一種超寬帶的電磁吸波結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁吸波結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于緊耦合陣列技術(shù)的超寬帶 電磁吸波結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁吸波材料可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型。涂覆型吸波材料是將具有吸波性能的粉 末、纖維等吸收劑與粘結(jié)劑混合形成的涂料。結(jié)構(gòu)型吸波材料具有吸波和承載物體兩種功 能，常見的結(jié)構(gòu)型吸波材料有Salisbury屏、Jaumann吸波體、幾何漸變吸波體、蜂窩吸波結(jié) 構(gòu)、波紋結(jié)構(gòu)和周期吸波結(jié)構(gòu)等。
[0003] 周期吸波結(jié)構(gòu)通常采用有耗頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS) 或電磁超材料（Metamaterial)技術(shù)來實現(xiàn)。有耗頻率選擇表面吸波結(jié)構(gòu)是由有耗介質(zhì)與 頻率選擇表面復(fù)合而成的吸波材料。最初應(yīng)用于有耗頻率選擇表面吸波結(jié)構(gòu)中的一般是方 格柵型或十字型等簡單形式的，其形式一般為完全導(dǎo)電的金屬薄膜或涂層。隨著數(shù)值計算 水平的不斷提高和制備技術(shù)的發(fā)展，逐漸有一些新型的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在有耗頻率選擇表面吸波 結(jié)構(gòu)中。超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料?；?于電磁超材料的吸波體最早由N. I. Landy等人于2008年提出。隨著研究的不斷深入，人們 設(shè)計出了各式各樣的超材料結(jié)構(gòu)，如樹枝狀的吸收器、注重寬角度吸收的理想吸波體、雙頻 甚至多頻吸波體、寬頻帶的理想吸波體、可調(diào)諧型的理想吸波體等。
[0004] 比如，文獻(xiàn)"湯洋，高勁松，王巖松，徐念喜，陳新.基于頻率選擇表面的超輕薄 寬帶吸波材料.發(fā)明專利，【申請?zhí)枴?01310613651. 3"公布了一種采用頻率選擇表面技術(shù)的 吸波結(jié)構(gòu)。在8~23GHz范圍內(nèi)具有-IOdB以下的反射系數(shù)，結(jié)構(gòu)的厚度為3_，即厚度為 最低工作頻率處波長的〇. 08倍時，90%吸波率的帶寬為2. 9:1。
[0005] 文獻(xiàn) "Bing Wang, Bo Yi Gong, Mei Wang, Bing Weng, Xiaopeng Zhao. Dendritic wideband metamaterial absorber based on resistance film. Applied Physics A，2015, 118(4) : 1559-1563"公布了一種采用超材料技術(shù)的吸波結(jié)構(gòu)。超材料的單元結(jié)構(gòu)為 樹枝狀，80%吸波率的帶寬為3. 5:1，結(jié)構(gòu)的厚度為最低工作頻率處波長的0. 08倍。
[0006] 然而，頻率選擇表面和超材料均是一種諧振結(jié)構(gòu)，因此它們都是窄帶工作。雖然可 以采用有耗的材料和多諧的方式增加吸波帶寬，但是帶寬增加的程度不大，一定程度限制 了它們的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)帶寬較窄的不足，本發(fā)明提供了一種超寬帶的電磁吸波結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)基于緊耦合陣列技術(shù)來設(shè)計，具有超寬帶的特點。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：包括金屬地板、空氣層、緊耦合陣列 和介質(zhì)覆層；所述的金屬地板和介質(zhì)覆層之間間隔有空氣層，緊耦合陣列設(shè)置在介質(zhì)覆層 靠近金屬地板一側(cè)的表面；所述的緊耦合陣列由周期排列的對稱振子組成；每個對稱振子 的中心接一個電阻，電阻阻值與對稱振子的中心輸入阻抗匹配，相鄰對稱振子的振子臂通 過插指電容連接。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述的電磁吸波結(jié)構(gòu)具有超寬帶的特性，產(chǎn)生該有 益效果的原因是：緊耦合陣列天線是一種低剖面超寬帶的天線陣列，其帶寬隨著單元間耦 合度的增加而增加；當(dāng)緊耦合陣列天線處于輻射狀態(tài)時，可以在很寬的頻段內(nèi)將來自饋源 的能量輻射出去；當(dāng)緊耦合陣列天線處于接收狀態(tài)時，可以在很寬的頻段內(nèi)將照射到該陣 列上的能量接收下來送到接收機(jī)；如果將緊耦合陣列天線每個單元的饋源都換成電阻，根 據(jù)互易性，則該陣列可以在很寬的頻段內(nèi)將照射到該陣列上的能量接收下來送到電阻上消 耗掉，即實現(xiàn)了超寬帶的吸波效果。
【附圖說明】
[0010] 圖1是緊耦合天線陣列的原理示意圖。
[0011] 圖2是基于緊耦合天線陣列的電磁吸波結(jié)構(gòu)的原理示意圖
[0012] 圖3是本發(fā)明超寬帶電磁吸波結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0013] 圖4是圖3中一個周期單元的示意圖。
