基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻帶薄吸波屏設(shè)計(jì)

1、論文題目基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻帶薄吸波屏設(shè)計(jì)目錄中文摘要.1Abstract.2第1章 緒論.41.1.課題研究的背景和意義.41.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.51.3 本文內(nèi)容和章節(jié)安排.8第二章 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻薄吸波屏設(shè)計(jì).92.1 吸波屏的結(jié)構(gòu)、電路模型和工作原理.92.2 2.4GHz單頻吸波屏關(guān)鍵尺寸的初始理論設(shè)計(jì).122.3 基于HFSS的2.4GHz單頻吸波屏調(diào)試和優(yōu)化.14第三章 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻段薄吸波屏設(shè)計(jì).163.1 多頻段吸波屏的工作原理.163.2 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻段薄吸波屏設(shè)計(jì).163.3 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的三頻段薄吸波屏設(shè)計(jì).19第四章 總結(jié)和展望.2

2、2致謝.23參考文獻(xiàn).24中文摘要伴隨著科技的不斷發(fā)展，電磁輻射在生活的各個(gè)方面都取得了廣泛的應(yīng)用。電氣技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為我們的生活帶來(lái)極大的便利，也使我們的生產(chǎn)效率得到一定程度的提高。但另一方面，一種新的污染來(lái)源也由此產(chǎn)生，它就是電磁輻射?？萍荚絹?lái)越發(fā)展，而電磁輻射的發(fā)展在人們的生活工作中也越來(lái)越普遍，程度越來(lái)越深，而世界各地對(duì)電磁環(huán)境的問(wèn)題也越來(lái)越重視，對(duì)電磁輻射對(duì)人體傷害的研究也越來(lái)越重視；一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域則應(yīng)運(yùn)而生去解決電磁輻射對(duì)人類健康。電磁吸波材料由于其在軍事和民用方面都有著十分廣泛的應(yīng)用前景,長(zhǎng)期以來(lái)受到世界各國(guó)研究者的關(guān)注問(wèn)題的影響及其防護(hù)問(wèn)題。目前美、日、西歐國(guó)家在電磁波吸波

3、屏的研究上處于世界領(lǐng)先地位，我國(guó)的吸波材料和電磁波吸波屏的實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)始于80年代，90年代中后期進(jìn)入較全面的研究階段。本文主要完成了基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻帶薄吸波屏的設(shè)計(jì)。首先介紹了基于電路模擬結(jié)構(gòu)的吸波表面的工作原理以及仿真設(shè)計(jì)方法，然后據(jù)此設(shè)計(jì)出三款單頻吸波表面，三款設(shè)計(jì)的中心工作頻率分別在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz，對(duì)正入射電磁波吸收率都達(dá)到90%以上，接著在單頻吸波體的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建出工作在2.4GHz、3.5GHz頻段的雙頻吸波體以及工作在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz頻段的三頻段吸波體的設(shè)計(jì)模型，通過(guò)仿真計(jì)算出它們的反射系數(shù)和電磁波吸收率隨頻率變化的曲線

4、，最后對(duì)照設(shè)計(jì)指標(biāo)要求進(jìn)一步調(diào)節(jié)金屬貼片尺寸以及加載集總電阻等以獲得滿足設(shè)計(jì)要求的雙頻段、三頻段吸波體優(yōu)化設(shè)計(jì)。所有設(shè)計(jì)過(guò)程都借助電磁仿真軟件HFSS完成。關(guān)鍵詞：電磁輻射、高頻電磁波、吸波屏AbstractWith the continuous development of science and technology, electromagnetic radiation has achieved a wide range of applications in all aspects of life. The application and development of electrical

5、 technology has brought great convenience to our lives and has also brought about a certain increase in our production efficiency. But on the other hand, a new source of pollution is also produced. It is electromagnetic radiation. With the development of science and technology, the development of el

6、ectromagnetic radiation has become more and more widespread in people's lives and work. The degree of electromagnetic radiation has become more and more important in the world, and electromagnetic radiation has caused damage to the human body. Research has also become more and more important; a

7、new scientific field has emerged to solve electromagnetic radiation on human health.Electromagnetic wave absorbing materials have a wide range of application prospects in military and civilian fields. For a long time, they have been affected by concerns of researchers from various countries in the w

8、orld and their protection problems. At present, countries in the United States, Japan, and Western Europe are leading the world in the research of electromagnetic wave absorbers. Laboratory research on wave absorbing materials and electromagnetic wave absorbers in China began in the 1980s and entere

9、d the more comprehensive research stage in the mid to late 1990s.This paper mainly completes the design of multi-band thin absorbing screen based on circuit simulation structure. Firstly, the working principle and simulation design method of wave-absorbing surface based on circuit simulation structu

10、re are introduced. Then three single-frequency wave-absorbing surfaces are designed. The center frequencies of the three designs are respectively at 1.8GHz, 2.4GHz and 3.5GHz. The absorption rate of the incident electromagnetic wave is more than 90%, and then the dual-frequency absorbers working in

11、the 2.4GHz and 3.5GHz frequency bands are further constructed on the basis of the single-frequency absorber, and they operate at 1.8GHz, 2.4GHz and 3.5GHz. The design model of the three-band absorbers in the GHz frequency band calculates the reflection and reflectance curves of the electromagnetic w

12、ave absorption rate versus frequency through simulation. Finally, the requirements for further adjustment of the metal patch size and loading of the lumped resistance are compared with the design specifications to achieve Designed for dual-band, three-band absorbers. All design processes are accompl

