一种具有双通带的宽带频率选择吸波体

1.本发明涉及电磁周期结构技术领域，更具体的说是涉及一种具有双通带的宽带频率选择吸波体。


背景技术：

2.频率选择吸波体(frequency selective rasorber,fsr)是由传统电磁吸波体和频率选择表面发展而来的一种多谐振宽带吸波体。与传统的吸波体相比，fsr可以在满足宽频带吸波特性的同时，实现阻带以外的低损耗电磁传输。相较于频率选择表面，fsr能够抑制传输带外的反射，实现全方位的电磁隐身。具有阻带显著吸波、阻带外低损耗传输特点的fsr被认为是实现电磁波调控、电磁隐身的有效手段。设计具有不同频率特性的fsr是该领域的一个重要研究和发展方向。
3.具有双通带的fsr可表现为“吸收-传输-吸收-传输-吸收”的频率响应。显然，双通带fsr的这种传输模式与单通带的fsr相比，将可以更加有效地应用于复杂的无线通信系统中，实现多频传输下的雷达散射截面(radar cross section，rcs)缩减。因此，具有双通带的fsr近年来受到了众多研究工作者的关注。现有公开的具有独立控制双频传输响应的双极化fsr，工作模式为“吸收-传输-吸收-传输”，高频端吸收特性差；或者整个工作频带并不能完全保证低于-10db的反射系数。
4.因此，如何提供一种双极化、带内低反射、高吸收率的频率选择吸波体是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种具有双通带的宽带频率选择吸波体，这种fsr的特点是结构紧凑、双极化、带内低反射、具有“吸收-传输-吸收-传输-吸收”的频率响应，可用于电磁隐身和电磁兼容领域。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种具有双通带的宽带频率选择吸波体，包括：自上而下依次排列的损耗层和传输层，且所述损耗层和所述传输层之间设置有间隙；
8.所述损耗层包括方环金属贴片、t形金属贴片、折叠方环金属贴片、耶路撒冷十字金属贴片和第一介质板，所述方环金属贴片位于所述第一介质板上表面中心位置，所述方环金属贴片外表面电连接四个所述t形金属贴片，所述t形金属贴片上顺向电连接有电阻元件，所述方环金属贴片内侧包围有所述折叠方环金属贴片，所述耶路撒冷十字金属贴片位于所述第一介质板下表面中心位置；
9.所述传输层包括第一缝隙型谐振器、四个第二缝隙型谐振器和第二介质板，所述第一缝隙型谐振器位于所述第二介质板中心，四个所述第二缝隙型谐振器位于所述第二介质板的四角。
10.优选的，所述方环金属贴片、所述折叠方环金属贴片、所述第一介质板和所述耶路
撒冷十字金属贴片的中心位于同一直线。
11.优选的，所述方环金属贴片、所述t形金属贴片、所述折叠方环金属贴片和所述耶路撒冷十字金属贴片的各边与所述第一介质板的四边平行或者垂直。
12.优选的，所述t形金属贴片包括第一矩形条带和第二矩形条带，所述第一矩形条带和所述第二矩形条带垂直电连接，所述第一矩形条带的中心处设置有所述电阻元件。
13.优选的，所述耶路撒冷十字金属贴片包括两个尺寸相同且互相垂直交叉的第三矩形金属条带和四个与相邻第三矩形金属条带垂直电连接的第四矩形金属条带。
14.优选的，所述折叠方环金属贴片为将方环的四边对称地切割四个矩形切口后，从切口处向内侧延伸三段弯折段形成的封闭金属条带。
15.优选的，所述第一缝隙型谐振器是垂直交叉十字的封闭边缘缝隙。
16.优选的，所述第二缝隙型谐振器是第一正方形贴片、矩形金属条带和第二正方形贴片电连接形成的金属贴片的外围边缘缝隙。
17.优选的，所述第一介质板和所述第二介质板边长和厚度均相同。
18.优选的，所述第一介质板和所述第二介质板均采用碳氢化合物陶瓷层压板。
19.本发明的有益效果包括：
20.1.本发明的损耗层表面设置有方环金属贴片、四个焊有电阻元件的t形金属贴片、折叠方环金属贴片和耶路撒冷十字金属贴片，等效为一个并联rlc电路和电感l与两个串联lc并联电路；传输层上设置有中心位置的第一缝隙型谐振器与位于四角的四个第二缝隙型谐振器，等效为两个并联lc电路，以实现双通带频率选择表面；损耗层与传输层的结合使得fsr表现出“吸收-传输-吸收-传输-吸收”的频率响应，解决了目前双通带fsr的高频端吸波率不足的问题，且由于结构的对称性，本发明具有双极化特性。
