微波頻段寬帶吸波結(jié)構(gòu)的電磁智能屏設(shè)計(jì)

具有特殊屬性的人造電磁超材料已經(jīng)引起人們極大的關(guān)注。然而，這些材料一般都是窄頻帶，因?yàn)樗鼈兪堑蛽p耗諧振材料，從樣品的設(shè)計(jì)來(lái)看，相對(duì)適用的帶寬最多只有幾個(gè)百分比然而，很多應(yīng)用需要在微波頻率覆蓋從一到幾個(gè)倍頻。而這些材料面臨的主要問(wèn)題還是其窄頻帶。另外，與傳統(tǒng)的材料一樣,這些材料是不可調(diào)的，一旦加工成型后，它們的屬性，例如工作頻率和帶寬便不能隨要求而變化。因此,快速發(fā)展智能吸波材料來(lái)滿(mǎn)足不同的要求已被提升到重要的日程。

作為一種2D材料的超薄膜，可以用來(lái)制造電磁極化密度的電離散射結(jié)構(gòu)，由共振磁介質(zhì)粒子組成的超薄膜可以通過(guò)外部的偏磁場(chǎng)來(lái)得到可控表面。可控超薄膜由于突破了一般超材料的限制,所以在寬帶應(yīng)用上可以發(fā)揮很大的潛力。然而,和電壓或電流相比，均衡的磁場(chǎng)更難運(yùn)用于大的工作環(huán)境。加載PIN二極管的可控頻率選擇表面(FSS)可被整合到反射率是偏電流二極管的函數(shù)的一個(gè)單一的微波低反射層。可控頻率選擇表面的典型運(yùn)用包括散射或反射特性的減小或者調(diào)制。與可調(diào)發(fā)射率的導(dǎo)電聚合物相反,可控頻率選擇表面不需要高的偏壓或者大裝置來(lái)達(dá)到好的可調(diào)性。由于PIN節(jié)的物理特性已經(jīng)被研究得很全面，所以二極管受環(huán)境的影響可以很容易地得到補(bǔ)償。加載PIN二極管的周期表面結(jié)構(gòu)的可控高阻表面(HIS)已經(jīng)被運(yùn)用于控制二維的超過(guò)±40°的反射波,這在傳輸和反射的運(yùn)用上很有潛力。由相似的可控高阻表面(HIS)構(gòu)成的操控發(fā)射體的可重構(gòu)波可以不一樣地作為兩層電流間的相對(duì)位置函數(shù)。機(jī)械可調(diào)表面的限制很難滿(mǎn)足快速變化的要求。

最近，筆者研究了在薄的襯底上的周期吸波結(jié)構(gòu)。

這種吸波結(jié)構(gòu)的厚度可以比波長(zhǎng)的1/50還小，并且反射率的最小值大約在X頻帶的一20dB處，而這是常規(guī)復(fù)合磁材料所不能實(shí)現(xiàn)的。然而，它是本質(zhì)上的窄帶寬，可在一10dB帶寬大約6%的中心頻率處用模式匹配方法優(yōu)化出來(lái)。如果使用磁襯底的話(huà)，還可增加工作帶寬。但是，在有合理的損耗角正切的微波頻率下，具有高滲透性的合成物制作是復(fù)雜的。還有超材料的重量可以由通過(guò)襯底里面的磁材料粒子來(lái)增加。電磁智能屏是表示表面一個(gè)有周期諧振結(jié)構(gòu)的可控表面，諧振結(jié)構(gòu)加載的可控組件包含有變?nèi)荻O管、PIN二極管和MEMS等。由于只用了一層周期結(jié)構(gòu)，隨意叫它超材料是不合適的，因?yàn)樵谄矫嫱饷娣较虻碾姶盘匦圆荒芫鶆蚧?/span>,其可控傳輸系數(shù)可以由包含有PIN二極管加載的傳導(dǎo)條陣列的超薄膜所得到。對(duì)于0.6mm厚的ESS的吸收峰值，當(dāng)PIN二極管接通的時(shí)候，可以從3GHz轉(zhuǎn)移到6GHz,吸收可從54dB減少到25dB。然而,工作帶寬仍然不能夠明顯提高，因?yàn)榭煽爻煞值碾娏鞑荒艹掷m(xù)性的適應(yīng)。