13、ished with the help of electromagnetic simulation software HFSS.Keywords：Electromagnetic waves、absorber、Electromagnetic radiation第1章 緒論1.1課題研究的背景和意義 電氣技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為我們的生活帶來(lái)極大的便利，同時(shí)也使我們的生產(chǎn)效率得到一定程度的提高。但另一方面，一種新的污染來(lái)源也由此產(chǎn)生，它就是電磁輻射?？萍荚絹?lái)越發(fā)展，而電磁輻射的發(fā)展在人們的生活、工作中也越來(lái)越普遍，程度越來(lái)越深，而世界各地對(duì)電磁環(huán)境的問(wèn)題也越來(lái)越重視，對(duì)電磁輻射對(duì)人體傷害的研究也越來(lái)越重

14、視；一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域則應(yīng)運(yùn)而生去解決電磁輻射對(duì)人類健康問(wèn)題的影響及其防護(hù)問(wèn)題，也展開(kāi)了針對(duì)電磁輻射的國(guó)際性的合作研究：例如針對(duì)300GHz 以下的電磁輻射對(duì)人體帶來(lái)的健康影響問(wèn)題，世界衛(wèi)生組織在全球范圍發(fā)起了“國(guó)際電磁場(chǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目。自從國(guó)際電磁場(chǎng)計(jì)劃項(xiàng)目開(kāi)始發(fā)起，世界各地的科學(xué)家與職業(yè)健康安全專家迅速積極參與響應(yīng)，促進(jìn)了電磁輻射危害問(wèn)題的發(fā)展。人們?cè)谡J(rèn)識(shí)電磁傷害問(wèn)題，研究電磁輻射對(duì)人體傷害問(wèn)題的過(guò)程中，電磁輻射的防護(hù)問(wèn)題也得到了積極的思考。在上個(gè)世紀(jì)50年代的時(shí)候，電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的研究在很多的國(guó)家都得以開(kāi)展，其中包括美國(guó)和原蘇聯(lián)等國(guó)家， 電磁輻射環(huán)境中作業(yè)者的防護(hù)問(wèn)題則成為研究對(duì)象主要

15、60;。針對(duì)電磁防護(hù)的應(yīng)用背景，國(guó)內(nèi)外已有很多專家學(xué)者從不同的方向?qū)ξㄆ吝M(jìn)行探索，國(guó)際上也展開(kāi)了對(duì)吸波屏的廣泛研究和應(yīng)用。當(dāng)今，在國(guó)際上有一些有代表性的電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，比如國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）導(dǎo)則和美國(guó)電子電器工程師協(xié)會(huì)（IEEE）C95.1。美國(guó)、加拿大、澳大利亞、和韓國(guó)已經(jīng)采用了IEEE C95.1標(biāo)準(zhǔn)，而ICNIRP 導(dǎo)則已經(jīng)被歐盟、日本等國(guó)家采納。而我國(guó)在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，以上防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)則也都在某種程度上有被借鑒、參考和采納。我國(guó)的電磁輻射防護(hù)體系中包括一系列由衛(wèi)生部、國(guó)家環(huán)?？偩种朴喌臉?biāo)準(zhǔn)，包括GBZ-1-2002 工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、GB 18555

16、-2001 作業(yè)場(chǎng)所高頻電磁場(chǎng)職業(yè)接觸限值等3。電磁波吸波屏的用途很多，比如作為吸波材料用于電磁波屏蔽室，還可以用于電磁波的吸收和電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)來(lái)處理各種電子設(shè)備的問(wèn)題。由于電磁波屏蔽暗室用的電磁波吸波屏本身體積和重量的限制，使得它在民用電子信息產(chǎn)品上的使用造成限制。在軍事上已經(jīng)取得實(shí)戰(zhàn)上的應(yīng)用的毫米厚度的電磁波吸波屏但在民用問(wèn)題上因?yàn)楹芏嘣虻闹萍s發(fā)展比較緩慢，但是在一些比較先進(jìn)的國(guó)家已經(jīng)有毫米厚度的電磁波吸波屏展示，比如日本和西歐。而國(guó)內(nèi)在這方面的產(chǎn)品還是比較少的。51.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于電磁吸波材料有十分廣闊的應(yīng)用前景，包括在民用方面和軍事方面，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者密切關(guān)

17、注的對(duì)象。吸波材料微觀結(jié)構(gòu)表征能力和制備水平的不斷提高和改進(jìn)使得提升傳統(tǒng)材料吸波性能的問(wèn)題也越來(lái)越大。13近些年來(lái)由于超材料不同尋常的電磁響應(yīng)特性，使其得到了迅速的發(fā)展,同時(shí)也使其成為當(dāng)今世界各國(guó)相關(guān)學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)和前沿。它的好處是能幫助人們從宏觀尺度層面上控制和設(shè)計(jì)材料的電磁響應(yīng)特性,電磁吸波材料的發(fā)展空間由此得到了很大的發(fā)展空間。目前在電磁波吸波屏問(wèn)題的研究上處于世界領(lǐng)先水平的國(guó)家為美、日、西歐等國(guó)家，他們對(duì)于民用電磁波吸波屏的研究水平已經(jīng)達(dá)到了毫米厚度。較為領(lǐng)先的吸收體結(jié)構(gòu)是美國(guó)研發(fā)的一種電磁波吸波屏結(jié)構(gòu)，用于軍用隱身飛機(jī)，這種結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)使電磁波的反射系數(shù)降低7到1

