CN114204279B - 一种电阻加载方形环超宽带吸波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，包括由上至下依次设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、电阻加载方形环功能层、功能层基底、结构支撑介质和导电反射层；电阻加载方形环功能层由N×N方形环的回路组成，每个方形环的回路由若干个导电方板和若干个电阻构成，导电方板与导电方板之间通过电阻连接形成一个方形环的闭合回路，导电方板和电阻均匀分布在回路上。本发明采用上述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，结构简单、吸波频带宽且吸波性能高效，能够实现超宽带高性能电磁波吸收，在隐身技术、RCS降低、电磁兼容设计等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电磁吸波技术领域，尤其是涉及一种电阻加载方形环超宽带吸波结构。
背景技术
吸波结构在现代化应用场景中具有广泛且深刻的应用需求，例如避免电子设备中多个信号发射系统相近频段的信号干扰，减少雷达天线的散射截面，隐身技术等。
Salisbury screen和Jaumann吸收体是较早的传统吸波结构，具有单个(Salisbury)或多个(Jaumann)电阻层。然而，Salisbury screen的吸收带相对较窄，而Jaumann在扩大带宽的同时增大了吸波结构厚度。为了实现薄宽带吸收，Munk提出了基于频率选择表面的电路模拟(CA)吸收结构。这种周期性结构通过在阻抗层中产生等效电容和电感来提高电磁波吸收性能。与具有多个电阻层的Jaumann结构相同，CA吸波结构仍然可以通过设计多个电阻FSS来增加吸收带宽。同时，同样性能的CA吸波结构比Jaumann结构薄得多，大大拓宽了其应用范围。
虽然，印刷电路板(PCB)技术，包括刚性和柔性板，实现了电阻加载CA吸波结构的快速稳定制备，但几乎所有的结构都是基于反射率小于-10dB的设计。但是在实际应用中，-10dB的反射率无法满足某些场景的应用需求，如隐身技术、RCS降低、电磁兼容设计等。而且，目前许多设计的功能层是裸露在外的，因而很难用于室外环境，所以研发应对更加复杂的电磁环境的吸波结构有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，结构简单、吸波频带宽且吸波性能高效，能够实现超宽带高性能电磁波吸收，在隐身技术、RCS降低、电磁兼容设计等领域有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，包括由上至下依次设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、电阻加载方形环功能层、功能层基底、结构支撑介质和导电反射层；
电阻加载方形环功能层由N×N方形环的回路组成，每个方形环的回路由若干个导电方板和若干个电阻构成，导电方板与导电方板之间通过电阻连接形成一个方形环的闭合回路，导电方板和电阻均匀分布在回路上。
优选的，所述表面蒙皮介质层FR4、PI、PEN、F4B或者ROGERS板中的一种或其相互组合，所述表面蒙皮介质层厚度为0.1-1.5mm、相对介电常数为2.0-5.5、损耗正切角为0.0001-0.1。
优选的，所述阻抗匹配介质层的材质为PMI、PUR、PI或者EPS泡沫中的一种或其相互组合，所述阻抗匹配介质层的相对介电常数为1.01～1.58，所述阻抗匹配介质层的厚度为2.0-5.2mm。
优选的，所述电阻加载方形环功能层中的方形环回路的长度为5.0-6.5mm，导电方板的宽度为0.5-1.8mm，导电方板之间上用于加载电阻的缝隙为0.1-1mm之间，方形环回路之间的间距为0.5-2.0mm之间。
优选的，所述电阻加载方形环功能层每一个方形环回路由电阻嵌入导电线组成，电阻数量在4-30个之间；
优选的，所述功能层基底的相对介电常数为2.0-5.5、损耗正切角为0.0001-0.1的FR4、PI、PEN、F4B或者其他ROGERS板中的一种或其相互组合，介质板厚度为0.1-1.5mm，功能层基底的方形环回路中心设有以其中心为圆心、直径为1-3mm的圆孔。
优选的，所述结构支撑介质层材质为PMI、PUR、PI或者EPS等泡沫材料中的一种或其相互组合，介电常数在1.01-1.58之间。
优选的，所述导电反射层为任意厚度的金属或者碳材料等高导电性材料。
因此，本发明采用上述一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其技术效果如下：
(1)本发明的吸波单元采用方形环单元，单元结构简单。
(2)本发明的吸波结构具有更好的吸波性能，可以实现在垂直入射时，-10dB以下的吸收体的反射率在5.8GHz至22.2GHz；同时-20dB以下的反射率覆盖了7.0GHz到20.2GHz的带宽。
(3)本发明的吸波结构具有偏振不敏感特性，电磁波垂直入射时TE波和TM波吸波特性相互吻合。
