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基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏设计

发布时间:2019-12-03 18:20

  中文摘要

  伴随着科技的不断发展,电磁辐射在生活的各个方面都取得了广泛的应用。电气技术的应用和发展为我们的生活带来极大的便利,也使我们的生产效率得到一定程度的提高。但另一方面,一种新的污染来源也由此产生,它就是电磁辐射。科技越来越发展,而电磁辐射的发展在人们的生活工作中也越来越普遍,程度越来越深,而世界各地对电磁环境的问题也越来越重视,对电磁辐射对人体伤害的研究也越来越重视;一个新的科学领域则应运而生去解决电磁辐射对人类健康。

  电磁吸波材料由于其在军事和民用方面都有着十分广泛的应用前景,长期以来受到世界各国研究者的关注问题的影响及其防护问题。目前美、日、西欧国家在电磁波吸波屏的研究上处于世界领先地位,我国的吸波材料和电磁波吸波屏的实验室研究开始于80年代,90年代中后期进入较全面的研究阶段。

  本文主要完成了基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏的设计。首先介绍了基于电路模拟结构的吸波表面的工作原理以及仿真设计方法,然后据此设计出三款单频吸波表面,三款设计的中心工作频率分别在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz,对正入射电磁波吸收率都达到90%以上,接着在单频吸波体的基础上进一步构建出工作在2.4GHz、3.5GHz频段的双频吸波体以及工作在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz频段的三频段吸波体的设计模型,通过仿真计算出它们的反射系数和电磁波吸收率随频率变化的曲线,最后对照设计指标要求进一步调节金属贴片尺寸以及加载集总电阻等以获得满足设计要求的双频段、三频段吸波体优化设计。所有设计过程都借助电磁仿真软件HFSS完成。

  关键词:电磁辐射、高频电磁波、吸波屏

  第一章 绪论

  1.1课题研究的背景和意义

  电气技术的应用和发展为我们的生活带来极大的便利,同时也使我们的生产效率得到一定程度的提高。但另一方面,一种新的污染来源也由此产生,它就是电磁辐射。科技越来越发展,而电磁辐射的发展在人们的生活、工作中也越来越普遍,程度越来越深,而世界各地对电磁环境的问题也越来越重视,对电磁辐射对人体伤害的研究也越来越重视;一个新的科学领域则应运而生去解决电磁辐射对人类健康问题的影响及其防护问题,也展开了针对电磁辐射的国际性的合作研究:例如针对300GHz 以下的电磁辐射对人体带来的健康影响问题,世界卫生组织在全球范围发起了“国际电磁场计划”项目。自从国际电磁场计划项目开始发起,世界各地的科学家与职业健康安全专家迅速积极参与响应,促进了电磁辐射危害问题的发展。人们在认识电磁伤害问题,研究电磁辐射对人体伤害问题的过程中,电磁辐射的防护问题也得到了积极的思考。在上个世纪50年代的时候,电磁辐射防护标准的研究在很多的国家都得以开展,其中包括美国和原苏联等国家, 电磁辐射环境中作业者的防护问题则成为研究对象主要 。针对电磁防护的应用背景,国内外已有很多专家学者从不同的方向对吸波屏进行探索,国际上也展开了对吸波屏的广泛研究和应用。

  当今,在国际上有一些有代表性的电磁辐射防护标准,比如国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)导则和美国电子电器工程师协会(IEEE)C95.1。美国、加拿大、澳大利亚、和韩国已经采用了IEEE C95.1标准,而ICNIRP 导则已经被欧盟、日本等国家采纳。而我国在制定相关标准的过程中,以上防护标准及导则也都在某种程度上有被借鉴、参考和采纳。我国的电磁辐射防护体系中包括一系列由卫生部、国家环保总局制订的标准,包括GBZ-1-2002 《工业企业设计卫生标准》、GB 18555-2001 《 作业场所高频电磁场职业接触限值》等[3]。

