基于非福斯特电路的超薄超宽带平板吸波器及其设计方法技术

本发明专利技术公开一种基于非福斯特电路的超薄超宽带平板吸波器及其设计方法，应用于电磁场与微波技术领域，为解决现有吸波器的工作频段有限，吸波率不高的问题，本发明专利技术的吸波器主要包括两个部分：周期性结构加载的磁性材料与非福斯特有源阻抗匹配电路；特别地，周期性结构加载的双层磁性材料在1.5‑18GHz频段范围内具有较高的吸收率；同时，采用非福斯特有源阻抗匹配电路将周期性结构加载型磁性材料的吸收带宽进一步地向低频频段扩展，本发明专利技术的超薄超宽带吸波器，在工作频段0.25‑16GHz内吸波器的吸波率均能达到80％以上。

【技术实现步骤摘要】
基于非福斯特电路的超薄超宽带平板吸波器及其设计方法
本专利技术属于电磁场与微波
，特别涉及一种超薄超宽带吸波器技术。
技术介绍
吸波器在雷达和天线系统中具有巨大的应用前景，在过去的几十年中，国内外学者对吸波器进行了广泛的研究。但是，特殊应用领域通常需要宽带吸波性能同时需要低剖面的吸波结构。针对宽带吸波性能，大量研究表明了周期性结构加载磁性材料的吸波器是一种合适的解决方案，比如Designandexperimentaldemonstrationofnon-Fosteractiveabsorber(IEEETrans.AntennaPropag.,2016,65(2):696-704)，但厚度与带宽两个参数受到Rozanov极限的限制。专利《一种电损耗材料与磁性材料复合的多层超宽带吸波体》通过在磁性材料上加载多层电阻薄膜损耗层，实现了宽带的吸波性能，但是该吸波体存在剖面较高的不足，不利于系吸波体与其它通信设备的集成一体化。专利《一种图形化蜂窝单元宽带周期吸波结构》与上述专利具有相同的特点，吸波带宽较宽，吸波体较厚，限制了该吸波体的应用范围。论文“Designandrealizationofamagnetic-typeabsorberwithabroadenedoperatingfrequencyband(ChinesePhysicsB,2013,22(1):015201)”提出了一种宽带吸波体，通过在磁性材料基板中挖圆孔形成磁性材料型FSS结构，得到在工作频段内4.6-18GHz(带宽比值为3.9:1)，吸波体的吸波率均高于90％。但在工作频段1-4GHz范围内，该吸波体的吸波效率不高，该吸波体存在一定的制约性。文献“Broadbandandthinmagneticabsorberwithnon-Fostermetasurfaceforadmittancematching(Scientificreports,2017,7(1):6922)”设计了运用非福斯特阻抗匹配电路的宽带吸波器，其厚度与带宽突破了Rozanov极限，但该吸波器的工作频段有限，吸波率带宽的上限未超过1GHz，带宽比12:1。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器的设计方法，本专利技术采用的技术方案为：一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，至少包括：周期性结构加载的磁性材料，还包括放置于周期性结构加载的磁性材料上面的金属条带结构，以及放置于周期性结构加载的磁性材料下面的非福斯特有源阻抗匹配电路，所述金属条带结构与非福斯特有源阻抗匹配电路通过金属探针连接。还包括金属反射铝板，所述金属反射铝板位于周期性结构加载的磁性材料下面，非福斯特有源阻抗匹配电路位于金属反射铝板下面。还包括放置于周期性结构加载的磁性材料上表面的介质覆盖层，在所述介质覆盖层上印刷金属条带结构。所述周期性结构加载的磁性材料为双层磁性材料。所述一个周期性单元中双层磁性材料各层均包括一圆形通孔，且各层磁性材料的圆形通孔为同心圆孔。一个周期性单元中包括2根金属探针，所述2根金属探针垂直穿过两层磁性材料的圆形通孔，2根金属探针用于连接金属条带结构与非福斯特有源阻抗匹配电路。还包括金属隔离板，所述金属隔离板放置于同心圆孔中，与金属条带方向垂直。本专利技术还提供一种针对上述吸波器的优化方法，包括：S1、在HFSS软件中设置两个端口，并对吸波器进行仿真优化，仿真得到吸波器的s2p文件；S2、将得到的s2p文件导入到ADS软件(AdvancedDesignSystem)中，并在ADS软件中优化设计非福斯特有源电路，并当吸波器处于最佳吸波性能时，导出非福斯特有源阻抗匹配电路的输入阻抗值Znf-opt；由于有源非福斯特电路是由两个工作频带带宽有限的运算放大器构成，当工作频段高于4GHz时，Znf由有源非福斯特电路参数决定，从而使得有源非福斯特电路在高频带宽内快速收敛。S3、将非福斯特电路的阻抗Znf导入到HFSS软件中，同时将位于铝板下方两个金属条带之间的端口设置为阻抗边界条件，实现非福斯特有源阻抗值与吸波器结构间的电磁/电路协同仿真设计。