一种平面多层PCB结构的宽频宽角度吸波器

一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器
技术领域
1.本发明属于吸波器领域，特别是一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器。


背景技术：

2.雷达截面积(rcs)的减缩在探测中十分重要。吸波器通过对来波进行吸收可以有效降低rcs。在吸波器的设计中，吸波材料能够直接吸收入射电磁波，但是由于其体积和重量较大，且不能与微波器件集成，因而应用场景有限。利用频率选择表面(frequency selective surface,fss)也可以实现吸波器的设计。salisbury屏作为一种频率选择表面可以用于设计吸波器，它是通过在一个金属平面上方四分之一波长处设置具有谐振特性的损耗层来实现吸波特性，但是利用该方法设计的吸波器的带宽较窄；使用多层结构叠加得到的jauman屏可以产生额外的谐振点，以展宽其工作带宽，但同时剖面也会增加；利用多层fss结构设计的电路模拟吸波器可以有效拓宽吸波器的工作带宽，但是其设计仍然需要在带宽与吸波器的剖面之间进行折中。近年来，随着超材料/超表面的兴起，基于超材料/超表面的吸波器的设计也获得了广泛的关注，例如利用高阻抗表面设计吸波器是当前的研究热点之一。但是，设计同时具有超宽带、低剖面、极化无关、角度稳定的平面pcb结构的吸波器仍然是一项困难的挑战。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，该宽频宽角度吸波器包括双极化紧耦合振子和设置于振子地板背面的加载集总电阻的匹配电路；
5.所述双极化紧耦合振子用于接收入射到吸波器表面的电磁波并将其传送到地板背面的匹配电路；
6.所述匹配电路用于将电磁波信号无损耗地传输到集总电阻；
7.所述集总电阻用于吸收电磁波。
8.进一步地，所述双极化紧耦合振子包括若干天线单元，所述天线单元包括从上至下依次设置的宽角匹配层、金属振子介质板、支撑层和共用地板；所述宽角匹配层和金属振子介质板之间设置有位于同一水平面的水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片，所述金属振子介质板和支撑层之间设置有耦合金属圆片；所述耦合金属圆片通过垂直通孔连接到共用地板；所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片通过两个垂直短路通孔分别连接到共用地板；所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片分别通过一个垂直信号通孔贯穿共用地板连接到一个匹配电路，所述匹配电路的终端分别加载一个集总电阻，集总电阻通过接地通孔连接到共用地板。
9.进一步地，所述金属振子介质板、支撑层为不对称的十字交叉结构。
10.进一步地，所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片分别位于金属振子介
质板十字交叉结构的两个臂上，由此形成不对称的十字交叉结构。
11.进一步地，所述水平金属振子辐射片、垂直金属振子辐射片分别包括两个振子臂，一个振子臂为馈电端，另一个振子臂接地。
12.进一步地，所述耦合金属圆片设置于所述十字交叉结构的交叉位置。
13.进一步地，所述耦合金属圆片的中心位置通过垂直通孔连接到共用地板；所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片的接地的振子臂分别通过垂直短路通孔连接共用地板。
14.进一步地，所述匹配电路均为一段50欧姆微带线。
15.进一步地，所述集总电阻的阻值为50欧姆。
16.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
17.(1)本发明利用在双极化天线馈电端口加载嵌入集总电阻的匹配电路的方法设计了一种平面pcb结构的宽频宽角度吸波器，该吸波器具有低剖面(0.12λ,λ表示最低工作频率处的波长)，超宽带(6-19ghz,相对带宽104％)，极化无关以及良好的角度稳定性。并且，该结构可以采用pcb工艺进行加工，增加了其工程实用性。
18.(2)本发明利用匹配电路中的集总电阻进行吸波，避免了使用体积较大的吸波材料，并且每个单元只需要加载两个集总电阻，与现有的使用电阻吸波的结构相比，很大程度上减少了吸波电阻的数量。
19.(3)本发明设计的吸波器采用了电路结构，在通信系统中便于与其他部分进行集成设计。
20.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
21.图1为平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器的结构图。
22.图2为实施例1中双极化紧耦合振子中的金属振子辐射片以及金属振子介质板的结构图。
23.图3为实施例1中双极化紧耦合振子中的支撑层结构图。
24.图4为实施例1中双极化紧耦合振子与匹配电路的共用地板的结构图。
25.图5为实施例1中加载集总电阻的匹配电路的结构图。
26.图6为实施例1中平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器在不同入射角度te极化入射波下的反射系数和吸收率示意图。