  电磁波吸波屏的用途很多,比如作为吸波材料用于电磁波屏蔽室,还可以用于电磁波的吸收和电磁场的设计来处理各种电子设备的问题。由于电磁波屏蔽暗室用的电磁波吸波屏本身体积和重量的限制,使得它在民用电子信息产品上的使用造成限制。在军事上已经取得实战上的应用的毫米厚度的电磁波吸波屏但在民用问题上因为很多原因的制约发展比较缓慢,但是在一些比较先进的国家已经有毫米厚度的电磁波吸波屏展示,比如日本和西欧。而国内在这方面的产品还是比较少的。[5]

  1.2 国内外研究现状

  由于电磁吸波材料有十分广阔的应用前景,包括在民用方面和军事方面,一直以来都是国内外相关领域研究学者密切关注的对象。吸波材料微观结构表征能力和制备水平的不断提高和改进使得提升传统材料吸波性能的问题也越来越大。[13]近些年来由于超材料不同寻常的电磁响应特性,使其得到了迅速的发展,同时也使其成为当今世界各国相关学术界的研究热点和前沿。它的好处是能帮助人们从宏观尺度层面上控制和设计材料的电磁响应特性,电磁吸波材料的发展空间由此得到了很大的发展空间。

  目前在电磁波吸波屏问题的研究上处于世界领先水平的国家为美、日、西欧等国家,他们对于民用电磁波吸波屏的研究水平已经达到了毫米厚度。较为领先的吸收体结构是美国研发的一种电磁波吸波屏结构,用于军用隐身飞机,这种结构可以在一个较宽的频率范围内使电磁波的反射系数降低7到10dB。[2]

  我国是从八十年代开始于实验室中研究吸波材料和电磁波吸波屏的,进入相对全面的研究阶段则处在九十年代中后期。和国外的研究水平相比,我国的电磁波吸波屏的研究和材料研究的研究方面大体上还处于探索和模仿水平,但在某些方面我们国家还是取得了不错的发展的,而且融入了本国的一些理念,形成了自己的风格。吸波材料方面的研究是我们的重点研究对象,相对较少涉及的领域是吸收体的设计方法的研究。对于吸收体单层和多层结构的设计是我国研究吸收体设计方法的主要研究方向。但是由于某些特定因素造成了吸波特性降低的影响,比如阻抗匹配、粘合剂加入、材料本身的吸收频带宽度的问题。

  由于客观历史因素,军用TEMPEST技术(Transient Electromagnetic Pulse Emanation Surveillance Technology)的发展处于领先水平,而民用EMC技术(Electro Magnetic Compatibility)发展则相对落后,民用电磁波吸收材料的研究水平也始终落后于军用电磁波吸收材料的研究,电磁波吸波屏的研究情况也是这样。[12]就大体上来看,由于技术发展的要求,单一的电磁材料和结构已不能满足应用的要求,而对电磁波吸波屏的设计和电磁波吸收材料的性能提出了更高标准的要求。在军用电磁波吸收材料的问题上,由窄频带材料、单一频段向宽频带、多频段的方向发展。复合结构和超微细结构也成为重要的发展方向,电磁波吸收结构和新型电磁波吸收材料已经成为热门研究方向。

  W.Tang and Z. Shen在论文《薄宽带电路模拟吸波屏的设计》中详细分析了一种新的薄宽带电路模拟吸波屏的简易设计。该吸波屏由一个印刷在绝缘衬底上的多个金属贴片组成的二维周期阵列所组成,其展示出了多重共振的性能,并且有一个很宽的吸收带宽。测量结果显示:该简易吸波屏有10dB RCS衰减的76%的带宽,且它的厚度是在中心频率处只有自由空间八分之一波长的长度。[1]为了设计一个更宽宽带的吸波屏,多层结构通常会被应用。多层吸波屏的等效输入导纳可以得到优化,以满足宽频率范围内的自由空间导纳。问题是这些多层吸波屏在外形上相对较厚,这会很严重地影响它们的实际应用。利用遗传算法结合周期矩法设计了超薄吸波屏。然而,这种被优化的超薄吸波屏(厚度相当于十分之一或者十五分之一自由空间波长)有一个非常狭窄的带宽。另一方面,超薄吸波屏也可以通过将超材料表面贴在一个完美的导电板上实现。这些吸波屏的高度可以非常小,同时它们的带宽也很窄。[4]

