基于折叠偶极子的宽带微波吸收体

摘要

本发明提出一种具有宽频带吸收特性的微波吸收体–基于折叠偶极子结构的微波吸收体。该结构以折叠偶极子天线为设计出发点，通过史密斯圆图阻抗调节的方法设计出具有宽频带的天线阵列，进而根据天线的互易性原理，将馈源用负载电阻替代，从而获得具有宽频带吸收特性的微波吸收体。该吸收体的介质层采用双层结构，其中上层为普通的介质基板，下层为普通的聚苯乙烯泡沫材料（介电常数约为1.07）。虽然采用了双层的介质材料，但是却只采用了单层的金属贴片电路，配合薄膜贴片电阻的使用，结构更加简单，加工更容易，并且成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

权利要求

1.一种基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，其特征在于，以折叠偶极子结构作为基本结构进行组阵，将四个半个折叠偶极子构成中心对称结构，并以该中心对称结构为一个周期单元进行排布，相邻两个折叠偶极子结构的夹角为九十度，位于边界处周期单元中的所有不完整折叠偶极子结构分别用与其对称的半个折叠偶极子结构进行补充，以上结构印制在介质基板[7]上，介质基板[7]下方设置金属板[9]，在介质基板[7]和金属板[9]之间填充聚苯乙烯泡沫板[8]用以支撑介质基板[7]，每个折叠偶极子结构包括互连的长度相等的无馈源金属臂[1]和有馈源金属臂[2]，二者相互平行并且其连接处为天线末端[3]，天线末端[3]的中间位置设置贴片电阻[6]，互连的无馈源金属臂[1]和有馈源金属臂[2]的两侧设置四条支节线[4]，其中两条支节线[4]位于无馈源金属臂[1]外侧与天线末端[3]相连并与无馈源金属臂[1]相平行，另外两条支节线[4]位于有馈源金属臂[2]外侧与天线末端[3]相连并与有馈源金属臂[2]相平行，有馈源金属臂[2]的中部设置负载电阻[5]，天线末端[3]与负载电阻[5]的距离小于四分之一波长。

2.根据权利要求1所述的基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，其特征在于，介质基板[7]的介电常数εr为2.2～10.2，厚度为1mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，其特征在于，填充材料[8]为聚苯乙烯泡沫板，其等效介电常数为1.03～1.07，厚度为 其中λ0为自由空间内的波长。

4.根据权利要求1所述的基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，其特征在于，折叠偶极子的无馈源金属臂[1]的宽度为有馈源金属臂[2]宽度的四分之一，两臂之间距离为有馈源金属臂[2]宽度的3倍；天线末端[3]与负载电阻[5]的距离为无馈源金属臂[1]长度的1/3，天线末端[3]的宽度为0.5mm；支节线[4]的宽度与无馈源金属臂[1]的宽度相等，支节线[4]的长度等于无馈源金属臂[1]长度的1/5。

5.根据权利要求1所述的基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，其特征在于，负载电阻[5]的阻值与折叠偶极子作为天线时的输入阻抗值相等。

6.根据权利要求1所述的基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，其特征在于，贴片电阻[6]的阻值为普通半波偶极子辐射阻抗值的两倍。

说明书

基于折叠偶极子的宽带微波吸收体

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于电磁兼容设计和雷达吸收材料的电磁波吸收电路，特别是一种基于折叠偶极子的宽带微波吸收体。

背景技术

[0002] 电子设备在电磁环境中的安全性研究最早源于军用设备的电磁信息防泄漏的研究,称为TEMPEST技术（电磁信息泄露防护技术）。随着民用电子信息产品的广泛应用和快速的更新换代，电子设备的电磁环境安全性也受到关注，与TEMPEST技术不同的是民用电子信息产品主要考虑的不只是自身的信息泄露问题，而是外部的电磁场是否会影响自身设备的正常工作和自身散发的电磁是否会影响其它电子信息产品的正常工作。另外，随着现代侦察与探测技术水平的不断提高，对雷达吸波材料的性能也提出了更高的要求。

[0003] 电磁波吸收体的使用是实现屏蔽电磁波不干扰其它设备以及不被其它设备干扰的一种有效手段。根据其作用机理不同，吸收体的研究主要分为两大类：一种是对新型材料的研究，例如吸收剂，吸波材料等复合材料的设计以及超材料的运用；另外一种就是基于电路理论的设计，例如金属网，Salisbury屏，Jaumann吸收体以及不仅包含电阻成分还包含电抗成分的电路模拟吸收体。目前，对电路模拟吸收体的研究着重于对电阻性材料的研究，通过设计不同形状和不同阻抗值的电阻膜，来实现对入射电磁波的吸收。对于此类吸收体来说，若想在更宽的带宽内获得比较理想的吸收性能，则采取的主要手段是增加吸收层的层数，而这不仅会增加制作的成本，还会使得吸收体的体积和重量增加。

