上補償結構13各自構成完整的摺疊偶極子。摺疊偶極子陣列印製在介電常數為4.4的環氧樹脂介質基板7上，其厚度為1_ ;為阻止入射波穿透吸收體進入被保護電路或系統中，在摺疊偶極子陣列下方IImm處放置金屬板9，為保證吸收體整體的強度，金屬板9的厚度為2mm ;介質基板7與金屬板9之間填充聚苯こ烯泡沫材料，其等效介電常數為1.07，厚度為10mm。
[0020]該實例包含14*13個橫向摺疊偶極子，13*14個縱向摺疊偶極子，整體的橫截面尺寸為315mm*315mm，總厚度為13mm (其中接地板的厚度為2mm)，總重量為747克。經數值計算和實際測試，當電磁波垂直入射到樣品上吋，吸收率為90%的頻段範圍為2.85GHz?
8.45GHz，相對帶寬為99.1%;當入射角度為45°吋，TE波吸收率80%以上的頻段範圍為
2.8GHz?7.6GHz, TM波吸收率80%以上的頻段範圍為3.5GHz?7.5GHz。
[0021]下面對本發明基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體的製備過程進行詳細描述:(1)首先，確定微波吸收體的中心頻率和上層介質基板的參數，主要是介電常數和厚度。基於吸收體的表面平整度及總重量的考慮，厚度通常選擇在0.5mm?Imm之間。
[0022](2)由普通偶極子天線諧振頻率與介質基板的介電常數和厚度之間的關係，確定摺疊偶極子的等效自由空間波長。根據周期結構的主模對單元尺寸的要求確定單元的寬度，通常為等效自由空間波長的一半；並根據傳統電路模擬吸收體的工作機理，確定下層聚苯こ烯泡沫的厚度，約為等效自由空間波長的四分之一；並在泡沫層下方放置金屬板。
[0023](3)根據摺疊偶極子天線理論，確定普通摺疊偶極子的兩臂寬度及長度，此時兩臂的寬度相等；通過改變兩臂的間距、寬度比，改變兩臂上的電流分布及輸入阻抗值，展寬天線的工作帶寬。
[0024](4)將步驟(3)中天線末端即朝饋源方向移動，從而改變摺疊偶極子特性阻抗的電抗特性，進ー步展寬帶寬。
[0025](5)根據偶極子類天線工作時末端電流比較小的物理現象，將步驟(3)中向饋源方向平移的天線末端以外的部分向偶極子兩側摺疊形成補償支節線，可以減小天線及單元的大小，有利於降低入射波角度的敏感性。
[0026](6)根據天線互易性原理，將(步驟5)中摺疊偶極子陣列天線的各個饋源用負載電阻來代替，其阻值等於步驟(5)中的饋源特徵阻抗值，從而實現具有寬帶特性的單極化微波吸收體。
[0027](7)以步驟(6)中得到的摺疊偶極子單元為基本単元，將其在兩正交入射波方向周期排列進行組陣，實現微波吸收體的雙極化特性。並在摺疊偶極子末端分別加載電阻，來消除相鄰兩個垂直的摺疊偶極子會引入新的工作模式，該模式下吸收體會發生近似全反射。[0028]由上可知，本發明是為適應電磁波吸收體對工作頻段的寬帶要求而設計，並且考慮到不同極化方向和不同角度的入射波，在設計中針對單元的小型化設計和合適的組陣方案進行了改進和優化；此外，聚苯こ烯泡沫材料的使用不僅可以降低加工成本，還可以大大減少整體的重量。基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體對水平和垂直極化方向的入射波的吸收率超過90%的相對帶寬為100%，對入射角度為45°入射波的吸收率超過90%的相對帶寬為90%以上，並且厚度小於自由空間內中心頻率處波長的四分之一。
【權利要求】
1.一種基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特徵在幹，以摺疊偶極子結構作為基本結構進行組陣，以四個中心対稱的半個摺疊偶極子結構為ー個周期單元進行ニ維排布，相鄰兩個摺疊偶極子結構的夾角為九十度，位於邊界處周期単元中的所有不完整摺疊偶極子結構分別用與其対稱的半個摺疊偶極子結構進行補充，以上結構印製在介質基板[7]上，介質基板[7]下方設置金屬板[9]，在介質基板[7]和金屬板[9]之間填充聚苯こ烯泡沫板[8]用以支撐介質基板[7]，每個摺疊偶極子結構包括互連的長度相等的無饋源金屬臂[I]和有饋源金屬臂[2]，二者相互平行並且其連接處為天線末端[3]，天線末端[3]的中間位置設置貼片電阻[6]，互連的無饋源金屬臂[I]和有饋源金屬臂[2]的兩側設置四條支節線[4]，其中兩條支節線[4]位於無饋源金屬臂[I]外側與天線末端[3]相連並與無饋源金屬臂[I]相平行，另外兩條支節線[4]位於有饋源金屬臂[2]外側與天線末端[3]相連並與有饋源金屬臂[2]相平行，有饋源金屬臂[2]的中部設置負載電阻[5]，天線末端[3]與負載電阻[5]的距離小於四分之一波長。
2.根據權利要求1所述的基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特徵在於，介質基板[7]的介電常數e r為2.2?10.2，厚度為1mm。
3.根據權利要求1或2所述的基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特徵在於，填充材料[8]為聚苯こ烯泡沫板，其等效介電常數為1.03?1.07，厚度為 其中入。為自由空間內的波長。
4.根據權利要求1所述的基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特徵在於，摺疊偶極子的無饋源金屬臂[I]的寬度為有饋源金屬臂[2]寬度的四分之一，兩臂之間距離為有饋源金屬臂[2]寬度的3倍；天線末端[3]與負載電阻[5]的距離為無饋源金屬臂[I]長度的1/3，天線末端[3]的寬 度為0.5_;支節線[4]的寬度與無饋源金屬臂[I]的寬度相等，支節線[4]的長度等於無饋源金屬臂[I]長度的1/5。
5.根據權利要求1所述的基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特徵在幹，負載電阻[5]的阻值與摺疊偶極子作為天線時的輸入阻抗值相等。
6.根據權利要求1所述的基於摺疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特徵在幹，貼片電阻[6]的阻值為普通半波偶極子輻射阻抗值的兩倍。
【文檔編號】H01Q17/00GK103427166SQ201310374702
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月25日 優先權日:2013年8月25日
【發明者】車文荃, 常玉梅, 周雍, 韓葉, 熊瑛 申請人:南京理工大學