  庞永强,程海峰,周永强,王俊在论文《用等效电路方式分析设计基于线结构的超材料吸波屏》中系统介绍了基于线材的超材料吸收体作为一种简单但通用的人造结构已经从微波到光学频率被广泛研究。为了完全理解本构参数如何影响吸收特性,本文也开发了等效电路模型。分析,数值和实验结果表明,吸收频率是由导线长度和绝缘介质的相对介电常数决定的,而吸收量则是由绝缘介质的厚度和损耗所决定的,包括金属的欧姆损耗和介质的介电损耗。这也解释了为什么小损耗对吸收频率几乎没有影响,但可以导致近统一吸收。[2]最近,由于其在热探测器、光电器件、隐身技术、成像和传感系统等领域的潜在应用,人们对从微波到光学频率的超材料吸收器的设计、制造和测量有着相当大的兴趣。MAs(metamaterial absorbers超材料吸波屏)通常是通过在另一个金属层上方构造一个金属层,这两个金属层之间用超薄(远小于工作波长)介电层隔离开来构造的。同时,利用有效介质理论、干扰理论、和传输线电路模型等理论方法对物理机制进行了解释。然而,他们却未能提供为所期望的超材料吸波屏选择本构参数的基本原则。[6]为了理解本构参数与先进MAs发展过程中的吸收特性之间的关系,我们开发了一种等效电路模型,旨在揭示本构参数对基于金属线结构的超材料吸波屏 (WBMAs:wire-based metamaterial absorbers)的吸收特性的影响。在我们的研究中选择WBMAs有一个特殊的原因。WBMAs具有多用途的吸收性能,如偏振不敏感、入射角宽、吸收接近完美,以及单/多/宽波段吸收。此外,与其他谐振器(例如,分裂环)的MAs相比,WBMAs更容易设计和制造,因此在更高的频率上更可行,比如太赫兹和红外波段。之前有几项研究致力于用等效电路的方法研究这种基于金属丝的超材料结构的共振频率,用于负指数或波吸收。然而,共振响应的损失特征还没有得到充分的研究。相反,我们提出的电路模型可以完全解释本构参数对吸收性能的影响,包括吸收频率和吸光度,并通过数值和实验结果证明。[10]

