薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里

摘要

一种薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里，所述薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里由按照阵列排列的吸波单元构成，所述吸波单元包括一层或叠加在一起的多层电磁带隙结构，在最上层的电磁带隙结构上设有泡沫尖锥，所述的泡沫尖锥包括设在最上层的电磁带隙结构上的泡沫底座，在泡沫底座上设有锥形泡沫。在本实施例中，在泡沫底座上设有锥形泡沫环，且所述锥形泡沫设在锥形泡沫环内。锥形泡沫的高度大于锥形泡沫环的高度。叠加在一起的多层电磁带隙结构采用二到四层电磁带隙结构。仿真结果显示，在总体衬里厚度不超过5cm的情况下可以在0.6GHz至3GHz可达到至少-15dB的反射系数。

说明书

技术领域

本发明涉及微波暗室领域，是一种薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里，该衬 里把锥形泡沫材料和有损电磁带隙结构相结合，获得了良好的宽带吸收特性，同时 减少了材料厚度和重量，适用于小型微波暗室等空间紧凑场合的应用。

背景技术

微波暗室是一种采用特殊设计来减少电磁波反射和外来干扰的房间，能够较好 的模拟自由空间测试条件，主要用于天线、雷达和电磁干扰特性等微波测量。微波 暗室的设计关键在于墙体衬里材料的性能，采用的衬里材料通常分为两种，锥形泡 沫和铁氧体瓦片。锥形泡沫包括角锥、圆锥和楔形结构等，材料多为混有碳粉的聚 氨酯等聚合物，入射波在照射到结构表面时由于角度原因会在相邻的斜面之间发生 多次反射，每次反射都会被材料吸收一部分能量，从材料底部反射回来的时候又会 经过同样的反射和吸收，使得最终只有极少部分能量离开结构表面。这种锥形泡沫 结构带宽大，损耗高，但是由于要求锥体高度至少是波长的数倍，因此体积巨大， 需要占用大量的暗室空间。铁氧体瓷砖通常是由铁氧体材料制成的方形瓷砖，它主 要利用入射波在瓷砖和金属墙体表面的反射相互抵消而在某个波段形成谐振，同时 利用材料本身的磁滞损耗和介电损耗吸收能量。铁氧体材料的体积较小，低频特性 好，但是材料密度过大且高频吸收特性不佳。由于衬里材料的特性直接影响微波暗 室的性能，因此国外研究人员做了大量的工作改善材料的吸波性能，包括吸收增强 的螺旋角锥和切比雪夫角锥，带宽增强的角锥瓷砖结构等等。这些改进虽然提高了 衬里材料的性能，但是并没有显著减小材料的体积和重量，因此只适用于有较大空 间的微波暗室。这种传统的微波暗室的性能优秀，通用性广，然而造价十分高昂。 对于一些针对性的特殊测试例如窄带小型天线测试而言，可以采用成本低廉的小型 微波暗室，如何为小型微波暗室设计薄型宽带的衬里材料，就成为了一个十分重要 的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有微波暗室的墙体衬里材料的不足，提出 了一种薄型复合多层带隙墙体衬里材料，本发明有效的提高了材料的吸收损耗和带 宽且有利于调整衬里材料的峰值吸收特性。

技术方案：

一种薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里，所述薄型复合多层带隙微波暗室墙 体衬里由按照阵列排列的吸波单元构成，所述吸波单元包括一层或叠加在一起的多 层电磁带隙结构，在最上层的电磁带隙结构上设有泡沫尖锥，所述的泡沫尖锥包括 设在最上层的电磁带隙结构上的泡沫底座，在泡沫底座上设有锥形泡沫。在本实施 例中，在泡沫底座上设有锥形泡沫环，且所述锥形泡沫设在锥形泡沫环内。锥形泡 沫的高度大于锥形泡沫环的高度。叠加在一起的多层电磁带隙结构采用二到四层电 磁带隙结构。

本发明用于微波暗室的墙体衬里材料，该材料包含锥形泡沫和有损带隙结构， 锥形泡沫位于材料外层，带隙结构位于里层，二者形成多层结构。锥形泡沫的吸收 主要由尖锥的高度和宽度决定。微波在进入墙体衬里材料的过程中，电磁波的空间 阻抗会发生变化，即