[0004] 由上可知，现有技术的实现方法比较复杂，且很难实现既具有工作带宽宽的特性又具有低剖面特性的微波吸收体。

发明内容

[0005] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，它能在宽频段内吸收入射电磁波。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，以折叠偶极子结构作为基本结构进行组阵，以四个中心对称的半个折叠偶极子结构为一个周期单元进行二维排布，相邻两个折叠偶极子结构的夹角为九十度，位于边界处周期单元中的所有不完整折叠偶极子结构分别用与其对称的半个折叠偶极子结构进行补充，以上结构印制在介质基板上，介质基板下方设置金属板,在介质基板和金属板之间填充聚苯乙烯泡沫板用以支撑介质基板，每个折叠偶极子结构包括互连的长度相等的无馈源金属臂和有馈源金属臂，二者相互平行并且其连接处为天线末端，天线末端的中间位置设置贴片电阻，互连的无馈源金属臂和有馈源金属臂的两侧设置四条支节线，其中两条支节线位于无馈源金属臂外侧与天线末端相连并与无馈源金属臂相平行，另外两条支节线位于有馈源金属臂外侧与天线末端相连并与有馈源金属臂相平行，有馈源金属臂的中部设置负载电阻，天线末端与负载电阻的距离小于四分之一波长。

[0007] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明提出的基于折叠偶极子结构的微波吸收体，可实现对双极化入射电磁波的吸收；其相对工作带宽超过100%，并且当入射波的角度为45°时，吸收带宽仍然保持在90%以上；2）本发明提出的基于折叠偶极子结构的微波吸收体，虽然采用了双层的介质材料，却只采用了单层的金属贴片电路，配合薄膜贴片电阻的使用，结构更加简单，加工更容易，并且成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产；此外，还可与其他技术，譬如MEMS开关技术相结合设计出具有接收、发射及吸收等功能的雷达系统部件。

[0008] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

[0009] 图1为本发明的折叠偶极子的结构示意图。

[0010] 图2为周期单元的三维示意图。

[0011] 图3为基于折叠偶极子的宽带微波吸收体结构俯视图。

具体实施方式

[0012] 结合图1、图2和图3，本发明的一种基于折叠偶极子的宽带微波吸收体，以折叠偶极子结构作为基本结构进行组阵，以四个中心对称的半个折叠偶极子结构为一个周期单元进行二维排布，相邻两个折叠偶极子结构的夹角为九十度，位于边界处周期单元中的所有不完整折叠偶极子结构分别用与其对称的半个折叠偶极子结构进行补充，以上结构印制在介质基板7上，介质基板7下方设置金属板9，在介质基板7和金属板9之间填充聚苯乙烯泡沫板8用以支撑介质基板7，每个折叠偶极子结构包括互连的长度相等的无馈源金属臂1和有馈源金属臂2，二者相互平行并且其连接处为天线末端3，天线末端3的中间位置设置贴片电阻6，互连的无馈源金属臂1和有馈源金属臂2的两侧设置四条支节线4，其中两条支节线4位于无馈源金属臂1外侧与天线末端3相连并与无馈源金属臂1相平行，另外两条支节线4位于有馈源金属臂2外侧与天线末端3相连并与有馈源金属臂2相平行，有馈源金属臂2的中部设置负载电阻5，天线末端3与负载电阻5的距离小于四分之一波长。

[0013] 所述介质基板7的介电常数εr为2.2～10.2，厚度为1mm。

[0014] 所述填充材料8为聚苯乙烯泡沫板，其等效介电常数为1.03～1.07，厚度为其中λ0为自由空间内的波长。

[0015] 所述折叠偶极子的无馈源金属臂1的宽度为有馈源金属臂2宽度的四分之一，两臂之间距离为有馈源金属臂2宽度的3倍；天线末端3与负载电阻5的距离为无馈源金属臂1长度的1/3，天线末端3的宽度为0.5mm；支节线4的宽度与无馈源金属臂1的宽度相等，支节线4的长度等于无馈源金属臂1长度的1/5。