18、0dB。2我國(guó)是從八十年代開(kāi)始于實(shí)驗(yàn)室中研究吸波材料和電磁波吸波屏的，進(jìn)入相對(duì)全面的研究階段則處在九十年代中后期。和國(guó)外的研究水平相比，我國(guó)的電磁波吸波屏的研究和材料研究的研究方面大體上還處于探索和模仿水平，但在某些方面我們國(guó)家還是取得了不錯(cuò)的發(fā)展的，而且融入了本國(guó)的一些理念，形成了自己的風(fēng)格。吸波材料方面的研究是我們的重點(diǎn)研究對(duì)象，相對(duì)較少涉及的領(lǐng)域是吸收體的設(shè)計(jì)方法的研究。對(duì)于吸收體單層和多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是我國(guó)研究吸收體設(shè)計(jì)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響，比如阻抗匹配、粘合劑加入、材料本身的吸收頻帶寬度的問(wèn)題。由于客觀歷史因素，軍用TEMPEST技術(shù)(Tra

19、nsient Electromagnetic Pulse Emanation Surveillance Technology)的發(fā)展處于領(lǐng)先水平，而民用EMC技術(shù)（Electro Magnetic Compatibility）發(fā)展則相對(duì)落后，民用電磁波吸收材料的研究水平也始終落后于軍用電磁波吸收材料的研究，電磁波吸波屏的研究情況也是這樣。12就大體上來(lái)看，由于技術(shù)發(fā)展的要求，單一的電磁材料和結(jié)構(gòu)已不能滿足應(yīng)用的要求，而對(duì)電磁波吸波屏的設(shè)計(jì)和電磁波吸收材料的性能提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。在軍用電磁波吸收材料的問(wèn)題上，由窄頻帶材料、單一頻段向?qū)掝l帶、多頻段的方向發(fā)展。復(fù)合結(jié)構(gòu)和超微細(xì)結(jié)構(gòu)也成為重要的發(fā)

20、展方向，電磁波吸收結(jié)構(gòu)和新型電磁波吸收材料已經(jīng)成為熱門研究方向。W.Tang and Z. Shen在論文薄寬帶電路模擬吸波屏的設(shè)計(jì)中詳細(xì)分析了一種新的薄寬帶電路模擬吸波屏的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)。該吸波屏由一個(gè)印刷在絕緣襯底上的多個(gè)金屬貼片組成的二維周期陣列所組成，其展示出了多重共振的性能，并且有一個(gè)很寬的吸收帶寬。測(cè)量結(jié)果顯示：該簡(jiǎn)易吸波屏有10dB RCS衰減的76%的帶寬，且它的厚度是在中心頻率處只有自由空間八分之一波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。1為了設(shè)計(jì)一個(gè)更寬寬帶的吸波屏，多層結(jié)構(gòu)通常會(huì)被應(yīng)用。多層吸波屏的等效輸入導(dǎo)納可以得到優(yōu)化，以滿足寬頻率范圍內(nèi)的自由空間導(dǎo)納。問(wèn)題是這些多層吸波屏在外形上相對(duì)較厚，這會(huì)很嚴(yán)重

21、地影響它們的實(shí)際應(yīng)用。利用遺傳算法結(jié)合周期矩法設(shè)計(jì)了超薄吸波屏。然而，這種被優(yōu)化的超薄吸波屏（厚度相當(dāng)于十分之一或者十五分之一自由空間波長(zhǎng)）有一個(gè)非常狹窄的帶寬。另一方面，超薄吸波屏也可以通過(guò)將超材料表面貼在一個(gè)完美的導(dǎo)電板上實(shí)現(xiàn)。這些吸波屏的高度可以非常小，同時(shí)它們的帶寬也很窄。4龐永強(qiáng)，程海峰，周永強(qiáng)，王俊在論文用等效電路方式分析設(shè)計(jì)基于線結(jié)構(gòu)的超材料吸波屏中系統(tǒng)介紹了基于線材的超材料吸收體作為一種簡(jiǎn)單但通用的人造結(jié)構(gòu)已經(jīng)從微波到光學(xué)頻率被廣泛研究。為了完全理解本構(gòu)參數(shù)如何影響吸收特性，本文也開(kāi)發(fā)了等效電路模型。分析，數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸收頻率是由導(dǎo)線長(zhǎng)度和絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定的，

22、而吸收量則是由絕緣介質(zhì)的厚度和損耗所決定的，包括金屬的歐姆損耗和介質(zhì)的介電損耗。這也解釋了為什么小損耗對(duì)吸收頻率幾乎沒(méi)有影響，但可以導(dǎo)致近統(tǒng)一吸收。2最近，由于其在熱探測(cè)器、光電器件、隱身技術(shù)、成像和傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，人們對(duì)從微波到光學(xué)頻率的超材料吸收器的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)量有著相當(dāng)大的興趣。MAs（metamaterial absorbers超材料吸波屏）通常是通過(guò)在另一個(gè)金屬層上方構(gòu)造一個(gè)金屬層，這兩個(gè)金屬層之間用超薄(遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng))介電層隔離開(kāi)來(lái)構(gòu)造的。同時(shí)，利用有效介質(zhì)理論、干擾理論、和傳輸線電路模型等理論方法對(duì)物理機(jī)制進(jìn)行了解釋。然而，他們卻未能提供為所期望的超材料吸波屏選擇本