  李慧,袁丽华,周斌,申晓鹏,程强和崔铁军在论文《超薄多频带千兆赫超材料吸波屏》中提出了超薄多频带超材料吸波屏在一种微波频率上工作在多频带的吸波屏的设计、分析、制造、以及测量是存在的的理论。[7]这种超材料吸波屏由一个不同尺寸的电场耦合LC谐振(ELC)的周期阵列和一个金属底板组成,它们被仅1mm的绝缘介质隔离开。通过调试ELC单元的尺寸因子,我们可以独立实现在不同特定频率上的多重吸收。实验论证了在被设计的频带上的好的吸收率在入射波的宽角度上有横向电场和磁极化。对与这种多频带超材料吸波屏的物理机制的解释在2011年被美国物理学会提出和验证。[9]被知晓作为人工电磁材料的超材料由周期性金属和绝缘介质结构组成。超材料结构已经被证明与电场或磁场结合而产生基于洛伦兹模型的电谐振或磁谐振响应。从有效介质理论中,超材料可以由一个复杂的电介电常数而表征。通过对超材料的单元格单元几何进行裁剪,所需要的介电常数、导磁系数、折射率以及阻抗可以被实现。通过这些特性,能够得到一个不存在于自然界的有效介质,比如负介电常数、负磁导率、负折射率以及零折射率等等。在近几年里,利用有效介质参数的虚分量的超材料吸波屏MMA(metamaterial absorber)的概念引起了科学家的广泛兴趣。[8]在2008年,Landy等人在千兆赫兹(GHz)系统中提出了完美的MMA概念,在这里一个由电谐振和短切线组成的结构被提出来了。电谐振和磁谐振都可以独立产生,这将会限制超材料单元中的电磁(EM)能量。这些电磁能量将通过导电损耗和介电损耗而逐渐消耗。和传统的微波吸波屏相比较,MMA有几个优点。第一,传统的吸波屏被衍射极限所限制,MMA的厚度比传统吸波屏更薄一些,因此MMA可以被用来减小厚度超薄重量超轻金属物体的雷达横截面(RCS)。第二,MMA的制造花费更低而且更简单。然而,,当前的超材料吸波屏(MMA)仍然有不完美之处。因为吸收是由共振引起的,所以吸收的带宽是非常窄的。在最近的几年里,研究人员已经进一步地在研究在GHz(千兆赫兹)和THz(太赫兹)频率范围内的MMA来实现双重工作频带、更宽的带宽和偏振不敏感的MMAs。谷等人在MMA结构里面内嵌电阻去降低Q系数去增加GHz范围内的带宽。Tao等人使用分环共振器和底部金属层结构去实现在THz范围内更高灵活性的材料,其能够在入射波很宽的角度内进行操作横向电和磁辐射。[11]

  1.3 本文内容和章节安排(介绍吸波屏结构、组成材料、需要达到的设计指标)

  本文主要讲解基于电路模拟结构的单频带及多频带薄吸波屏设计。主要研究内容为:1.建立吸波屏的结构模型:主要有金属贴片、金属底板、结缘介质、和空气腔组成。2.当电磁波入射到吸波屏单元时,该单元结构对电磁波进行吸收。我们需要在特定的频率点1.8GHz、2.4GHz、3.5GHz处使得反射系数第一章简要介绍吸波屏研究的背景和意义,说明我们做这项设计的目的意义。第二章介绍基于电路模拟结构的单频带薄吸波屏设计,其中包括单频带吸波屏的电路模型和工作原理,使读者能够简要了解吸波屏的一个形状结构;关键尺寸的初始理论设计,为进行建模时提供相关的理论依据;以及基于HFSS软件对模型的调试和优化,便于通过调试来达到我们的设计目的。第三章讲述了基于电路模拟结构的多频段薄吸波屏设计相关的内容,其中包括多频段吸波屏的工作原理,通过原理的介绍我们系统讲述了双频段吸波屏设计和三频段吸波屏设计的相关内容,包括吸波屏模型和相关的调试结果等讲解。最后在第四章对本次关于基于电路模拟结构的多频带吸波屏的毕业设计的设计进行总结归纳,讲述了自己的设计过程和在此过程中出现的问题,以及对问题的解决方式等,也从本次毕业设计的过程中不断总结和学习,表达对未来的一个美好展望。

  第二章 基于电路模拟结构的单频薄吸波屏设计

  2.1 吸波屏的结构、电路模型和工作原理

  基于电路模拟结构的薄吸波屏单元结构是由一个矩形金属线和一个矩形底部金属板,中间由一个长方体绝缘介质隔离开而构成的,在金属线的中间加有一个集总电阻器,金属线和金属底板分别贴在长方体绝缘介质的上表面和下表面。其单元结构的立体图和主视图如图2.1.1 (a)、(b)所示。

  所研究的基于电路模拟结构的单频带薄吸波屏结构的示意图如图2.1.1所示。金属线通过超薄绝缘介质与底部金属板分离,入射电磁波是平行于金属丝的径向方向从空气腔的顶部向吸波屏单元进行入射。 入射电场/磁场与金属线的径向平行/垂直。 由于底部金属板阻挡电磁波传输,吸波屏对入射的电磁波进行吸收,同时电磁波也发生反射。在这项工作中,WBMA的吸收特性由反射系数表

