基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種具有寬頻帶吸收特性的微波吸收體–基于折疊偶極子結(jié)構(gòu)的微波吸收體。該結(jié)構(gòu)以折疊偶極子天線為設(shè)計出發(fā)點(diǎn)，通過史密斯圓圖阻抗調(diào)節(jié)的方法設(shè)計出具有寬頻帶的天線陣列，進(jìn)而根據(jù)天線的互易性原理，將饋源用負(fù)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(zhì)層采用雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為普通的介質(zhì)基板，下層為普通的聚苯乙烯泡沫材料（介電常數(shù)約為1.07）。雖然采用了雙層的介質(zhì)材料，但是卻只采用了單層的金屬貼片電路，配合薄膜貼片電阻的使用，結(jié)構(gòu)更加簡單，加工更容易，并且成本和重量都相對較小，因而可以大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于電磁兼容設(shè)計和雷達(dá)吸收材料的電磁波吸收電路，特別是ー種基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體。
【背景技術(shù)】
[0002]電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的安全性研究最早源于軍用設(shè)備的電磁信息防泄漏的研究，稱為TEMPEST技術(shù)(電磁信息泄露防護(hù)技術(shù))。隨著民用電子信息產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用和快速的更新?lián)Q代，電子設(shè)備的電磁環(huán)境安全性也受到關(guān)注，與TEMPEST技術(shù)不同的是民用電子信息產(chǎn)品主要考慮的不只是自身的信息泄露問題，而是外部的電磁場是否會影響自身設(shè)備的正常工作和自身散發(fā)的電磁是否會影響其它電子信息產(chǎn)品的正常工作。另外，隨著現(xiàn)代偵察與探測技術(shù)水平的不斷提高，對雷達(dá)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(xiàn)屏蔽電磁波不干擾其它設(shè)備以及不被其它設(shè)備干擾的一種有效手段。根據(jù)其作用機(jī)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，吸波材料等復(fù)合材料的設(shè)計以及超材料的運(yùn)用；另外一種就是基于電路理論的設(shè)計，例如金屬網(wǎng)，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于對電阻性材料的研究，通過設(shè)計不同形狀和不同阻抗值的電阻膜，來實現(xiàn)對入射電磁波的吸收。對于此類吸收體來說，若想在更寬的帶寬內(nèi)獲得比較理想的吸收性能，則采取的主要手段是增加吸收層的層數(shù)，而這不僅會增加制作的成本，還會使得吸收體的體積和重量増加。
[0004]由上可知，現(xiàn)有技術(shù)的實現(xiàn)方法比較復(fù)雜，且很難實現(xiàn)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(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，它能在寬頻段內(nèi)吸收入射電磁波。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，以折疊偶極子結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行組陣，以四個中心対稱的半個折疊偶極子結(jié)構(gòu)為ー個周期單元進(jìn)行ニ維排布，相鄰兩個折疊偶極子結(jié)構(gòu)的夾角為九十度，位于邊界處周期単元中的所有不完整折疊偶極子結(jié)構(gòu)分別用與其対稱的半個折疊偶極子結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充，以上結(jié)構(gòu)印制在介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板下方設(shè)置金屬板，在介質(zhì)基板和金屬板之間填充聚苯こ烯泡沫板用以支撐介質(zhì)基板，每個折疊偶極子結(jié)構(gòu)包括互連的長度相等的無饋源金屬臂和有饋源金屬臂，二者相互平行并且其連接處為天線末端，天線末端的中間位置設(shè)置貼片電阻，互連的無饋源金屬臂和有饋源金屬臂的兩側(cè)設(shè)置四條支節(jié)線，其中兩條支節(jié)線位于無饋源金屬臂外側(cè)與天線末端相連并與無饋源金屬臂相平行，另外兩條支節(jié)線位于有饋源金屬臂外側(cè)與天線末端相連并與有饋源金屬臂相平行，有饋源金屬臂的中部設(shè)置負(fù)載電阻，天線末端與負(fù)載電阻的距離小于四分之一波長。[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:1)本發(fā)明提出的基于折疊偶極子結(jié)構(gòu)的微波吸收體，可實現(xiàn)對雙極化入射電磁波的吸收；其相對工作帶寬超過100%，并且當(dāng)入射波的角度為45°時，吸收帶寬仍然保持在90%以上；2)本發(fā)明提出的基于折疊偶極子結(jié)構(gòu)的微波吸收體，雖然采用了雙層的介質(zhì)材料，卻只采用了單層的金屬貼片電路，配合薄膜貼片電阻的使用，結(jié)構(gòu)更加簡單，加工更容易，并且成本和重量都相對較小，因而可以大規(guī)模生產(chǎn)；此外，還可與其他技術(shù)，譬如MEMS開關(guān)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計出具有接收、發(fā)射及吸收等功能的雷達(dá)系統(tǒng)部件。