[0014] 圖5是圖4的側(cè)視圖。
[0015] 圖6是圖4的頂視圖。
[0016] 圖7是本發(fā)明超寬帶電磁吸波結(jié)構(gòu)的等效電路圖。
[0017] 圖8是本發(fā)明超寬帶電磁吸波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)曲線圖。
[0018] 圖中，1-金屬地板，2-空氣層，3-緊耦合陣列，4-介質(zhì)覆層，31-電阻，32-對稱振 子，33-插指電容。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0020] 電磁吸波結(jié)構(gòu)由金屬地板、空氣層、緊耦合陣列和介質(zhì)覆層組成；空氣層位于金屬 地板和緊耦合陣列之間，緊耦合陣列設(shè)置在介質(zhì)覆層的下表面；緊耦合陣列由周期排列的 對稱振子組成；每個對稱振子的中心焊接一個電阻（根據(jù)中心的輸入阻抗給出匹配電阻）， 相鄰對稱振子之間通過插指電容連接在一起。
[0021] 緊耦合陣列天線可以采用緊耦合的偶極子天線陣列來實現(xiàn)，如圖1所示。將圖1 中緊耦合陣列天線的饋源用電阻來代替，就變成了 TCA吸波結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在圖2中， d為結(jié)構(gòu)的周期，h為結(jié)構(gòu)的高度，電阻的阻值為R，振子之間具有耦合電容C，振子具有等效 的電感L。
[0022] 參照圖3~6,本發(fā)明由金屬地板1、空氣層2、緊耦合陣列層3和介質(zhì)覆層4組成。 緊耦合陣列層3的每個單元由電阻31、對稱振子32和插指電容33組成。對稱振子32和插 指電容33為金屬材料，采用蝕刻等工藝方式設(shè)置在介質(zhì)覆層4的下表面。電阻31焊接在 對稱振子32的中間。
[0023] 當(dāng)電磁波垂直入射在緊耦合陣列吸波結(jié)構(gòu)時，并且極化方向和振子平行，則緊耦 合陣列層3的每個單元中的電阻31、對稱振子32和插指電容33可以等效為RLC的串聯(lián)諧 振回路?？諝鈱?可以等效為長度h、特征阻抗2。= 377〇的短路傳輸線。厚度Sh1、相對 介電常數(shù)為\的介質(zhì)覆層4可以等效為長度Ill、特征阻抗^的傳輸線。介質(zhì)覆層4上方 的自由空間可以等效為特征阻抗Z。的無限長傳輸線，等效電路如圖7所示。
[0024] 長度為h，特征阻抗為Z。，終端短路的傳輸線的輸入阻抗為：
[0025] Z1= jZ 〇tan β h (I)
[0026] 其中β為相位常數(shù)。RLC串聯(lián)諧振回路的輸入阻抗為：
[0028] 終端短路的傳輸線輸入阻抗與RLC串聯(lián)諧振回路輸入阻抗的并聯(lián)，阻抗可以表示 為
[0030] Z3經(jīng)過一段長度為h i、特性阻抗為Zm的傳輸線之后，其阻抗變?yōu)椋?br>[0037] 選擇不同的參數(shù)，可以根據(jù)式（1)~式（7)計算緊耦合陣列吸波結(jié)構(gòu)的帶寬。在 該實施例中，選擇的參數(shù)為：R = 160 Ω，L = 509pH，C = 0· 5pF，h = 7. 5mm，Ii1= 3. 8mm， 4。根據(jù)這些參數(shù)，計算出的反射系數(shù)曲線為圖8所示。從圖8可以看出，反射系數(shù)優(yōu) 于-IOdB的頻率范圍為2. 4~16. 7GHz，達(dá)到了 6. 9個倍頻程。2. 4GHz時的波長為125mm， 這時結(jié)構(gòu)的總厚度為最低頻率波長的〇. 09倍。
[0038] 上面的L和C是對稱振子32和插指電容33的等效電感和等效電容。在實際的吸 波結(jié)構(gòu)中，需要通過改變對稱振子32和插指電容33的幾何參數(shù)來改變他們的等效電感和 等效電容。在該實施例中，如圖6所示，每個單元為邊長為4mm的正方形。電阻31放置在單 元的中心，形狀為1mmXO. 5mm的矩形。對稱振子32 -個臂的長度為I. 5mm，寬度為0. 6mm。 插指電容33嵌入在對稱振子32中，對稱振子32 -個臂上每個指的寬度為0. 12mm，指長為 I. 192mm，指間的寬度為0. 12mm。
【主權(quán)項】
1. 一種超寬帶的電磁吸波結(jié)構(gòu)，包括金屬地板、空氣層、緊耦合陣列和介質(zhì)覆層，其特 征在于：所述的金屬地板和介質(zhì)覆層之間間隔有空氣層，緊耦合陣列設(shè)置在介質(zhì)覆層靠近 金屬地板一側(cè)的表面；所述的緊耦合陣列由周期排列的對稱振子組成；每個對稱振子的中 心接一個電阻，電阻阻值與對稱振子的中心輸入阻抗匹配，相鄰對稱振子的振子臂通過插 指電容連接。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種超寬帶的電磁吸波結(jié)構(gòu)，在金屬地板和介質(zhì)覆層之間間隔有空氣層，緊耦合陣列設(shè)置在介質(zhì)覆層靠近金屬地板一側(cè)的表面；所述的緊耦合陣列由周期排列的對稱振子組成；每個對稱振子的中心接一個電阻，電阻阻值與對稱振子的中心輸入阻抗匹配，相鄰對稱振子的振子臂通過插指電容連接。本發(fā)明基于緊耦合陣列技術(shù)來設(shè)計，具有超寬帶的特點。
【IPC分類】H01Q17/00
【公開號】CN105098374
【申請?zhí)枴緾N201510578031
【發(fā)明人】吳昌英, 侯翔耀, 司馬雷雷, 李建周
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月11日