27.图7为实施例1中平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器在不同入射角度tm极化入射波下的反射系数和吸收率仿真结果示意图。
具体实施方式
28.结合图1，一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，该吸波器包括双极化紧耦合振子和设置于振子地板背面的加载集总电阻的匹配电路；
29.所述双极化紧耦合振子用于接收入射到吸波器表面的电磁波并将其传送到地板背面的匹配电路；
30.所述匹配电路用于将电磁波信号无损耗地传输到集总电阻；
31.所述集总电阻用于吸收电磁波。
32.本发明的设计思路如下：首先选择一个双极化紧耦合振子天线，x-极化或y-极化的入射波都可以被该天线阵列接收；然后在振子天线的两个极化的馈电端口背面各自加载一个匹配电路，匹配电路末端通过集总电阻连接到振子天线地板。匹配电路均加载在振子天线地板的背面，与天线隔离。最后，能够被振子天线接收的电磁波能量被集总电阻吸收，实现吸波功能。
33.具体地，如图1所示，一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，包括双极化紧耦合振子和设置于振子地板背面的加载集总电阻的匹配电路。所述双极化天线阵列包括若干天线单元，所述天线单元包括依次设置的宽角匹配层1、金属振子介质板2、支撑层3和共用地板9。所述宽角匹配层1和金属振子介质板2之间设置有水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6；所述水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6分别由两个振子臂组成，一个振子臂为馈电端，另一个振子臂接地，如图2所示。所述支撑层3是一个不对称的十字交叉结构，如图3所示。所述支撑层3的十字交叉位置上方设置有耦合金属圆片7；所述耦合金属圆片7的中心位置通过垂直通孔8连接到共用地板9；所述水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6的接地振子臂分别通过垂直短路通孔10、11连接到共用地板9。所述水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6分别通过垂直信号通孔12、13贯穿共用地板9连接到匹配电路14、15，所述匹配电路14、15的末端分别加载集总电阻16、17，集总电阻16、17通过接地通孔18、19连接到共用地板。
34.具体地，所述匹配电路末端加载集总电阻，集总电阻通过接地通孔连接到共用地板。
35.匹配电路均为一段50欧姆微带线，集总电阻的阻值为50欧姆。
36.实施例1
37.本实施例为一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器。该吸波器可以吸收任意极化的入射波。本实施例的吸波器的工作频带为6-18ghz，相对带宽分别为100％。并且，该吸波器具有较低的剖面和良好的斜入射角度稳定性。
38.参见图1，一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，包括双极化紧耦合振子和设置于振子地板背面的加载集总电阻的匹配电路。其中，双极化紧耦合振子将接收到的电磁波传送至匹配电路，由匹配电路末端的集总电阻吸收。双极化天线单元包括宽角匹配层1，金属振子介质板2，支撑层3，水平和垂直金属振子辐射片5，6，耦合金属圆片7，垂直通孔8，共用地板9，两个垂直短路通孔10，11，两个垂直信号通孔12，16。该宽角匹配层1长和宽均为7.58mm，材料为teflon，厚度为2.7mm；金属振子的介质板2材料为rogers rt5880，厚度为0.254mm；支撑层3材料为teflon，厚度为2.7mm；共用地板8为带阻滤波器背面的金属覆铜，同时作为双极化天线阵列和带阻滤波器的地板；带阻滤波器介质板4材料为rogers ro3003，厚度为0.254mm。为了和金属振子辐射片5,6获得良好的匹配，支撑层3中的左上角，右上角，左下角，右下角分别挖掉了四个尺寸为0.85mm*0.85mm，0.85mm*4.53mm，4.53mm*0.85mm，4.53mm*4.53mm，厚度为2.7mm的介质块。水平和垂直金属振子辐射片5，6形状如图3所示。耦合金属圆片7的直径为1.88mm。垂直通孔8的直径为0.4mm。两个垂直短路通孔10，11和两个垂直信号通孔12，16的直径均为0.5mm。金属振子辐射片各部分尺寸如下：p＝7.58,l
d1
＝1.4,l
d2
＝0.88,l
d3
＝0.8,l
d4
,l
d5
＝0.1,l
d6
＝0.85l
d7
＝4.53,w
d1
＝2,w
d2
＝1.24,w
d3
＝
0.68,rf＝r
g1
＝0.25,r
g2
＝0.15,r
g3
＝0.25,r
g4
＝0.5,l
d8
＝4.84,l
d9
＝1.45,rf＝0.25,wm＝0.7(单位：mm)。
39.参见图5，为一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器中加载集总电阻的匹配电路示意图。匹配电路14通过垂直信号通孔12连接垂直金属振子辐射片6，匹配电路15通过垂直信号通孔13连接水平金属振子辐射片5。匹配电路的介质基板材料为rogers ro3003，厚度为0.254mm。匹配电路中的传输线宽度wm＝0.7mm，集总电阻阻值为50欧姆，接地通孔半径为r3＝0.2mm。