(4)本发明的吸波结构，在40°斜入射下，吸收体在5.8GHz至22.2GHz范围内仍能保持90％以上的吸收带宽。
(5)本发明的吸波结构的设计考虑了室外应用场景。
其中，吸波原理如下：
平面波垂直入射到电阻加载方形环超宽带吸波结，依次穿过表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、贴片电阻加载方形环功能层、功能层基底、结构支撑介质和，最终在导电反射层产生反射，反射波与入射波干涉相消，同时入射电磁波在电阻加载方形环功能层的导电单元上产生表面感应电流，将电磁能量转变为热量的形式。
结构设计原理如下：
a.表面蒙皮介质层主要有两个意义，一方面针对室外露天应用场景的考虑，另一方面该结构带来的宽带阻抗匹配，是本设计相较于其他设计性能更佳的原因之一；
b.阻抗匹配介质层，与表面蒙皮介质层协同设计带来的阻抗匹配的优化，使更多的电磁波进入到结构中去，拓宽了吸波带宽，进一步提高了吸波性能；阻抗匹配介质层的引入极大的提高了结构的入射角稳定性。如图10、11所示，入射角在40°范围内，吸波性能几乎没有任何劣化；
c.电阻加载方形环功能层相较于其他的设计，其优势在于，该层本身具有很宽带宽的电磁能量吸收，同时具有实现了很好的阻抗匹配，这是整个结构宽带高性能吸收的关键之二；
d.功能层基底，该层可选择多种常见的介质板，不同的介电常数会对吸收带宽有着些许影响，选用的介质板对于带宽的增加具有明显的促进作用；
e.结构支撑介质，该层是整体结构发生干涉相消的主要原因，本设计所选择的介质以及介质的厚度，完美的与电阻加载方形环功能层相匹配，这是整个结构宽带高性能吸收的关键之三。
f.导电反射层仅作为电磁波反射板，与e中提到的干涉相消。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明电阻加载方形环超宽带吸波结构的截面结构示意图；
图2是本发明电阻加载方形环超宽带吸波结构单元结构示意图；
图3是本发明电阻加载方形环功能层结构单元示意图；
图4是本发明在电磁波垂直入射时，功能层方形环单元加载不同阻值(45Ω、50Ω、55Ω、60Ω)的电阻所得到的TE波反射率随频率变化图；
图5是本发明在电磁波垂直入射时，功能层方形环单元加载不同阻值(45Ω、50Ω、55Ω、60Ω)的电阻所得到的TM波反射率随频率变化图；
图6是本发明在所加载电阻阻值为50Ω时，电磁波垂直入射时频点为7GHz时吸波结构表面电流分布图；
图7是本发明在所加载电阻阻值为50Ω时，电磁波垂直入射时频点为13GHz时吸波结构表面电流分布图；
图8是本发明在所加载电阻阻值为50Ω时，电磁波垂直入射时频点为19GHz时吸波结构表面电流分布图；
图9是本发明在电磁波垂直入射时，加载不同阻值对应TE波吸波率；
图10是本发明在所加载电阻阻值为50Ω时，是本发明不同入射角(0～40o)对应TE波吸波率；
图11是本发明在所加载电阻阻值为50Ω时，是本发明不同入射角(0～40o)对应TM波吸波率。
其中：1、表面蒙皮介质层；2、阻抗匹配介质层；3、电阻加载方形环功能层；4、功能层基底；5、结构支撑介质层；6、导电反射层；7、导电方板；8、电阻。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
本发明的电阻加载方形环超宽带吸波结构的截面结构示意图，如图1所示，由上至下依次为：表面蒙皮介质层1、阻抗匹配介质层2、电阻加载方形环功能层3、功能层基底4、结构支撑介质层5和导电反射层6。
电阻加载方形环超宽带吸波结构单元结构示意图如图2所示，功能层基底4中心位置开设有圆孔；电阻加载方形环功能层3是由导电方板7和电阻8连接而成的方形环回路，其具体结构可见图3，单个方形环回路包括12块导电方板7和16个电阻8；方形环的回路的每条边上设置有2块导电方板7，在方形环的回路的顶点处设置1块导电方板7，顶点处的方板需要沿着对角线切开变成2块直角三角形导电板，2块直角三角形导电板之间通过电阻8连接；12块导电方板7分为了8块导电方板和8块直角三角形导电板，通过16个电阻依次连接，构成方形环的回路。
表面蒙皮介质层1位于吸波结构的顶部，选用相对介电常数为4.4，损耗正切角为0.0025的FR4板，厚度为0.3mm。
阻抗匹配介质层2为介电常数在1.05的PMI泡沫，厚度为2.9-3.2mm。
电阻加载方形环功能层3中包含有42×42个方形环回路，导电方板7的宽度为1mm，导电方板7之间上用于加载电阻8的缝隙为0.3mm；相邻方形环回路之间的间距为1mm；导电方板7与电阻8构成的方形环的回路的边长为6.1mm。
功能层基底4采用相对介电常数为4.4、损耗正切角为0.0025的FR4板，其厚度为0.3mm，在功能层基底4上以电阻加载方形环功能层3中每个方形环的回路的中心为圆心开设一个直径为2mm圆孔。
结构支撑介质层5的厚度为4.3mm；选用介电常数在1.05的PMI泡沫。
导电反射层6选用金属为铜，厚度为0.035mm。
使用仿真软件对本实施例中电阻加载方形环高性能超宽带吸波结构进行分析，来解释该结构工作特征。