  从该吸波屏的单元模型出发,我们可以讨论其相应的等效电路模型,其目的是在揭示本构参数对基于线结构的薄吸波屏 (WBMAs)的吸收特性的影响。在我们的研究中选择基于线结构的薄吸波屏有一个特殊的原因,因为WBMAs具有多用途的吸收性能,如偏振不敏感、入射角宽、吸收接近完美,以及单/多/宽波段吸收。此外,与其他谐振器(例如,分裂环)的MAs相比,WBMAs更容易设计和制造,因此在更高的频率上更可行,比如太赫兹和红外波段。

  在吸波屏单元的线板对上累积了相反电荷的示意图,如图2.1.2所示。 显然,在电线和底板之间激发磁共振。 实际上,这种超材料结构也支持电共振模式,但它位于磁共振频率之上,并且我们还注意到相对于相邻导线之间的不同间隙宽度,吸收频率不变。 因此,可以得出结论,磁共振是所考虑的WBMA的主要机制。 在这种情况下,每个线板对可以被认为是一个孤立的类空腔谐振,然后建模为并联LC电路。电感L与平行线板对相关联。电容C在电线和底板之间形成。另外,由于金属和绝缘介质层可能分别导致欧姆和介质损耗,所以

  分别为-34.9445dB和-23.0754dB,其值都小于-10dB,满足要求。同时从两个波形中可以看出,吸波屏都有很宽的带宽,能在中心频率周围很宽的一个频率范围内进行吸波,能实现一个很好的吸收性能。

  第三章 基于电路模拟结构的多频段薄吸波屏设计

  3.1 多频段吸波屏的工作原理

  基于电路模拟(CA)的多频带薄吸波屏是基于多重共振原理的。CA吸波屏是一种二维周期性的单元,在导体衬底上印刷。在每个单元格中,有多个不同长度的贴片,可以在不同的频率上提供多重共振。一个简单的双频吸波屏模型中为一个单元格中加载了两个带有串联电阻的不同长度的贴片;相类似,一个三频吸波屏模型中为一个单元格中加载了三个带有串联电阻的不同长度的贴片。

  正如在图3.2.1中示出了所提出的吸波屏的周期性阵列中的一个单元的几何结构。这种单元的二维周期性阵列印刷在介电常数为3.27且厚度为12.7mm的导体背衬基板上。众所周知,具有两个不同长度贴片的频率选择表面将在两个不同频率处谐振以用于双频带操作。当集总电阻插入这些贴片的中间时,该结构将在其谐振频率处呈现两个吸收间隙。如果这些贴片的尺寸和插入的电阻的值得到适当调整,这两个谐振之间的反射功率将保持在低水平,这将导致较宽的吸收带宽。

  3.2 基于电路模拟结构的双频段薄吸波屏设计

  基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏模型的创建方式和单频类似,不同的是双频吸波屏模型中为一个单元格中加载了两个带有串联电阻的不同长度的金属贴片。这里由2.4GHz和3.5GHz组成的双频带薄吸波屏为例来进行阐述。保持第二章2.4GHz和3.5GHz单频吸波屏尺寸和电阻值不变,把这两个不同长度的金属贴片放入同一个单元结构中,两者间距初定为:

  分别等于17.622dB、-12.4347dB和-28.88dB,其值都小于-10dB,满足设计要求。同时从该波形中可以看出,该吸波屏有很宽的带宽,能在中心频率周围很宽的一个频率范围内进行吸波,能实现一个很好的吸收性能。