[0008]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的折疊偶極子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為周期單元的三維示意圖。
[0011]圖3為基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體結(jié)構(gòu)俯視圖。
【具體實施方式】
[0012]結(jié)合圖1、圖2和圖3，本發(fā)明的一種基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，以折疊偶極子結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行組陣，以四個中心対稱的半個折疊偶極子結(jié)構(gòu)為ー個周期単元進(jìn)行ニ維排布，相鄰兩個折疊偶極子結(jié)構(gòu)的夾角為九十度，位于邊界處周期単元中的所有不完整折疊偶極子結(jié)構(gòu)分別用與其対稱的半個折疊偶極子結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充，以上結(jié)構(gòu)印制在介質(zhì)基板7上，介質(zhì)基板7下方設(shè)置金屬板9，在介質(zhì)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(zhì)基板7，每個折疊偶極子結(jié)構(gòu)包括互連的長度相等的無饋源金屬臂I和有饋源金屬臂2，二者相互平行并且其連接處為天線末端3，天線末端3的中間位置設(shè)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(cè)設(shè)置四條支節(jié)線4，其中兩條支節(jié)線4位于無饋源金屬臂I外側(cè)與天線末端3相連并與無饋源金屬臂I相平行，另外兩條支節(jié)線4位于有饋源金屬臂2外側(cè)與天線末端3相連并與有饋源金屬臂2相平行，有饋源金屬臂2的中部設(shè)置負(fù)載電阻5，天線末端3與負(fù)載電阻5的距離小于四分之一波長。
[0013]所述介質(zhì)基板7的介電常數(shù)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(shù)為1.03?1.07，厚度為入0/4-(Vn Vi^I)，其中\(zhòng)為自由空間內(nèi)的波長。
[0015]所述折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(fù)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(jié)線4的寬度與無饋源金屬臂I的寬度相等，支節(jié)線4的長度等于無饋源金屬臂I長度的1/5。
[0016]所述負(fù)載電阻5的阻值與折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(fā)明的具體裝置的細(xì)節(jié)及工作情況進(jìn)行細(xì)化說明。
[0019]完整的折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(jié)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，折疊偶極子天線末端3的寬度為0.5mm ;有饋源金屬臂2中部位置加載SMD負(fù)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于不同方向的折疊偶極子產(chǎn)生的貼片F(xiàn)SS工作模式，在折疊偶極子天線末端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,由位于垂直方向的四個尺寸完全相同的半個折疊偶極子構(gòu)成，每半個折疊偶極子與同方向相鄰單元的另外半個折疊偶極子構(gòu)成一個完整的折疊偶極子；依次類推，在平面的兩個垂直方向上進(jìn)行ニ維周期排布13*13個單元。此外，為保證整體結(jié)構(gòu)的完整性，樣品的第I列，第3列，第I排及第13排單元里，位于外側(cè)的13*13只半個折疊偶極子，與其対稱的左補(bǔ)償結(jié)構(gòu)10、右補(bǔ)償結(jié)構(gòu)11、下補(bǔ)償結(jié)構(gòu)12及上補(bǔ)償結(jié)構(gòu)13各自構(gòu)成完整的折疊偶極子。折疊偶極子陣列印制在介電常數(shù)為4.4的環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板7上，其厚度為1_ ;為阻止入射波穿透吸收體進(jìn)入被保護(hù)電路或系統(tǒng)中，在折疊偶極子陣列下方IImm處放置金屬板9，為保證吸收體整體的強(qiáng)度，金屬板9的厚度為2mm ;介質(zhì)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(shù)為1.07，厚度為10mm。
[0020]該實例包含14*13個橫向折疊偶極子，13*14個縱向折疊偶極子，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(jīng)數(shù)值計算和實際測試，當(dāng)電磁波垂直入射到樣品上吋，吸收率為90%的頻段范圍為2.85GHz?