步骤S1中设置的两个端口具体为：一个为Floquet端口、另外一个为集总端口。步骤S2所述的最佳性能为回波损耗在所设计频段内均大于10dB。本专利技术的有益效果：本专利技术的吸波器由两个主要部分组成：周期性结构加载的磁性材料与非福斯特有源阻抗匹配电路，周期性结构加载的双层磁性材料在1.5-18GHz频段范围内具有较高的吸收率；同时，采用非福斯特有源阻抗匹配电路将周期性结构加载型磁性材料的吸收带宽进一步地向低频频段扩展，本专利技术设计的超薄超宽带吸波器，在工作频段0.25-16GHz内吸波器的吸波率均高于80％。附图说明图1为本专利技术实施例提供的有源吸波器结构图；其中，图1(a)为10x10吸波器结构，图1(b)为包含边界条件和Floquet端口的吸波器单元结构，图1(c)为吸波器单元结构的反射系数与吸收率；图2为本专利技术实施例提供的周期性结构加载的磁性材料吸波器；其中，图2(a)为周期性结构加载的磁性材料结构单元图，图2(b)为周期性结构加载的磁性材料的等效电路，图2(c)为周期性结构加载的磁性材料的吸收率、反射系数和输入阻抗曲线图；图3为本专利技术实施例提供的非福斯特有源阻抗匹配电路图；其中，图3(a)为差分型非福斯特阻抗匹配电路，图3(b)为具有非福斯特有源阻抗Znf吸波器单元结构，图3(c)为非福斯特有源阻抗匹配电路的等效电路；图4为本专利技术实施例提供的有源吸波器设计的协同仿真示意图；图5为本专利技术实施例提供的非福斯特电路结构放置在吸波器上方时的结构及仿真图；其中，图5(a)为吸波器的结构图，图5(b)为吸波器的仿真结果；图6为本专利技术实施例提供的非福斯特有源阻抗电路放置在金属反射铝板下方时新型有源吸收器结构；图7为本专利技术实施例提供的吸波器电磁/电路联合仿真迭代过程。具体实施方式为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图对本
技术实现思路
进一步阐释。所提出的吸波器结构及其仿真结果如图1所示，其中图1(a)为10×10吸波器结构，吸波器包括：周期性结构加载的磁性材料、位于磁性材料上方的两个介质覆盖层、金属反射铝板以及非福斯特有源阻抗匹配电路等部分。通过在电磁仿真软件AnsysHFSS中设置主从边界条件和Floquet端口来优化设计吸波器，考虑到吸波器下面为金属反射铝板，因此只需设置了一个Floquet端口，如图1(b)所示，激励平面波的电场方向设置为TM模式，其中非福斯特有源阻抗匹配电路放置在金属反射板的下方，吸波器的仿真结果如图1(c)所示。本专利技术实施例运用商业软件AnsysHFSS进行电磁部分的仿真，运用商业软件ADS进行电路部分的仿真。图2(a)为双层周期性结构加载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，至少包括：周期性结构加载的磁性材料，还包括放置于周期性结构加载的磁性材料上面的金属条带结构，以及放置于周期性结构加载的磁性材料下面的非福斯特有源阻抗匹配电路，所述金属条带结构与非福斯特有源阻抗匹配电路通过金属探针连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，至少包括：周期性结构加载的磁性材料，还包括放置于周期性结构加载的磁性材料上面的金属条带结构，以及放置于周期性结构加载的磁性材料下面的非福斯特有源阻抗匹配电路，所述金属条带结构与非福斯特有源阻抗匹配电路通过金属探针连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，还包括金属反射铝板，所述金属反射铝板位于周期性结构加载的磁性材料下面，非福斯特有源阻抗匹配电路位于金属反射铝板下面。


3.根据权利要求2所述的一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，还包括放置于周期性结构加载的磁性材料上表面的介质覆盖层，在所述介质覆盖层上印刷金属条带结构。


4.根据权利要求3所述的一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，所述周期性结构加载的磁性材料为双层磁性材料。


5.根据权利要求4所述的一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，所述一个周期性单元中双层磁性材料各层均包括一圆形通孔，且各层磁性材料的圆形通孔为同心圆孔。


6.根据权利要求5所述的一种基于非福斯特有源阻抗匹配电路的超薄超宽带平板吸波器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷丹，顾巍巍，胡伟，文光俊，黄勇军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51