23、構(gòu)參數(shù)的基本原則。6為了理解本構(gòu)參數(shù)與先進(jìn)MAs發(fā)展過(guò)程中的吸收特性之間的關(guān)系，我們開(kāi)發(fā)了一種等效電路模型，旨在揭示本構(gòu)參數(shù)對(duì)基于金屬線結(jié)構(gòu)的超材料吸波屏 (WBMAs:wire-based metamaterial absorbers)的吸收特性的影響。在我們的研究中選擇WBMAs有一個(gè)特殊的原因。WBMAs具有多用途的吸收性能，如偏振不敏感、入射角寬、吸收接近完美，以及單/多/寬波段吸收。此外，與其他諧振器(例如，分裂環(huán))的MAs相比，WBMAs更容易設(shè)計(jì)和制造，因此在更高的頻率上更可行，比如太赫茲和紅外波段。之前有幾項(xiàng)研究致力于用等效電路的方法研究這種基于金屬絲的超材料結(jié)構(gòu)的共振頻率，用

24、于負(fù)指數(shù)或波吸收。然而，共振響應(yīng)的損失特征還沒(méi)有得到充分的研究。相反，我們提出的電路模型可以完全解釋本構(gòu)參數(shù)對(duì)吸收性能的影響，包括吸收頻率和吸光度，并通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明。10李慧，袁麗華，周斌，申曉鵬，程強(qiáng)和崔鐵軍在論文超薄多頻帶千兆赫超材料吸波屏中提出了超薄多頻帶超材料吸波屏在一種微波頻率上工作在多頻帶的吸波屏的設(shè)計(jì)、分析、制造、以及測(cè)量是存在的的理論。7這種超材料吸波屏由一個(gè)不同尺寸的電場(chǎng)耦合LC諧振（ELC）的周期陣列和一個(gè)金屬底板組成，它們被僅1mm的絕緣介質(zhì)隔離開(kāi)。通過(guò)調(diào)試ELC單元的尺寸因子，我們可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)在不同特定頻率上的多重吸收。實(shí)驗(yàn)論證了在被設(shè)計(jì)的頻帶上的好的吸收率在入

25、射波的寬角度上有橫向電場(chǎng)和磁極化。對(duì)與這種多頻帶超材料吸波屏的物理機(jī)制的解釋在2011年被美國(guó)物理學(xué)會(huì)提出和驗(yàn)證。9被知曉作為人工電磁材料的超材料由周期性金屬和絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。超材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明與電場(chǎng)或磁場(chǎng)結(jié)合而產(chǎn)生基于洛倫茲模型的電諧振或磁諧振響應(yīng)。從有效介質(zhì)理論中，超材料可以由一個(gè)復(fù)雜的電介電常數(shù)和一個(gè)復(fù)雜的磁介電常數(shù)而表征。通過(guò)對(duì)超材料的單元格單元幾何進(jìn)行裁剪，所需要的介電常數(shù)、導(dǎo)磁系數(shù)、折射率以及阻抗可以被實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這些特性，能夠得到一個(gè)不存在于自然界的有效介質(zhì)，比如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率以及零折射率等等。在近幾年里，利用有效介質(zhì)參數(shù)的虛分量的超材料吸波屏MMA（metam

26、aterial absorber）的概念引起了科學(xué)家的廣泛興趣。8在2008年，Landy等人在千兆赫茲（GHz）系統(tǒng)中提出了完美的MMA概念，在這里一個(gè)由電諧振和短切線組成的結(jié)構(gòu)被提出來(lái)了。電諧振和磁諧振都可以獨(dú)立產(chǎn)生，這將會(huì)限制超材料單元中的電磁（EM）能量。這些電磁能量將通過(guò)導(dǎo)電損耗和介電損耗而逐漸消耗。和傳統(tǒng)的微波吸波屏相比較，MMA有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，傳統(tǒng)的吸波屏被衍射極限所限制，MMA的厚度比傳統(tǒng)吸波屏更薄一些，因此MMA可以被用來(lái)減小厚度超薄重量超輕金屬物體的雷達(dá)橫截面（RCS）。第二，MMA的制造花費(fèi)更低而且更簡(jiǎn)單。然而，當(dāng)前的超材料吸波屏（MMA）仍然有不完美之處。因?yàn)槲帐怯?/p>

27、共振引起的，所以吸收的帶寬是非常窄的。在最近的幾年里，研究人員已經(jīng)進(jìn)一步地在研究在GHz（千兆赫茲）和THz（太赫茲）頻率范圍內(nèi)的MMA來(lái)實(shí)現(xiàn)雙重工作頻帶、更寬的帶寬和偏振不敏感的MMAs。谷等人在MMA結(jié)構(gòu)里面內(nèi)嵌電阻去降低Q系數(shù)去增加GHz范圍內(nèi)的帶寬。Tao等人使用分環(huán)共振器和底部金屬層結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)在THz范圍內(nèi)更高靈活性的材料，其能夠在入射波很寬的角度內(nèi)進(jìn)行操作橫向電和磁輻射。111.3 本文內(nèi)容和章節(jié)安排（介紹吸波屏結(jié)構(gòu)、組成材料、需要達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)）本文主要講解基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻帶及多頻帶薄吸波屏設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容為：1.建立吸波屏的結(jié)構(gòu)模型：主要有金屬貼片、金屬底板、結(jié)緣介質(zhì)、

28、和空氣腔組成。2.當(dāng)電磁波入射到吸波屏單元時(shí)，該單元結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波進(jìn)行吸收。我們需要在特定的頻率點(diǎn)1.8GHz、2.4GHz、3.5GHz處使得反射系數(shù)都小于-10dB，以此為研究目標(biāo)來(lái)進(jìn)行基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻帶及多頻帶薄吸波屏的設(shè)計(jì)研究。第一章簡(jiǎn)要介紹吸波屏研究的背景和意義，說(shuō)明我們做這項(xiàng)設(shè)計(jì)的目的意義。第二章介紹基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻帶薄吸波屏設(shè)計(jì)，其中包括單頻帶吸波屏的電路模型和工作原理，使讀者能夠簡(jiǎn)要了解吸波屏的一個(gè)形狀結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵尺寸的初始理論設(shè)計(jì)，為進(jìn)行建模時(shí)提供相關(guān)的理論依據(jù)；以及基于HFSS軟件對(duì)模型的調(diào)試和優(yōu)化，便于通過(guò)調(diào)試來(lái)達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目的。第三章講述了基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多