[0016] 所述负载电阻5的阻值与折叠偶极子作为天线时的输入阻抗值相等。

[0017] 所述贴片电阻6的阻值为普通半波偶极子辐射阻抗值的两倍。

[0018] 下面对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。

[0019] 完整的折叠偶极子的无馈源金属臂1的宽度为0.3mm,长度为16.2mm；有馈源金属臂2的宽度为1.2mm，长度为16.2mm；四条支节线4的宽度均为0.3mm，长度为3.5mm,与无馈源金属臂1的距离为0.3mm；无馈源金属臂1和有馈源金属臂2的间距为3.95mm，折叠偶极子天线末端3的宽度为0.5mm；有馈源金属臂2中部位置加载SMD负载电阻5，其封装型号为0603，阻值为620Ω；为消除双极化阵列相邻两个位于不同方向的折叠偶极子产生的贴片FSS工作模式，在折叠偶极子天线末端3加载贴片电阻6，其封装型号为0402，阻值为150Ω。为满足对相互垂直的两个方向的极化波的吸收，周期单元的尺寸为22.5mm*22.5mm，由位于垂直方向的四个尺寸完全相同的半个折叠偶极子构成，每半个折叠偶极子与同方向相邻单元的另外半个折叠偶极子构成一个完整的折叠偶极子；依次类推，在平面的两个垂直方向上进行二维周期排布13*13个单元。此外，为保证整体结构的完整性，样品的第1列，第3列，第1排及第13排单元里，位于外侧的13*13只半个折叠偶极子，与其对称的左补偿结构10、右补偿结构11、下补偿结构12及上补偿结构13各自构成完整的折叠偶极子。折叠偶极子阵列印制在介电常数为4.4的环氧树脂介质基板7上，其厚度为1mm；为阻止入射波穿透吸收体进入被保护电路或系统中，在折叠偶极子阵列下方11mm处放置金属板9，为保证吸收体整体的强度，金属板9的厚度为2mm；介质基板7与金属板9之间填充聚苯乙烯泡沫材料，其等效介电常数为1.07，厚度为10mm。

[0020] 该实例包含14*13个横向折叠偶极子，13*14个纵向折叠偶极子，整体的横截面尺寸为315mm*315mm，总厚度为13mm（其中接地板的厚度为2mm），总重量为747克。经数值计算和实际测试，当电磁波垂直入射到样品上时，吸收率为90%的频段范围为2.85GHz～8.45GHz，相对带宽为99.1%；当入射角度为45°时，TE波吸收率80%以上的频段范围为
2.8GHz～7.6GHz，TM波吸收率80%以上的频段范围为3.5GHz～7.5GHz。

[0021] 下面对本发明基于折叠偶极子的宽带微波吸收体的制备过程进行详细描述：（1）首先，确定微波吸收体的中心频率和上层介质基板的参数，主要是介电常数和厚度。基于吸收体的表面平整度及总重量的考虑，厚度通常选择在0.5mm～1mm之间。

[0022] （2）由普通偶极子天线谐振频率与介质基板的介电常数和厚度之间的关系，确定折叠偶极子的等效自由空间波长。根据周期结构的主模对单元尺寸的要求确定单元的宽度，通常为等效自由空间波长的一半；并根据传统电路模拟吸收体的工作机理，确定下层聚苯乙烯泡沫的厚度，约为等效自由空间波长的四分之一；并在泡沫层下方放置金属板。

[0023] （3）根据折叠偶极子天线理论，确定普通折叠偶极子的两臂宽度及长度，此时两臂的宽度相等；通过改变两臂的间距、宽度比，改变两臂上的电流分布及输入阻抗值，展宽天线的工作带宽。

[0024] （4）将步骤（3）中天线末端即朝馈源方向移动，从而改变折叠偶极子特性阻抗的电抗特性，进一步展宽带宽。

[0025] （5）根据偶极子类天线工作时末端电流比较小的物理现象，将步骤（3）中向馈源方向平移的天线末端以外的部分向偶极子两侧折叠形成补偿支节线，可以减小天线及单元的大小，有利于降低入射波角度的敏感性。

[0026] （6）根据天线互易性原理，将（步骤5）中折叠偶极子阵列天线的各个馈源用负载电阻来代替，其阻值等于步骤（5）中的馈源特征阻抗值，从而实现具有宽带特性的单极化微波吸收体。

[0027] （7）以步骤（6）中得到的折叠偶极子单元为基本单元，将其在两正交入射波方向周期排列进行组阵，实现微波吸收体的双极化特性。并在折叠偶极子末端分别加载电阻，来消除相邻两个垂直的折叠偶极子会引入新的工作模式，该模式下吸收体会发生近似全反射。

[0028] 由上可知，本发明是为适应电磁波吸收体对工作频段的宽带要求而设计，并且考虑到不同极化方向和不同角度的入射波，在设计中针对单元的小型化设计和合适的组阵方案进行了改进和优化；此外，聚苯乙烯泡沫材料的使用不仅可以降低加工成本，还可以大大减少整体的重量。基于折叠偶极子的宽带微波吸收体对水平和垂直极化方向的入射波的吸收率超过90%的相对带宽为100%，对入射角度为45°入射波的吸收率超过90%的相对带宽为90%以上，并且厚度小于自由空间内中心频率处波长的四分之一。