8.45GHz，相對帶寬為99.1%;當(dāng)入射角度為45°吋，TE波吸收率80%以上的頻段范圍為
2.8GHz?7.6GHz, TM波吸收率80%以上的頻段范圍為3.5GHz?7.5GHz。
[0021]下面對本發(fā)明基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體的制備過程進(jìn)行詳細(xì)描述:(1)首先，確定微波吸收體的中心頻率和上層介質(zhì)基板的參數(shù)，主要是介電常數(shù)和厚度?；谖阵w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(zhì)基板的介電常數(shù)和厚度之間的關(guān)系，確定折疊偶極子的等效自由空間波長。根據(jù)周期結(jié)構(gòu)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；并根據(jù)傳統(tǒng)電路模擬吸收體的工作機(jī)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；并在泡沫層下方放置金屬板。
[0023](3)根據(jù)折疊偶極子天線理論，確定普通折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，從而改變折疊偶極子特性阻抗的電抗特性，進(jìn)ー步展寬帶寬。
[0025](5)根據(jù)偶極子類天線工作時末端電流比較小的物理現(xiàn)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(cè)折疊形成補(bǔ)償支節(jié)線，可以減小天線及單元的大小，有利于降低入射波角度的敏感性。
[0026](6)根據(jù)天線互易性原理，將(步驟5)中折疊偶極子陣列天線的各個饋源用負(fù)載電阻來代替，其阻值等于步驟(5)中的饋源特征阻抗值，從而實現(xiàn)具有寬帶特性的單極化微波吸收體。
[0027](7)以步驟(6)中得到的折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(jìn)行組陣，實現(xiàn)微波吸收體的雙極化特性。并在折疊偶極子末端分別加載電阻，來消除相鄰兩個垂直的折疊偶極子會引入新的工作模式，該模式下吸收體會發(fā)生近似全反射。[0028]由上可知，本發(fā)明是為適應(yīng)電磁波吸收體對工作頻段的寬帶要求而設(shè)計，并且考慮到不同極化方向和不同角度的入射波，在設(shè)計中針對單元的小型化設(shè)計和合適的組陣方案進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)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。基于折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，并且厚度小于自由空間內(nèi)中心頻率處波長的四分之一。
【權(quán)利要求】
1.一種基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特征在干，以折疊偶極子結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行組陣，以四個中心対稱的半個折疊偶極子結(jié)構(gòu)為ー個周期單元進(jìn)行ニ維排布，相鄰兩個折疊偶極子結(jié)構(gòu)的夾角為九十度，位于邊界處周期単元中的所有不完整折疊偶極子結(jié)構(gòu)分別用與其対稱的半個折疊偶極子結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充，以上結(jié)構(gòu)印制在介質(zhì)基板[7]上，介質(zhì)基板[7]下方設(shè)置金屬板[9]，在介質(zhì)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(zhì)基板[7]，每個折疊偶極子結(jié)構(gòu)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]，二者相互平行并且其連接處為天線末端[3]，天線末端[3]的中間位置設(shè)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(cè)設(shè)置四條支節(jié)線[4]，其中兩條支節(jié)線[4]位于無饋源金屬臂[I]外側(cè)與天線末端[3]相連并與無饋源金屬臂[I]相平行，另外兩條支節(jié)線[4]位于有饋源金屬臂[2]外側(cè)與天線末端[3]相連并與有饋源金屬臂[2]相平行，有饋源金屬臂[2]的中部設(shè)置負(fù)載電阻[5]，天線末端[3]與負(fù)載電阻[5]的距離小于四分之一波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特征在于，介質(zhì)基板[7]的介電常數(shù)e r為2.2?10.2，厚度為1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特征在于，填充材料[8]為聚苯こ烯泡沫板，其等效介電常數(shù)為1.03?1.07，厚度為 其中入。為自由空間內(nèi)的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特征在于，折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(fù)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(jié)線[4]的寬度與無饋源金屬臂[I]的寬度相等，支節(jié)線[4]的長度等于無饋源金屬臂[I]長度的1/5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特征在干，負(fù)載電阻[5]的阻值與折疊偶極子作為天線時的輸入阻抗值相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊偶極子的寬帶微波吸收體，其特征在干，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(yōu)先權(quán)日:2013年8月25日
【發(fā)明者】車文荃, 常玉梅, 周雍, 韓葉, 熊瑛 申請人:南京理工大學(xué)