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        基于超材料和磁性材料的P波段吸收器設(shè)計(jì)

        2019-05-28 09:42:09張猛熊波
        中國(guó)科技縱橫 2019年24期
        關(guān)鍵詞:吸收器磁性材料

        張猛 熊波

        摘? 要:本文介紹了一種基于超材料、磁性材料的復(fù)合吸收器的設(shè)計(jì)與仿真。吸收器由鐵氧體層、金屬貼片層、介電層和金屬背板組成。利用兩種不同的超材料吸收器結(jié)構(gòu),以特殊方式排列,最終實(shí)現(xiàn)了從 300 MHz 到 2 GHz 的 8.5 dB 雷達(dá)橫截面降低,雷達(dá)橫截面的最大下降為13 dB。吸收器的總厚度為4.5 mm,約為工作波長(zhǎng)的1/133。此外,吸收器可以強(qiáng)烈吸收橫向電和橫向磁極化的傾斜入射電磁波,即使在40°的入射角度。

        關(guān)鍵詞:超材料;磁性材料;吸收器

        中圖分類(lèi)號(hào):TB33? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1671-2064(2019)24-0000-00

        1 介紹

        近年來(lái),隨著雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)隱身技術(shù)的要求越來(lái)越高。吸收材料的使用是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身的有效手段[1]。然而,傳統(tǒng)的吸收材料難以滿足薄、輕、寬、強(qiáng)的要求[3]。作為一種新型合成材料,超材料具有吸收率高、入射角廣、無(wú)表面損耗層等特點(diǎn)[5]。但超材料吸收器的研究主要集中在高頻段[2],在P波段(300MHz_1.2GHz)很少有研究。

        為了在P波段實(shí)現(xiàn)高性能吸收,同時(shí)滿足薄、輕、寬的要求,本文采用磁性材料和超材料相結(jié)合。由于其高磁滲透性,磁性材料可以以小厚度擴(kuò)大吸收器的帶寬[4],但具有大比重的缺點(diǎn)。通過(guò)結(jié)合磁性和超材料設(shè)計(jì)吸收體,不僅克服了單磁性材料比重大的缺點(diǎn),而且提高了設(shè)計(jì)自由度,有助于擴(kuò)大吸收帶寬。

        2 磁性材料及其吸收特性

        本文中使用的磁性材料是NiCuZn鐵氧體,通常用于電磁兼容性(EMC)。文獻(xiàn)中給出的特定電磁參數(shù)如圖1所示。從圖1可以看出,鐵氧體材料的介電常數(shù)的實(shí)部〖ε_(tái)r〗^'和虛部〖ε_(tái)r〗^''在300 MHz至2 GHz的頻率范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有變化。磁導(dǎo)率的實(shí)部〖μ_r〗^'和虛部〖μ_r〗^''隨著頻率的增加而減小,且〖μ_r〗^'其較大,表明該材料具有極強(qiáng)的磁損耗特性。

        本章中的所有模擬都是使用CST微波工作室軟件模擬的。上述電磁參數(shù)數(shù)據(jù)被導(dǎo)入到CST MWS中,并創(chuàng)建了一種名為NiCuZn的新材料。利用周期邊界條件和浮波端口模擬了材料的反射系數(shù)。圖2顯示了反射系數(shù)S11與NiCuZn材料厚度之間的關(guān)系。

        從圖2可以看出,鐵氧體本身在薄厚度條件下對(duì)整個(gè)P波段具有良好的吸收性能,在低頻條件下吸收性能更好。

        3 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        吸收器的單位結(jié)構(gòu)如圖3所示。單位結(jié)構(gòu)由四部分組成,底層為金屬背板,中間層為介電基板,頂層為磁性材料,中間為介電基板,鐵氧體為金屬方環(huán)。其中金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件為銅,厚度為0.02毫米,導(dǎo)電率為 5.8×107 S/m。介電基板為FR-4,介電常數(shù)為4.3,電損耗因數(shù)為0.025。具體結(jié)構(gòu)尺寸如下:p = 56 mm,ω1 = 46 mm,ω2 = 18 mm,l = 25 mm,m = 2 mm。整個(gè)吸收器的厚度為4.5毫米,約為工作波長(zhǎng)的1/133,其中鐵氧體厚度為3毫米,超材料吸收器的厚度為1.5毫米。圖4顯示了周期排列下結(jié)構(gòu)的形狀,可視為方形環(huán)結(jié)構(gòu)和交叉結(jié)構(gòu)的組合。

        4仿真結(jié)果和性能分析

        由于金屬背板的存在,透射率T(ω)=0,吸收率A(ω)可以表示為A(ω)=1-R(ω)=1-〖S_11〗^2,因此反射系數(shù)可以用來(lái)描述超材料吸收器對(duì)電磁波的吸收?qǐng)D5顯示了正常入射條件下的反射系數(shù)S11,由鐵氧體反射系數(shù)、TE波正常入射下的反射系數(shù)和TM波正常入射下的反射系數(shù)三條曲線組成。從圖中可以看出,在300 MHz至2 GHz的頻率范圍內(nèi),吸收器的反射系數(shù)低于-10 dB。與3mm厚的鐵氧體相比,吸收器的反射系數(shù)S11從0.8GHz降低到1.3GHz,在1.2GHz時(shí)降低4dB,在正常入射下可以實(shí)現(xiàn)極化遲鈍。

        5 結(jié)論

        本文設(shè)計(jì)并模擬了一種基于超材料和磁性材料的復(fù)合吸收器。仿真結(jié)果表明,該吸收器在P波段300MHz~2GHz的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)超寬帶和高性能吸收。吸收器的厚度僅為工作波長(zhǎng)的1/133,具有低頻、寬帶、偏振不敏感的特點(diǎn),具有在軍事上的潛在應(yīng)用價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

        [1]Pang Y, Cheng H, Zhou Y, et al, “Analysis and design of wire-based metamaterial absorbers using equivalent circuit approach,”[J].Journal of Applied Physics, 2013,113(11):207.

        [2]Tsuda Y, Yasuzumi T, Hashimoto O, “A Thin Wave Absorber Using Closely Placed Divided Conductive Film and Resistive Film,” [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2011(10):892–895.

        [3]Yuan C, Zhou Z, Qin R, et al, “Technical approach to obtain light thin and broadband coated RAM,” [J].Journal of Harbin Institute of technology,2007,39(6):956–959.

        [4]Zhai Q, Huang Y, Miao L, et al, “Application of Resin Based Absorbing Composites in Aero- nautics and Astronautics,”[J].Fiber Reinforced Plastics/composites,2009,26(6):72–76.

        [5]Cheng Y, Nie Y, Gong R, et al, “Design of a thin wide-band absorber based on metamaterials and resistance frequency selective surface,” [D]ACTA PHYS SIN,2012,61(13)130–136.

        收稿日期:2019-11-12

        作者簡(jiǎn)介:張猛(1972—),男,遼寧大連人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:超材料。

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