29、頻段薄吸波屏設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容，其中包括多頻段吸波屏的工作原理，通過(guò)原理的介紹我們系統(tǒng)講述了雙頻段吸波屏設(shè)計(jì)和三頻段吸波屏設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，包括吸波屏模型和相關(guān)的調(diào)試結(jié)果等講解。最后在第四章對(duì)本次關(guān)于基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻帶吸波屏的畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)歸納，講述了自己的設(shè)計(jì)過(guò)程和在此過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，以及對(duì)問(wèn)題的解決方式等，也從本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中不斷總結(jié)和學(xué)習(xí)，表達(dá)對(duì)未來(lái)的一個(gè)美好展望。第2章 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻薄吸波屏設(shè)計(jì)2.1 吸波屏的結(jié)構(gòu)、電路模型和工作原理基于電路模擬結(jié)構(gòu)的薄吸波屏單元結(jié)構(gòu)是由一個(gè)矩形金屬線和一個(gè)矩形底部金屬板，中間由一個(gè)長(zhǎng)方體絕緣介質(zhì)隔離開(kāi)而構(gòu)成的，在金屬線的中間加

30、有一個(gè)集總電阻器，金屬線和金屬底板分別貼在長(zhǎng)方體絕緣介質(zhì)的上表面和下表面。其單元結(jié)構(gòu)的立體圖和主視圖如圖2.1.1 (a)、(b)所示。（a）（b）圖2.1.1 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻帶薄吸波屏結(jié)構(gòu) .（a）立體圖，（b）正視圖 所研究的基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻帶薄吸波屏結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2.1.1所示。金屬線通過(guò)超薄絕緣介質(zhì)與底部金屬板分離，入射電磁波是平行于金屬絲的徑向方向從空氣腔的頂部向吸波屏單元進(jìn)行入射。 入射電場(chǎng)/磁場(chǎng)與金屬線的徑向平行/垂直。 由于底部金屬板阻擋電磁波傳輸，吸波屏對(duì)入射的電磁波進(jìn)行吸收，同時(shí)電磁波也發(fā)生反射。在這項(xiàng)工作中，WBMA的吸收特性由反射系數(shù)表征。反射系數(shù)的為反

31、射波和入射波之比，即為，其中是反射波；是入射波。從該吸波屏的單元模型出發(fā)，我們可以討論其相應(yīng)的等效電路模型，其目的是在揭示本構(gòu)參數(shù)對(duì)基于線結(jié)構(gòu)的薄吸波屏 (WBMAs)的吸收特性的影響。在我們的研究中選擇基于線結(jié)構(gòu)的薄吸波屏有一個(gè)特殊的原因，因?yàn)閃BMAs具有多用途的吸收性能，如偏振不敏感、入射角寬、吸收接近完美，以及單/多/寬波段吸收。此外，與其他諧振器(例如，分裂環(huán))的MAs相比，WBMAs更容易設(shè)計(jì)和制造，因此在更高的頻率上更可行，比如太赫茲和紅外波段。在吸波屏單元的線板對(duì)上累積了相反電荷的示意圖，如圖2.1.2所示。 顯然，在電線和底板之間激發(fā)磁共振。 實(shí)際上，這種超材料結(jié)構(gòu)也支持電共

32、振模式，但它位于磁共振頻率之上，并且我們還注意到相對(duì)于相鄰導(dǎo)線之間的不同間隙寬度，吸收頻率不變。 因此，可以得出結(jié)論，磁共振是所考慮的WBMA的主要機(jī)制。 在這種情況下，每個(gè)線板對(duì)可以被認(rèn)為是一個(gè)孤立的類空腔諧振，然后建模為并聯(lián)LC電路。電感L與平行線板對(duì)相關(guān)聯(lián)。電容C在電線和底板之間形成。另外，由于金屬和絕緣介質(zhì)層可能分別導(dǎo)致歐姆和介質(zhì)損耗，所以和電阻被引入到等效電路中，最終的等效電路如圖2.1.3所示。 圖2.1.2 吸波屏單元電荷分布圖 圖2.1.3 吸波屏單元的等效電路圖由圖3所示的等效電路我們可以求出WBMA的表面阻抗的表達(dá)式如公式（2-1-1）所示。 （2-1-1）對(duì)公式（2-1-

33、1）進(jìn)行一些代數(shù)運(yùn)算后，我們可以得到表面阻抗的實(shí)部和虛部: （2-1-2） （2-1-3）從阻抗匹配的角度來(lái)看，在吸收頻率處，由公式（2-1-3）表示的等效電抗應(yīng)該等于零。 因此，吸收頻率可以由Im Z = 0導(dǎo)出為： （2-1-4）該表達(dá)式表明不僅電感和電容對(duì)吸收頻率有影響，而且和的損耗項(xiàng)對(duì)吸收頻率也有影響。 但是，由于金屬和介質(zhì)層的損耗很小，正如電路參數(shù)所示，可使得和，所以公式（2-1-4）中和的項(xiàng)可以忽略。 因此，它可以簡(jiǎn)化為。那么吸收頻率可以表達(dá)為: （2-1-5）此外，對(duì)于圖2.1.3所示的電路模型中的集總參數(shù)，電容可以通過(guò)并聯(lián)電容器的公式近似為 而電感可近似為，其中絕緣介質(zhì)的。在考

