基于AFSS的可调超宽带多层复合吸波结构

基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构
技术领域
1.本发明涉及一种电磁隐身技术，尤其涉及一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构。


背景技术：

2.随着无线通信的快速发展，电磁辐射因其对人体健康的不利影响和对无线通信设备的电磁干扰而备受关注。为此，研发出了频率选择表面(frequency selective surface,fss)，其为一种常见的人工电磁表面，能够实现对空间电磁波的高效调控，故在电磁兼容和电磁防护技术中有着广泛的应用。
3.进一步研究发现，其结合干涉型吸波体，fss通过改变亚波长金属单元结构或增加集总原件，形成了新一代结构型吸波材料，也叫电路模拟吸波结构(circuit analog absorber,caa)。
4.而有源频率选择表面(active frequency selective surface,afss)是指在fss中加入pin二极管或者变容二极管，可在不改变固有结构的情况下，通过调节偏置电压或电流来改变fss的谐振特性，从而改变吸波体的工作状态以适应动态复杂的电磁环境。基于afss的吸波体可实现不同频段的可调谐吸收，也可在特定频段内做到吸收与反射性能间动态切换。然而在实际应用中，由于有源器件的谐振特性存在着局限性，在特定频段内(尤其是低频)难以实现宽带可调的吸波体。
5.因此，针对以上不足，需要提出一种基于afss的可调宽带吸波结构，可在较宽的频段内在2.5ghz～15.5ghz频段实现动态吸收特性，以适应动态复杂的电磁环境。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构，凭借匹配层的波阻抗适配特性，以及无源吸波层与有源吸波层的谐振特性，使得吸收率可在较宽的频率范围内实现动态调节，且具备极化不敏感、质量轻以及良好的耐腐蚀性等特点。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构，包括由上到下依次设置的匹配层、无源吸波层、有源吸波层和金属底板层；
8.所述匹配层由pi膜和pi泡沫组成；
9.所述无源吸波层由焊接集总电阻的fss、pi膜基底以及pi泡沫组成；
10.所述有源吸波层由焊接pin二极管的afss、pi膜基底以及pi泡沫组成。
11.优选的，所述fss包括多个呈周期性阵列布置的fss金属单元；
12.优选的，所述fss金属单元为正八边形环结构，正八边形环的每条边的中点处均加载有集总电阻。
13.优选的，所述fss金属单元为四边形环结构，四边形环的每条边的中点处以及相邻两条边的交点处均加载有集总电阻。
14.优选的，所述afss包括多个呈矩形阵列布置的afss金属单元；
15.所述afss金属单元由四个中心对称布置的金属贴片组成；
16.所述afss金属单元内的四个所述金属贴片经两个贴片型电感两两相连，用于分离特定频率下的直流回路和交流感应电流回路，减少水平极化与垂直极化的敏感性；
17.相邻两个所述afss金属单元之间通过焊接pin二极管相连，所述pin二极管的焊接方向与电流方向一致，通过改变pin二极管的偏置电流大小，改变pin二极管的电容与阻值，从而使得afss的工作状态发生改变，在2.5ghz～15.5ghz频段实现动态吸收特性。
18.优选的，所述afss左右两侧均电性连接有偏置线；
19.位于同一竖直线上的pin二极管的导通方向以及位于同一水平线上的pin二极管的导通方向分别相同；
20.位于相邻两个竖直线上的pin二极管的导通方向相反；
21.从而实现了偏执电流类正弦曲线循环，在满足电流从正极流向负极的同时，保证了单元的极化不敏感特性。
22.优选的，所述afss金属单元的边长为所述fss金属单元边长的2倍。
23.优选的，所述金属底板层、所述fss金属单元以及所述afss金属单元均为导电材料；
24.所述导电材料为金、银、铜、镍或者石墨。
25.优选的，所述pi膜为特种介质板或者薄膜；
26.所述pi膜的材质为玻璃纤维增强环氧树脂板、聚乙烯醇或者聚酯。
27.优选的，所述pi泡沫由低密度低介电常数发泡材料发泡而成；
28.所述低密度低介电常数发泡材料为聚甲基丙烯酰亚胺。
29.相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
30.1、凭借匹配层的波阻抗适配特性，以及无源吸波层与有源吸波层的谐振特性，具有吸波状态多样、吸收频带宽的优势，即在较宽的频段内在2.5ghz～15.5ghz频段实现动态吸收特性。
31.2、采用pi膜、pi泡沫、耐腐蚀fss多层复合，具有良好的耐腐蚀性、耐热性以及耐候性，适合极端恶劣环境下的实际应用场景。
32.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
33.图1为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的截面图；
34.图2为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的fss金属单元结构示意图；
35.图3为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的afss金属单元结构示意图；
36.图4为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的afss结构示意图；
37.图5为当不施加电流或反向施加电流时的反射率曲线图；
38.图6为当施加正向电流时的反射率曲线图。
39.其中：1、匹配层；2、无源吸波层；3、有源吸波层；4、金属底板层；5、fss；6、afss；7、
pi膜；8、pi泡沫；9、集总电阻；10、pin二极管；11、电感。