21.2.本发明通过调整结构单元各个部分的尺寸，使本发明在2.02～7.98ghz频率范围内均具有小于-10db的反射系数，分数带宽为119.2％；在3.44～3.67ghz和4.91～5.04ghz频率范围内具有传输系数大于-3db的两个通频带，分数带宽分别为6.47％和2.61％，且两个通频带在3.52ghz和4.98ghz分别获得最小传输损耗0.48db和0.79db；fsr具有三个吸波频段，其中2.07～3.02ghz、3.82～4.79ghz和5.23～7.85ghz频段的吸收率超过90％，分数带宽分别为37.3％、22.5％和40.1％。因此，本发明具有宽频带、窄传输带、高吸收率、低插入损耗的优点。
22.3.对比最低工作频率的波长λ0，该结构的单元面积仅为0.13λ0×
0.13λ0，单元厚度仅为0.09λ0，实现了单元尺寸小和超薄特性，它得益于fsr单元的小尺寸特性，本发明还具有大于40
°
的入射角稳定性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
24.图1是本发明提供的整体结构示意图。
25.图2是本发明的一个实施例的损耗层的上表面结构示意图；
26.图3是本发明的一个实施例的损耗层的下表面结构示意图；
27.图4是本发明的一个实施例的传输层的顶视图；
28.图5是本发明的一个实施例的传输系数和反射系数随频率的变化曲线；
29.图6是本发明的一个实施例的吸收率随频率的变化曲线；
30.图7是本发明的一个实施例在te极化电磁波分别以0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
入射时反射系数随频率的变化曲线；
31.图8是本发明的一个实施例在te极化电磁波分别以0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
入射时传输系数随频率的变化曲线；
32.图9是本发明的一个实施例在tm极化电磁波分别以0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
入射时反射系数随频率的变化曲线；
33.图10是本发明的一个实施例在tm极化电磁波分别以0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
入射时传输系数随频率的变化曲线；
34.图中：
35.1为损耗层、2为传输层、11为第一介质板、12为方环金属贴片、13为t形金属贴片、14为折叠方环金属贴片、15为电阻、16为耶路撒冷十字金属贴片、21为第二介质板、22为第一缝隙型谐振器、23为第二缝隙型谐振器。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.参照图1所示，本发明提供了一种具有双通带的宽带频率选择吸波体，其自上而下包括损耗层1和传输层2，损耗层1和传输层2之间设置有固定厚度的间隙。
38.参照图2所示，损耗层1包括方环金属贴片12、t形金属贴片13、折叠方环金属贴片14、耶路撒冷十字金属贴片16和第一介质板11，方环金属贴片12外侧垂直电连接有四个t形金属贴片13；t形金属贴片13上均顺向电连接有电阻元件15；方环金属贴片12内侧包围有折叠方环金属贴片14；方环金属贴片12、t形金属贴片13、折叠方环金属贴片14的各边与第一介质板11的四边平行或垂直。
39.参照图3所示，耶路撒冷十字金属贴片16位于第一介质板11下表面的中心，耶路撒冷十字金属贴片16的各边与第一介质板11的四边平行或垂直。
40.需要说明的是，实施例中所述的平行或垂直所在空间均指与介质板表面所在平面相平行的二维空间。
41.参照图4所示，传输层是在敷铜的第二介质板表面，刻蚀出第一缝隙型谐振器21和第二缝隙型谐振器22，第一缝隙型谐振器22位于第二介质板中心位置，第一缝隙型谐振器22的各边与第二介质板21的四边平行或垂直，第二缝隙型谐振器23位于四角。
42.在一个实施例中，第一介质板11和第二介质板21的材料为rogers 4350b，介电常数为3.66，损耗正切为0.0037，单元尺寸为20mm
×
20mm
×
0.5mm。
43.在一个实施例中，金属贴片材料为铜，涂覆在第一介质板11和第二介质板21表面
上，电导率为5.8
×
107s/m，厚度为0.035mm。
44.在一个实施例中，损耗层1和传输层2之间设置有厚度为12mm的间隙。
45.在一个实施例中，方环金属贴片12的边长为8.8mm～9.2mm，方环金属贴片12每条边的宽度为0.2mm～0.6mm。