$Z=Z_0\sqrt{\frac{\mu }{ϵ}}\tanh \left(2\mathrm{\pi j}\frac{d}{\lambda }\sqrt{\mathrm{\mu ϵ}}\right)---\left(1\right)$

其中μ和ε分别为复介电常数和复导磁率，λ为波长，d为厚度。尖锥高度的 变化在空间上匹配电磁波的空间阻抗变化以减小反射，尖锥结构同时会影响吸收损 耗峰值的位置。带隙结构的吸收主要由谐振频率和阻抗决定，并且可以通过不同谐 振频率的带隙结构进行重叠以获得更高的带宽。谐振频率可以通过计算带隙结构的 等效阻抗Z_EBG得到，即

$Z_{\mathrm{EBG}}=R-j\left(\frac{1-{\omega }^2\mathrm{LC}}{\mathrm{\omega C}}\right)---\left(2\right)$

结构的表面阻抗Z_R为

$Z_R=\frac{Z_d{Z}_{\mathrm{EBG}}}{(Z_d+Z_{\mathrm{EBG}})}---\left(3\right)$

对于频率选择表面的带隙结构而言，

$\mathrm{Re}\left(Z_R\right)=\frac{{\mathrm{RZ}}_d^2}{{[\frac{1-{\omega }^2\mathrm{LC}}{\mathrm{\omega C}}-Z_d]}^2+R^2}---\left(4\right)$

其中RLC是等效RLC电路的集总参数，Z_d为介质层的表面阻抗。

尖锥和带隙的复合材料在结构上形成更多不同层之间地谐振条件和吸收路程， 通过调节衬里材料的参数，可以改变材料的吸收损耗频段的位置和吸收损耗的大 小。

有益效果：与背景技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1、本衬里材料采用尖锥泡沫和有损电磁带隙材料相叠加，通过集总参数模型 或者有损等效传输线模型来计算和调整有损电磁带隙材料的阻抗使之与尖锥泡沫匹 配，从而使得尖锥泡沫底面与外界阻抗失配而形成的反射面消失。这个的作用的结 果一方面使得入射微波的直接反射量减少，反射路径从泡沫底面延伸至电磁带隙材 料底面，从而增加了反射形成的路径损耗；另一方面，对于满足半波长厚度条件的 入射波，尖锥表面与电磁带隙底面形成新的谐振条件，产生Floquet模式，从而增加 了更多波长数目的谐振损耗。两者共同作用的效果提高了材料的吸收损耗和带宽， 同时较好的保持了两种分立材料各自在高频和低频的良好吸收特性。仿真结果如图 11所示，实线为本复合衬里材料的反射曲线，虚线是微波先后经过相隔距离数个λ的 两种分立材料的反射曲线，可以明显看出，由于路径损耗和低频谐振的增加，使得 本复合材料的低频吸收峰值左移，且整体损耗更为平稳，在总体衬里厚度不超过5cm 的情况下可以在0.6GHz至3GHz可达到至少-15dB的反射系数。

2、采用锥形泡沫和锥形泡沫环结构的泡沫结构，可以通过锥形泡沫和不同锥 形泡沫环的高度的组合来改变材料损耗的峰值位置，从而可以通过更换泡沫尖锥组 合的方式来调整衬里材料的峰值吸收特性。如图12所示，本发明所示例的尖锥结构 在0.5λ高度3GHz的情况下吸收损耗的峰值位置变化幅度超过15％带宽。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里示例的侧视图。

图2是衬里材料上部的锥形泡沫的顶视图。

图3是衬里材料上部的锥形泡沫的透视图。

图4是衬里材料中部的带隙结构示例的顶视图。

图5是衬里材料中部的带隙结构示例的透视图。

图6是衬里材料下部的带隙结构示例的顶视图。

图7是衬里材料下部的带隙结构示例的透视图。

图8为一维布拉格结构的电磁带隙结构的顶视图。

图9为二维十字结构的电磁带隙结构的顶视图。

图10为二维蜂窝缺陷结构的电磁带隙结构的顶视图。

图11为本发明的复合墙体衬里与分立的泡沫和带隙结构的反射特性的对比。

图12为本发明的泡沫尖锥结构在锥形泡沫环高度变化的情况下吸收损耗的峰值 的随频率改变的情况。

图13为相同宽度和锥角的圆锥结构在锥高变化的情况下吸收损耗的峰值的随频 率改变的情况。

图中有：泡沫尖锥1，锥形泡沫13，锥形泡沫环12，泡沫底座11，有损电磁带隙 结构2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得 更加明显。