在仿真软件中对本实施例的吸波结构进行电磁仿真。如图4和图5所示，该吸波结构在电磁波垂直入射时，-10dB以下的吸收体的反射率在5.8GHz至22.2GHz；同时-20dB以下的反射率覆盖了7.0GHz到20.2GHz的带宽；并且本发明具有偏振不敏感特性，电磁波垂直入射时TE波和TM波吸波特性相互吻合。
对本实施例中的吸波结构在吸波频段内的7GHz、13GHz、19GHz三个频点设置场监视器，观察图6、图7和图8电流分布，可以看到在吸波频段内所取三个频点7GHz、13GHz、19GHz处，TE波和TM波表现出的现象是极为类似的，同时可以看到电流密度最大的地方是入射电磁波感应电流两侧贴片上的电阻，表明在此处具有较大的能量消耗，同时基于阻抗匹配机理可以知道，为了达到-20dB吸波，干涉相消也起到了很大的作用。
如图9所示，本实施例在输入电阻值有波动的时候，能够保持在6GHz-22GHz之间的吸波率大于百分之90，吸波性能具有非常好的阻值变化稳定性。
对本实施例的吸波结构在不同入射角度下(0～40o)的TE波和TM波的吸收情况，结果分别如图10和图11所示，本实施例的吸波结构在40°斜入射下，吸收体在5.8GHz至22.2GHz范围内仍能保持90％以上的吸收带宽。
因此，本发明采用上述一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，结构简单、吸波频带宽且吸波性能高效，能够实现超宽带高性能电磁波吸收，在隐身技术、RCS降低、电磁兼容设计等领域有广阔的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：包括由上至下依次设置的表面蒙皮介质层、阻抗匹配介质层、电阻加载方形环功能层、功能层基底、结构支撑介质和导电反射层；
电阻加载方形环功能层由N×N方形环的回路组成，方形环的回路由若干个导电方板和若干个电阻构成，导电方板与导电方板之间通过电阻连接形成一个方形环的闭合回路，导电方板和电阻均匀分布在回路上。
所述表面蒙皮介质层厚度为0.1-1.5mm、相对介电常数为2.0-5.5、损耗正切角为0.0001-0.1；
所述阻抗匹配介质层的厚度为2.0-5.2mm，其材质的介电常数在1.01-1.58之间；
所述电阻加载方形环功能层每一个方形环回路包括12块导电方板和16个电阻，方形环的回路的每条边上均设置有2块导电方板，在方形环的回路的顶点处设置1块导电方板，顶点处的方板需要沿着对角线切开变成2块直角三角形导电板，2块直角三角形导电板之间通过电阻连接；
12块导电方板分为8块导电方板和8块直角三角形导电板，通过16个电阻依次连接，构成方形环的回路。
2.根据权利要求1所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述表面蒙皮介质层为环氧玻璃布层压板(FR4)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚四氟乙烯玻璃布复合板(F4B)或者其他罗杰斯(ROGERS)板中的一种或其相互组合。
3.根据权利要求1所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述阻抗匹配介质层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMI)、聚氨酯(PUR)、聚酰亚胺(PI)或者聚乙烯(EPS)泡沫中的一种或其相互组合。
4.根据权利要求1所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述电阻加载方形环功能层中的方形环回路的长度为5.0-6.5mm，导电方板的宽度为0.5-1.8mm，导电方板之间上用于加载电阻的缝隙为0.1-1mm之间，方形环回路之间的间距为0.5-2.0mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述功能层基底的相对介电常数为2.0-5.5、损耗正切角为0.0001-0.1的FR4、PI、PEN、F4B或者其他ROGERS板中的一种或其相互组合，介质板厚度为0.1-1.5mm，功能层基底的方形环回路中心设有以其中心为圆心、直径为1-3mm的圆孔。
6.根据权利要求1所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述结构支撑介质层的厚度为2.2-5.4mm，其材质的介电常数在1.01-1.58之间的材料。
7.根据权利要求6所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述结构支撑介质层材质为PMI、PUR、PI或者EPS等泡沫材料中的一种或其相互组合。
8.根据权利要求1所述的一种电阻加载方形环超宽带吸波结构，其特征在于：所述导电反射层为任意厚度的金属或者碳材料等高导电性材料。
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