具体实施方式
40.以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
41.图1为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的截面图；图2为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的fss金属单元结构示意图，需要说明的是图2是fss金属单元以八边形为例进行说明；图3为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的afss金属单元结构示意图；图4为本发明的实施例一种基于afss的可调超宽带多层复合吸波结构的afss结构示意图；如图1-图4所示，本发明的结构包括由上到下依次设置的匹配层1、无源吸波层2、有源吸波层3和金属底板层4；所述匹配层1由pi膜7和pi泡沫8组成，匹配层1中的pi膜7厚度为0.4mm，pi泡沫8厚度为3.7mm；所述无源吸波层2由焊接集总电阻9的fss5、pi膜7基底以及pi泡沫8组成，无源吸波层2中的pi膜7基底和pi泡沫8的厚度分别为0.13mm和5.8mm；所述有源吸波层3由焊接pin二极管10的afss6、pi膜7基底以及pi泡沫8组成，有源吸波层3的pi膜7基底和pi泡沫8的厚度分别为0.13mm和8m且m。上述pi膜7的介电常数为3.5，损耗角正切为0.0025；pi泡沫8的介电常数为1.1，损耗角正切为0.004。
42.其中，所述fss5包括多个呈周期性阵列布置的fss金属单元；优选的，所述fss金属单元为正八边形环结构，正八边形环的每条边的中点处均加载有集总电阻9。或者所述fss金属单元为四边形环结构，四边形环的每条边的中点处以及相邻两条边的交点处均加载有集总电阻9。
43.所述afss6包括多个呈矩形阵列布置的afss金属单元；所述afss金属单元由四个中心对称布置的金属贴片组成；所述金属贴片为多边形，所述金属贴片为四边形、八边形或者花瓣形。
44.所述afss金属单元内的四个所述金属贴片经两个贴片型电感11两两相连，用于分离特定频率下的直流回路和交流感应电流回路，减少水平极化与垂直极化的敏感性；电感11型号为hk 0603 18n0-t；相邻两个所述afss金属单元之间通过焊接pin二极管10相连，所述pin二极管10的焊接方向与电流方向一致，所述偏执电流大小范围在0～100ma，所述pin二极管10的阻值范围为0.001～10000ω，通过改变pin二极管10的偏置电流大小，改变pin二极管10的电容与阻值，从而使得afss6的工作状态发生改变，在2.5ghz～15.5ghz频段实现动态吸收特性。pin二极管10型号为bap70-02且选用sod523封装，当不施加电流或反向施加电流时，查表可得pin二极管10等效为一个约3pf的电容，相当于断开；而当正向施加电流时，pin二极管10可以等效为一个可变电阻，并且电阻值会随着偏置电流大小的增大而减小。因此通过改变偏置电流的大小可以使pin二极管10表现出不同阻值以及电容值，即可调整afss6层的工作状态，从而使得吸波体在较宽的频段内在2.5ghz～15.5ghz频段实现动态吸收特性。
45.优选的，所述afss6左右两侧均电性连接有偏置线；位于同一竖直线上的pin二极管10的导通方向以及位于同一水平线上的pin二极管10的导通方向分别相同；位于相邻两
个竖直线上的pin二极管10的导通方向相反；从而实现了偏执电流类正弦曲线循环，在满足电流从正极流向负极的同时，保证了单元的极化不敏感特性。
46.优选的，所述afss金属单元的边长为所述fss金属单元边长的2倍。本实施例的fss5由26
×
26个fss金属单元构成，每个金属单元的边长为q＝12mm。afss6由13
×
13个afss金属单元和左右两侧的外加偏置线构成，每个afss金属单元的边长为2q＝24mm。
47.优选的，所述金属底板层4、所述fss金属单元以及所述afss金属单元均为导电材料；所述导电材料为金、银、铜、镍或者石墨，需要说明的是导电材料还可选择其他材质，本实施例仅是对其进行举例，并不对其进行限制。
48.优选的，所述pi膜7为特种介质板或者薄膜；所述pi膜7的材质为玻璃纤维增强环氧树脂板(fr4)、聚乙烯醇(pva)或者聚酯(pet)，需要说明的是pi膜7还可选择其他材质，本实施例仅是对其进行举例，并不对其进行限制。
49.优选的，所述pi泡沫8由低密度低介电常数发泡材料发泡而成；所述低密度低介电常数发泡材料为聚甲基丙烯酰亚胺，需要说明的是pi膜7还可选择其他材质，本实施例仅是对其进行举例，并不对其进行限制。
50.图5为当不施加电流或反向施加电流时的反射率曲线图，图6为当施加正向电流时的反射率曲线图，如图5和图6所示，当不施加电流或反向施加电流时，整个吸波体在2.5ghz～10.5ghz频段内基本上呈反射状态；当施加正向电流时，随着电流的增大，pin二极管10的电阻逐渐减小，当等效电阻的阻值为125ω时，整个吸波体在2.5ghz～15.5ghz频段内的反射率小于-15db，表现为约95％的吸收率；随着等效电阻的阻值继续减小，整个吸波体在该频段内的反射率逐渐增大；当pin二极管10的等效阻值降为1ω时，吸波体在2.5ghz～10.5ghz频段重新变成反射状态。由此可知，在2.5ghz～15.5ghz频段内本实施例公开的吸波体表现出了动态吸收特性，同时还可做到吸收与反射多种状态间动态切换。
51.因此，本发明采用上述结构的基于afss6的可调超宽带多层复合吸波结构，凭借匹配层的波阻抗适配特性，以及无源吸波层与有源吸波层的谐振特性，使得吸收率可在较宽的频率范围内实现动态调节，且具备极化不敏感、质量轻以及良好的耐腐蚀性等特点。
52.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。