40.参见图6，为入射波为te极化的线极化波，不同斜入射角度下该吸波器的反射系数和吸收率。吸收率定义为a＝1
–
|s
11
|2.由图可见，在垂直入射时，6-19ghz的反射系数值均在-10db以下，吸收率均在90％以上。随着斜入射角度的增大，吸收率有所减小，但直到入射角达到50
°
，吸收率在6-18ghz的范围内仍然在80％以上。
41.参见图7，为入射波为tm极化的线极化波，不同斜入射角度下的该吸波器的反射系数和吸收率。由图可见，在垂直入射时吸收率均在90％以上的频带范围为6-19ghz，相对带宽104％。当斜入射角度的增大至50
°
时，其高频工作带宽减小，但吸收率在6-18ghz的范围内仍然超过80％。
42.本发明设计的吸波器具有超宽带，低剖面和极化无关的特性，并且具有稳定的角度特性。另外，本发明设计地吸波器可以利用平面pcb工艺加工，增加了其工程实用性。本发明在雷达截面(rcs)减缩等方面有重要应用。
43.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，该宽频宽角度吸波器包括双极化紧耦合振子和设置于振子地板背面的加载集总电阻的匹配电路；所述双极化紧耦合振子用于接收入射到吸波器表面的电磁波并将其传送到地板背面的匹配电路；所述匹配电路用于将电磁波信号无损耗地传输到集总电阻；所述集总电阻用于吸收电磁波。2.根据权利要求1所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述双极化紧耦合振子包括若干天线单元，所述天线单元包括从上至下依次设置的宽角匹配层(1)、金属振子介质板(2)、支撑层(3)和共用地板(9)；所述宽角匹配层(1)和金属振子介质板(2)之间设置有位于同一水平面的水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)，所述金属振子介质板(2)和支撑层(3)之间设置有耦合金属圆片(7)；所述耦合金属圆片(7)通过垂直通孔(8)连接到共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)通过两个垂直短路通孔(10、11)分别连接到共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)分别通过一个垂直信号通孔(12、13)贯穿共用地板(9)连接到一个匹配电路(14、15)，所述匹配电路(14、15)的终端分别加载一个集总电阻(16、17)，集总电阻(16、17)通过接地通孔(18、19)连接到共用地板(9)。3.根据权利要求2所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述金属振子介质板(2)、支撑层(3)为不对称的十字交叉结构。4.根据权利要求3所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)分别位于金属振子介质板(2)十字交叉结构的两个臂上，由此形成不对称的十字交叉结构。5.根据权利要求4所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述水平金属振子辐射片(5)、垂直金属振子辐射片(6)分别包括两个振子臂，一个振子臂为馈电端，另一个振子臂接地。6.根据权利要求3所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述耦合金属圆片(7)设置于所述十字交叉结构的交叉位置。7.根据权利要求6所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述耦合金属圆片(7)的中心位置通过垂直通孔(8)连接到共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)的接地的振子臂分别通过垂直短路通孔(10，11)连接共用地板(9)。8.根据权利要求3所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述匹配电路(14、15)均为一段50欧姆微带线。9.根据权利要求3所述的平面多层pcb结构的宽频宽角度吸波器，其特征在于，所述集总电阻(16、17)的阻值为50欧姆。

技术总结
本发明公开了一种平面多层PCB结构的宽频宽角度吸波器，包括：双极化紧耦合振子和设置于振子地板背面的加载集总电阻的匹配电路。所述双极化紧耦合振子用于接收入射到吸波器表面的电磁波并将其传送到地板背面的匹配电路；所述匹配电路用于将电磁波信号无损耗地传输到集总电阻；所述集总电阻用于吸收电磁波。本发明设计的吸波器具有超宽带，低剖面和极化无关的特性，并且具有稳定的角度特性。另外，本发明设计地吸波器可以利用平面PCB工艺加工，增加了其工程实用性。本发明在雷达截面(RCS)减缩等方面有重要应用。缩等方面有重要应用。缩等方面有重要应用。


技术研发人员：吴文 王兵 宗志园 方大纲
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/8/1