本論文的目的是提高加載PIN二極管的方陣列智能屏最佳化吸波結(jié)構(gòu)的有效工作帶寬，并在回顧超材料和智能材料后，提出一個(gè)新型的電磁智能屏(ESS)。為此，本文介紹了相關(guān)的數(shù)值方法和測(cè)量技術(shù)。并討論了所提出的ESS的計(jì)算和測(cè)量特性和應(yīng)用潛力。

1  簡(jiǎn)單準(zhǔn)備和自由空間測(cè)量

一個(gè)ESS的簡(jiǎn)單準(zhǔn)備是把銅涂在柔韌的PCB板(0.075mm厚，ε=3.5-0.Olj)上，然后再加載黑煙末(CB)合成物，圖1所示是ESS的基本單元。模型的尺寸是20ms長(zhǎng),20ms寬，由澆鑄的方法做成。表面的微波二極管工作頻率在2?8GHz,它們是人工焊接的。圖2所示是ESS的結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)二極管有一個(gè)有效電壓時(shí)，它將得到一個(gè)很低的R,。當(dāng)沒(méi)有偏壓時(shí)，二極管斷開(kāi)，故有一個(gè)很大的通過(guò)調(diào)整ESS可以使其成為一個(gè)可控函數(shù)。有一定厚度的CB硅樹(shù)脂合成物被用于隔開(kāi)柔韌的PCB和前面的金屬，也是為共振結(jié)構(gòu)提供適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)損耗。因?yàn)镋SS的吸收可能對(duì)化合物很敏感，因此，本文討論的ESS的反射系數(shù)對(duì)厚度和化合物損耗的依賴(lài)性是基于數(shù)字模擬的。

2  數(shù)值分析

本文仿真采用的是基于有限元法的商用三維電磁仿真軟件HFSS12?；贖FSS12中的ESS基本單元模型如圖3所示。該基本單元采用四面體基本元,假定這個(gè)結(jié)構(gòu)在橫向上是無(wú)限的。二極管用來(lái)模擬連續(xù)電流模型的集總RLC邊界條件。R是連續(xù)電阻，C_j是連接電容(0.2pF)°R_j是連接可調(diào)電阻。依靠外部偏置電流,R_j的電阻可以從幾歐姆變化到幾千歐姆。擁有平行于導(dǎo)體電場(chǎng)e和垂直于襯底表面的波矢量K的平面波可以闡明一般入射情況。頻率邊界條件可加在垂直于波矢的表面上,周期連續(xù)的邊界條件(PCB)則可運(yùn)用在平行于波矢量的表面上。金屬襯底的ESS的反射率就是平均能量反射到當(dāng)前能量的比率,其方程如下：

這里,R是反射系數(shù)，E^inc、H^inc、E^s、H^s分別是入射場(chǎng)和散射場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，S_in是入射波的前面矢量，n是S_in向外的方向。 

3  結(jié)果和討論

運(yùn)用自由空間測(cè)量方法和商業(yè)軟件HFSS12以及有限陣列模型可對(duì)ESS進(jìn)行模擬，在二極管開(kāi)關(guān)不同狀態(tài)下測(cè)量和計(jì)算傳輸系數(shù)。圖4所示是其反射和入射傳輸系數(shù)，當(dāng)二極管處于關(guān)態(tài)時(shí)，諧振頻率在3.8GHz,而處于開(kāi)態(tài)時(shí)為5.6GHz。ESS的傳輸系數(shù)在3~6GHz可調(diào)。，在3.8GHz時(shí)，其傳輸系數(shù)為－25dB,而在5.6GHz時(shí)為－54dB。

測(cè)試和仿真的結(jié)構(gòu)在趨勢(shì)上是一致的。二極管開(kāi)關(guān)態(tài)引起的傳輸系數(shù)的變化就是ESS的主要調(diào)節(jié)手段。相應(yīng)地，在二極管開(kāi)關(guān)處于關(guān)態(tài)時(shí)，諧振頻率在3.8GHz,而處于開(kāi)態(tài)時(shí)，諧振頻率可提高到5.6GHz。

4  結(jié)語(yǔ)

電磁智能屏被設(shè)計(jì)為周期結(jié)構(gòu)，并且有薄而柔韌性好的高頻襯底。測(cè)量的方法是自由空間系統(tǒng)的方法。測(cè)量的結(jié)果驗(yàn)證了有限元法仿真的結(jié)果。ESS的可調(diào)傳輸系數(shù)可以用于天線(xiàn)屏蔽器,輔助反射器和調(diào)節(jié)器。而ESS在可調(diào)反射系數(shù)和工作頻帶上，相比一般抗反射材料有很大的優(yōu)勢(shì)。