34、慮到這些近似關(guān)系的情況下，公式（2-1-5）更進(jìn)一步可以近似為： （2-1-6）從公式（2-1-6）中可以知道金屬貼片的長(zhǎng)度和絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)是影響吸收頻率的因素。當(dāng)確定好所用絕緣介質(zhì)的種類后，其相應(yīng)的參數(shù)也被確定。而此時(shí)金屬線的長(zhǎng)度成為影響吸收頻率的主要因素。金屬線長(zhǎng)度:，由于已知傳輸線上的波長(zhǎng)和自由空間波長(zhǎng)之間的關(guān)系：，其中是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，和在自由空間中波長(zhǎng)、頻率、和波速之間的關(guān)系：，我們可以得出金屬線的長(zhǎng)度公式為： （2-1-7）由于要在金屬線的中間加上一個(gè)集總電阻，則相當(dāng)于把金屬線從中間斷開(kāi)，那么此時(shí)每個(gè)金屬線的長(zhǎng)度為。吸收頻率是由導(dǎo)線長(zhǎng)度和間隔電磁參數(shù)決定的，而吸收層則由

35、間隔的厚度和損耗所決定，其中包括金屬的歐姆損耗和間隔的介質(zhì)損耗。2.2 2.4GHz單頻吸波屏關(guān)鍵尺寸的初始設(shè)計(jì)由于要求的諧振點(diǎn)為2.4GHz處，所以根據(jù)2.1節(jié)的原理分析，首先選取其初始尺寸結(jié)構(gòu)如圖2.1.1(a)所示。其中，矩形介質(zhì)層在軸方向的長(zhǎng)度為，在軸方向長(zhǎng)度為，介質(zhì)厚度，絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為3.27。集總電阻貼片設(shè)為邊長(zhǎng)為的正方形，待對(duì)其進(jìn)行集總邊界條件設(shè)定。由公式（2-1-7）進(jìn)行理論計(jì)算，得到金屬線的長(zhǎng)度約為，金屬線寬度預(yù)設(shè)為。HFSS仿真時(shí)，在結(jié)構(gòu)單元外設(shè)置空氣腔長(zhǎng)方體，長(zhǎng)、寬分別為和。其高度為（為空氣腔上表面到絕緣介質(zhì)上表面之間的距離），的值是根據(jù)其要高于，經(jīng)理論計(jì)算值

36、預(yù)定為。完成圖如圖2.2.1所示。圖2.2.1 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻薄吸波屏仿真模型圖然后設(shè)置激勵(lì)和邊界條件：在空氣腔的頂部設(shè)置Floquet端口激勵(lì)，四周和方向設(shè)置兩個(gè)主從邊界條件。同時(shí)對(duì)金屬貼片和底部金屬板設(shè)置理想導(dǎo)體邊界條件。而集總電阻值的設(shè)定是通過(guò)對(duì)其設(shè)置Lumped 邊界條件，其值預(yù)定為=50歐姆。然后進(jìn)行仿真求解設(shè)置和掃描設(shè)置，完成仿真有效性驗(yàn)證及有效計(jì)算，查看仿真結(jié)果如圖2.2.2所示。圖2.2.2 基于模擬電路的2.4GHz單頻薄吸波屏初始仿真波形分析：通過(guò)觀察波形發(fā)現(xiàn)最小值所在的頻率點(diǎn)不在2.4GHz，但在2.4GHz處附近，于是可以對(duì)金屬線寬度進(jìn)行掃描 。進(jìn)行參數(shù)掃描設(shè)置

37、，的范圍為從1mm到5mm，間隔為1mm，然后進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖2.2.3所示。圖2.2.3 對(duì)寬度進(jìn)行1到5mm的參數(shù)掃描分析結(jié)果圖分析：由圖2.2.3參數(shù)掃描分析結(jié)果圖中可以看出的值為2或3mm時(shí)，波形最低點(diǎn)所在的頻率點(diǎn)不變，但=3時(shí)反射系數(shù)減小。當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)，波形最低點(diǎn)所在的頻率點(diǎn)則減小，和預(yù)期結(jié)果不符。所以寬度則確定為=3mm。當(dāng)求1.8GHz和3.5GHz吸波屏的關(guān)鍵尺寸的初始設(shè)計(jì)時(shí)，方法和步驟與上述2.4GHz吸波屏的方法和步驟類似。在此不重復(fù)敘述，最終得到的初始尺寸為：1.8GHz時(shí)：，；3.5GHz時(shí)：，。2.3 基于HFSS的2.4GHz單頻吸波屏調(diào)試和優(yōu)化由2.2已確定

38、關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)尺寸。然后調(diào)整集總參數(shù)值來(lái)調(diào)試波形，試圖使波形滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)更改集總電阻值的時(shí)候，觀察到：在一定頻率范圍內(nèi)，當(dāng)值越大，波形最低點(diǎn)所在的頻率值越大，且反射系數(shù)值越小。通過(guò)調(diào)整后觀察的波形圖，最終確定的電阻值為55歐姆。而最終得到的波形圖如圖2.3.1所示： 圖2.3.1 基于模擬電路的2.4GHz單頻薄吸波屏仿真波形分析：從圖2.3.1基于模擬電路的2.4GHz單頻薄吸波屏仿真波形圖中可以看出，在頻率為2.4GHz處，反射系數(shù)等于-18.5686dB，其值小于-10dB，滿足要求。同時(shí)從該波形中可以看出，該吸波屏有很寬的帶寬，能在中心頻率周圍很寬的一個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行吸波，能實(shí)現(xiàn)