46.在一个实施例中，t形金属贴片13包括从方环金属贴片12一侧向外延伸的第一矩形条带和第二矩形条带，第一矩形条带与第二矩形条带在中点处垂直电连接，第一矩形条带长度为5mm～5.2mm，第一矩形条带宽度为0.8mm～1.0mm，，第二矩形条带长度为6.7mm～7.3mm，第二矩形条带宽度为0.1mm～0.3mm，，第一矩形条带的中点处设置有贴片电阻15。其中，贴片电阻15的阻值为r为125～135ω。
47.在一个实施例中，折叠方环金属贴片14是将方环的四边对称地切割四个矩形切口后，从切口处向内侧延伸三段弯折段形成的封闭金属条带，折叠方环金属贴片14的的边长总长度为7.6mm～7.9mm，，折叠方环金属贴片14中各条带的宽度为0.1mm～0.3mm，矩形切口的长度为1.6mm～1.8mm，与折叠方环金属贴片14上的相邻边垂直电连接的弯折段的外围长度为1.9mm～2.1mm，与折叠方环金属贴片14上的相邻边平行的弯折段外围长度为1.6mm～1.8mm。
48.在一个实施例中，耶路撒冷十字金属贴片16包括两个尺寸相同且互相垂直交叉的第三矩形金属条带和四个与相邻第三矩形金属条带垂直电连接的第四矩形金属条带，四个第四矩形金属条带尺寸相同，第三矩形金属条带的长度为8.0mm～8.4mm，宽度为0.3mm～0.5mm，第四矩形金属条带的长度为6.3mm～6.7mm，宽度为0.3mm～0.5mm。
49.在一个实施例中，第一缝隙型谐振器22是第二介质板21中心位置上的垂直交叉十字的封闭边缘缝隙，垂直交叉十字包括两个尺寸相同且互相垂直的矩形金属条带，矩形金属条带长度为12.4mm～12.8mm，第一缝隙型谐振器22的缝隙宽度为0.1mm～0.3mm。
50.在一个实施例中，第二缝隙型谐振器23是第二介质板21顶点处的第一正方形贴片、矩形金属条带、第二正方形贴片电连接形成的金属贴片的外围边缘缝隙，第一正方形贴片通过矩形金属条带与第二正方形贴片电连接，矩形金属条带的边与第一正方形贴片、第二正方形贴片的对角线平行或垂直，第二缝隙型谐振器23的缝隙宽度为0.1mm～0.3mm，第一正方形贴片的边长长度为1.6mm～2mm，矩形金属条带的长度为2.6mm～3mm，第二正方形贴片的边长长度为2.5mm～2.9mm。
51.损耗层和传输层具有下述特点：以各自所在层中心为旋转中心，以该旋转中心的垂直方向为轴，沿某一方向旋转90度后所得结构与原结构完全重合。
52.参照图5所示，进行仿真实验得到上述参数的吸波体的传输系数和反射系数与频率之间的关系曲线，其中横坐标为频率，左侧纵坐标表示传输系数以及反射系数。从图中可以看出，本发明在2.02ghz～7.98ghz频段的反射系数低于-10db，工作带宽为119.2％，还具有两个通带，其中传输系数大于-3db的频段为3.44ghz～3.67ghz和4.91ghz～5.04ghz，最小插入损耗分别为0.48db和0.79db。
53.参照图6所示，进行仿真实验得到上述参数的吸波体的吸收率与频率之间的关系曲线，其中横坐标为频率，左侧纵坐标表示吸收率。从图中可以看出，本发明具有三个吸波频段，在2.07ghz～3.02ghz、3.82ghz～4.79ghz和5.23ghz～7.85ghz频段内具有大于90％的吸收率。
54.参照图7、图8所示，横坐标表示频率，左侧纵坐标表示te极化电磁波以0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
入射时的反射系数和传输系数曲线；参照图9、图10所示，横坐标表示频率，左侧纵坐标表示tm极化电磁波以0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
入射时的反射系数和传输系数曲线；由图可知，吸波体在0
°
至40
°
入射角下其吸波性能稳定，且在电磁波以0
°
入射时，本发明在te和tm极化下的传输和反射性能一致，具有极化稳定性。
55.以上结果表明，本发明提供的一种具有双通带的宽带频率选择吸波体能够实现“吸收-传输-吸收-传输-吸收”频率响应。而且，本发明还具有结构紧凑，工作频带宽，低插入损耗，极化稳定，入射角稳定，易于制造等优良特性。
56.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
57.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。