  第四章 总结和展望

  两个多月的毕业设计期间让我学到了很多。首先,在文献调研的学习过程中,我认识了我毕业设计的主体,即基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏,以及了解到了与其相关的一些知识,包括吸波屏的在电磁防护和电磁干扰方面的应用背景和现实意义。通过调研研究吸波屏方面的相关知识,我也了解到了关于吸波屏方面的一些国内外的研究现状,和相关问题的解决方案和各种实现的方法。关于理论知识的学习,我了解到了单极子天线方面的理论知识,为接下来吸波屏设计的实践积累了一定的理论知识,通过一些文献方面的学习研究,基于我接下来的研究内容和目标,掌握了基于电路模拟结构的单频带和多频带薄吸波屏设计的相关原理,了解吸波屏的结构形状,以及电路模型。通过理论的学习,确立该设计的方案步骤,以及重要参数的计算。在设计实践过程中我学习了HFSS软件的使用,懂得如何使用HFSS软件进行基于电路模拟结构的单频带以及多频带薄吸波屏设计建模,以及如何利用HFSS软件对模型进行仿真,懂得如何分析仿真结果,及对其进行优化设计,直至满足预期目标要求。当然在此过程中也会不可避免地出现一些问题,比如所建模的吸波屏吸波屏没有预期地那样吸波,以及自己的仿真波形不能够达到自己想要的频率点,还有波形完好的单频吸波屏组合在一起经过调试仍然没有得到想要的多频带波形等问题,在解决这些问题的时候自己确实也会存在某种程度的挫败感,但通过书籍、相关文献资料的查找,以及和同学沟通,自己也在此过程中对设计作品一点点改进,更重要带着相关问题及时和老师进行探讨联系,积极听取老师的意见和建议,在老师的帮助下能够把问题一点点地改进,慢慢循序渐进步入正途,逐步把出现的问题克服,直至达到预期目标,完成该毕业设计。

  通过本次的毕业设计,让我对自己的动手能力得到一定的改进,也逐步发展了自己独立解决问题的能力,为以后的学习打下坚实的基础,也让自己学到了如何把自己的理论知识和实践相结合,使自己学有所用,把自己学到的理论知识转化为生活的实际物品,能够通过学习提升自己,造福社会。

  致谢

  时光荏苒,很快地在苏州大学度过了四年充实的学习和生活时光,对自己的专业电子科学与技术也从一无所知逐渐有了一定程度的掌握和理解,在专业学习的过程中,我由衷地敬佩各位专业老师的学识和才华。跟各位老师学习相处让我我不仅仅掌握了专业知识和技能,做人、做事、做学问的道理方面我也逐渐提高,更加成熟。为此,我对我的母校苏大表示真挚的谢意。在本科毕业论文即将完成之际,我要感谢我的毕设导师杨歆汨老师。在论文撰写的整个过程中,包括论文选题、撰写开题报告、到正文撰写中,杨老师都给予了很多宝贵的意见和建议。在毕业设计作品的完成中,杨老师也不断给予我很多的帮助。杨老师指出的每一个问题,指导的每一个解决问题的思路,都给我启发和指引。给我感受最深的是杨老师严谨治学的态度,无论从格式规范、论文要点、还是文章结构的方面来说,杨老师都不厌其烦给予我最及时的帮忙,使我能够顺利完成论文的撰写工作。

  在此我要感谢苏州大学电子信息学院电科系的所有老师,你们对教育的无私的奉献精神和爱岗敬业的治学态度,不仅仅使我对电子科学与技术专业领域的知识和技能有了更进一步的理解,将理论和自己的将来的工作互相印证,受益匪浅。而且使我能够将所学理论知识应用于对现实问题的分析和解决,继而提高自己的专业水准。

  同时我也要感谢和我同组做毕业设计我的各位同学,是你们的无私帮忙让我感受到校园的爱与温暖,在我的论文撰写过程当中,多位同学为我带给了意见支持,在此对你们一并表示感谢。最后再次感谢苏州大学为我提供了宝贵的学习机会,使我能够走上一个新的阶段,走向更好的人生!

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