39、一個(gè)很好的吸收性能。同理，在對(duì)應(yīng)的模型中通過(guò)調(diào)整集總電阻的值，最終確定兩個(gè)集總電阻值分別為50歐姆和55歐姆。1.8GHz和3.5GHz單頻薄吸波屏仿真波形的優(yōu)化結(jié)果圖如圖2.3.2和圖2.3.3所示。圖2.3.2 基于模擬電路的1.8GHz單頻薄吸波屏仿真波形圖2.3.3 基于模擬電路的3.5GHz單頻薄吸波屏仿真波形分析：從圖2.3.2和圖2.3.3基于模擬電路的1.8GHz和3.5GHz單頻薄吸波屏仿真波形圖中可以看出，在頻率為1.8GHz和3.5GHz處，反射系數(shù)分別為-34.9445dB和-23.0754dB，其值都小于-10dB，滿足要求。同時(shí)從兩個(gè)波形中可以看出，吸波屏都有很寬的

40、帶寬，能在中心頻率周圍很寬的一個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行吸波，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)很好的吸收性能。第3章 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻段薄吸波屏設(shè)計(jì)3.1 多頻段吸波屏的工作原理基于電路模擬(CA)的多頻帶薄吸波屏是基于多重共振原理的。CA吸波屏是一種二維周期性的單元，在導(dǎo)體襯底上印刷。在每個(gè)單元格中，有多個(gè)不同長(zhǎng)度的貼片，可以在不同的頻率上提供多重共振。一個(gè)簡(jiǎn)單的雙頻吸波屏模型中為一個(gè)單元格中加載了兩個(gè)帶有串聯(lián)電阻的不同長(zhǎng)度的貼片；相類似，一個(gè)三頻吸波屏模型中為一個(gè)單元格中加載了三個(gè)帶有串聯(lián)電阻的不同長(zhǎng)度的貼片。正如在圖3.2.1中示出了所提出的吸波屏的周期性陣列中的一個(gè)單元的幾何結(jié)構(gòu)。這種單元的二維周期性陣列印刷在

41、介電常數(shù)為3.27且厚度為12.7mm的導(dǎo)體背襯基板上。眾所周知，具有兩個(gè)不同長(zhǎng)度貼片的頻率選擇表面將在兩個(gè)不同頻率處諧振以用于雙頻帶操作。當(dāng)集總電阻插入這些貼片的中間時(shí)，該結(jié)構(gòu)將在其諧振頻率處呈現(xiàn)兩個(gè)吸收間隙。如果這些貼片的尺寸和插入的電阻的值得到適當(dāng)調(diào)整，這兩個(gè)諧振之間的反射功率將保持在低水平，這將導(dǎo)致較寬的吸收帶寬。3.2 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻段薄吸波屏設(shè)計(jì)基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻帶薄吸波屏模型的創(chuàng)建方式和單頻類似，不同的是雙頻吸波屏模型中為一個(gè)單元格中加載了兩個(gè)帶有串聯(lián)電阻的不同長(zhǎng)度的金屬貼片。這里由2.4GHz和3.5GHz組成的雙頻帶薄吸波屏為例來(lái)進(jìn)行闡述。保持第二章2.4GHz和

42、3.5GHz單頻吸波屏尺寸和電阻值不變，把這兩個(gè)不同長(zhǎng)度的金屬貼片放入同一個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，兩者間距初定為：=20mm，其余參量值不變（介質(zhì)的厚度參數(shù)為）。創(chuàng)建完成后的模型如圖3.2.1所示。圖3.2.1 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻帶薄吸波屏模型同樣仿真時(shí)，創(chuàng)建空氣腔，尺寸和單頻時(shí)保持不變。創(chuàng)建完成的仿真模型如圖3.2.2所示。圖3.2.2 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻薄吸波屏仿真模型圖對(duì)該模型設(shè)置激勵(lì)和邊界條件，進(jìn)行仿真求解設(shè)置和掃描設(shè)置，完成仿真有效性驗(yàn)證及有效計(jì)算，設(shè)置方法步驟和單頻一樣，這里不重復(fù)敘述。完成后查看仿真結(jié)果如圖3.2.3所示。圖3.2.3 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻帶薄吸波屏模型的初始仿真

43、波形通過(guò)觀察如圖3.2.3的波形圖，波形兩個(gè)反射系數(shù)最低點(diǎn)所在的頻率點(diǎn)都沒(méi)有在預(yù)期的頻率點(diǎn)上，則對(duì)金屬貼片的寬度進(jìn)行掃描分析來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)都進(jìn)行1到4mm的掃描，掃描頻率間隔為1mm。掃描結(jié)果為如圖3.2.4所示：圖3.2.4 的掃描結(jié)果圖對(duì)都進(jìn)行1.5到4mm的掃描，掃描頻率間隔為0.5mm。掃描結(jié)果為如圖3.2.5所示：圖3.2.5 的掃描結(jié)果圖最終確定的金屬貼片的寬度為=2mm，=3.5mm。然后通過(guò)調(diào)整集總電阻值來(lái)對(duì)波形進(jìn)行調(diào)試，直至波形滿足預(yù)期目標(biāo)。最終確定的集總電阻值為為55歐姆, 為120歐姆。而最終得到的波形圖如圖3.2.6所示： 圖3.2.6 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻帶薄吸波屏

44、模型的仿真波形分析：從圖3.2.6基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻帶薄吸波屏模型的仿真波形中可以看出，在2.4GHz和3.5GHz頻率處，反射系數(shù)分別等于-20.5631dB和-17.5627dB，其值都小于-10dB，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)從該波形中可以看出，該吸波屏有很寬的帶寬，能在中心頻率周圍很寬的一個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行吸波，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)很好的吸收性能。3.3 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的三頻段薄吸波屏設(shè)計(jì)基于電路模擬結(jié)構(gòu)的三頻帶薄吸波屏模型的創(chuàng)建方式和雙頻類似，不同的是三頻吸波屏模型中為一個(gè)單元格中加載了三個(gè)帶有串聯(lián)電阻的不同長(zhǎng)度的金屬貼片。由理論計(jì)算得出,。寬度和和的調(diào)整方式和雙頻類似。創(chuàng)建完成后的模型如圖3.3

45、.1所示。圖3.3.1 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的三頻帶薄吸波屏模型對(duì)該模型進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程與雙頻帶模型的仿真過(guò)程類似，這里不再重新敘述。仿真完成后，通過(guò)觀察仿真波形，對(duì)該波形進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化直到獲得所滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的仿真波形圖，結(jié)果如圖3.3.2所示。圖3.3.2 基于電路模擬結(jié)構(gòu)的雙頻帶薄吸波屏模型的仿真波形分析：從圖3.3.2基于電路模擬結(jié)構(gòu)的三頻帶薄吸波屏模型的仿真波形中可以看出，在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz頻率處，反射系數(shù)分別等于17.622dB、-12.4347dB和-28.88dB，其值都小于-10dB，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)從該波形中可以看出，該吸波屏有很寬的帶寬，能在中心

46、頻率周圍很寬的一個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行吸波，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)很好的吸收性能。第四章 總結(jié)和展望兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間讓我學(xué)到了很多。首先，在文獻(xiàn)調(diào)研的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我認(rèn)識(shí)了我畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體，即基于電路模擬結(jié)構(gòu)的多頻帶薄吸波屏，以及了解到了與其相關(guān)的一些知識(shí)，包括吸波屏的在電磁防護(hù)和電磁干擾方面的應(yīng)用背景和現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)調(diào)研研究吸波屏方面的相關(guān)知識(shí)，我也了解到了關(guān)于吸波屏方面的一些國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，和相關(guān)問(wèn)題的解決方案和各種實(shí)現(xiàn)的方法。關(guān)于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，我了解到了單極子天線方面的理論知識(shí)，為接下來(lái)吸波屏設(shè)計(jì)的實(shí)踐積累了一定的理論知識(shí)，通過(guò)一些文獻(xiàn)方面的學(xué)習(xí)研究，基于我接下來(lái)的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，掌握了基于電路模

47、擬結(jié)構(gòu)的單頻帶和多頻帶薄吸波屏設(shè)計(jì)的相關(guān)原理，了解吸波屏的結(jié)構(gòu)形狀，以及電路模型。通過(guò)理論的學(xué)習(xí)，確立該設(shè)計(jì)的方案步驟，以及重要參數(shù)的計(jì)算。在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中我學(xué)習(xí)了HFSS軟件的使用，懂得如何使用HFSS軟件進(jìn)行基于電路模擬結(jié)構(gòu)的單頻帶以及多頻帶薄吸波屏設(shè)計(jì)建模，以及如何利用HFSS軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，懂得如何分析仿真結(jié)果，及對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至滿足預(yù)期目標(biāo)要求。當(dāng)然在此過(guò)程中也會(huì)不可避免地出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如所建模的吸波屏吸波屏沒(méi)有預(yù)期地那樣吸波，以及自己的仿真波形不能夠達(dá)到自己想要的頻率點(diǎn)，還有波形完好的單頻吸波屏組合在一起經(jīng)過(guò)調(diào)試仍然沒(méi)有得到想要的多頻帶波形等問(wèn)題，在解決這些問(wèn)題的時(shí)候自

48、己確實(shí)也會(huì)存在某種程度的挫敗感，但通過(guò)書籍、相關(guān)文獻(xiàn)資料的查找，以及和同學(xué)溝通，自己也在此過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)作品一點(diǎn)點(diǎn)改進(jìn)，更重要帶著相關(guān)問(wèn)題及時(shí)和老師進(jìn)行探討聯(lián)系，積極聽(tīng)取老師的意見(jiàn)和建議，在老師的幫助下能夠把問(wèn)題一點(diǎn)點(diǎn)地改進(jìn)，慢慢循序漸進(jìn)步入正途，逐步把出現(xiàn)的問(wèn)題克服，直至達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，完成該畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過(guò)本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)自己的動(dòng)手能力得到一定的改進(jìn)，也逐步發(fā)展了自己獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，為以后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也讓自己學(xué)到了如何把自己的理論知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合，使自己學(xué)有所用，把自己學(xué)到的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為生活的實(shí)際物品，能夠通過(guò)學(xué)習(xí)提升自己，造福社會(huì)。參考文獻(xiàn)1劉凌云，張政軍，劉力鑫.基于集總電阻的寬帶超材料吸波屏研究J.微波學(xué)報(bào)，2016，32(5)：50-54.2魯磊，屈紹波，施宏宇，等.寬帶透射吸收極化無(wú)關(guān)超材料吸波體J.物理學(xué)報(bào)，2014，63(2)：344-349.3李明洋.HFSS天線設(shè)計(jì)M.電子工業(yè)出版社, 2011: 28-96.4高振儒.復(fù)合材料雷體電磁屏蔽與吸波性能研究D. 南京理工大學(xué), 2015.5龐永強(qiáng).電磁吸波超材料理論與設(shè)計(jì)研究D. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2015.6 Kaur H, Aul G D,