一种薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里，所述薄型复合多层带隙微波暗室墙 体衬里由按照阵列排列的吸波单元构成，所述吸波单元包括一层或叠加在一起的多 层电磁带隙结构2，在最上层的电磁带隙结构上设有泡沫尖锥1，所述的泡沫尖锥1 包括设在最上层的电磁带隙结构上的泡沫底座11，在泡沫底座11上设有锥形泡沫 13。在本实施例中，在泡沫底座11上设有锥形泡沫环12，且所述锥形泡沫13设在锥 形泡沫环12内。锥形泡沫13的高度大于锥形泡沫环12的高度。叠加在一起的多层电 磁带隙结构2采用二到四层电磁带隙结构。

图1所示是薄型复合多层带隙微波暗室墙体衬里示例的侧视图。如图所示，该 材料包括泡沫尖锥1与两层电磁带隙结构2相叠加成为一个整体。泡沫尖锥材料可以 采用图中所示结构或者圆锥、方锥、楔形等传统结构，材料可采用碳组分的聚氨酯 或者其它类型的有损吸收介质。电磁带隙结构2包括任意一维、二维和二维缺陷的 频率选择表面和周期谐振结构，例如布拉格圆环、十字形、蜂窝形、CM蘑菇形等。 有损电磁带隙结构包含有损导电材料和介质衬底两部分。有损导电材料采用有损导 体例如导电介质、含碳材料，采用PCB或者油墨印刷技术制作，介质衬底可采用FR4 或者其它有损介质。带隙材料的层数不宜超过四层。各层材料之间可采用介电常数 接近空气的硬质泡沫介质如PMI相连接。带隙位置主要由相邻电磁带隙结构之间的 容抗和介质层的感抗共同决定。对于简单的带隙结构如方形，可以采用集总参数等 效电路的方法确定参数，对于复杂结构可以采用全波模拟仿真然后从结果中构建等 效传输线模型的方法。结构参数的优化选择可以采用各种优选算法例如遗传算法 等。材料整体设计完成后，可采用多层结构的矩量法等进行模拟仿真。

图2和图3所示是泡沫尖锥1的顶视图和透视图。如图所示，泡沫尖锥1包含 一个锥形泡沫13和一个锥形泡沫环12。锥形泡沫13为圆锥结构，或者是任意与垂 直底座11的中轴共面且与中轴和底座11相交的曲线段，以交点为顶点，底座11 为底面，绕中轴旋转而成的类圆锥的中轴对称的旋转体结构。锥形泡沫环12由一个 较大的正圆台中央掏空一个较小的倒圆台而形成一个环形山结构，或者是任意两条 相交并且与锥形泡沫13中轴共面的、与底座11相交的曲线段，以曲线交点为顶点， 底座11为底面，绕锥形泡沫1中轴旋转而成的类环形山结构。锥形泡沫13可以和 多个锥形泡沫环12的不同高度变化的组合，能够改变电磁波行进方向的阻抗变化和 匹配，而且与不同高度的圆锥组合相比，锥形泡沫13和锥形泡沫环12的组合在每 个单元的空间上的变化上更加均匀。由于空间结构的复杂性的增加，尖锥的高度对 吸收损耗的峰值的频段位置影响增大，可以通过锥形泡沫13和不同锥形泡沫环12 高度的组合来改变材料损耗的峰值位置，从而可以通过更换泡沫尖锥组合的方式来 调整衬里材料的峰值吸收特性。对于多个锥形泡沫环结构，锥形泡沫13和锥形泡沫 环12高度的选择可以采用等效阻抗变换例如切比雪夫变换等以获得更小的反射。锥 体的高度和宽度不宜小于0.5λ且不宜大于15λ。材料可采用碳组分的聚氨酯或者 其它类型的有损吸收介质。

图4，图5，图6和图7所示是有损电磁带隙结构2的顶视图和透视图。由于 电磁带隙结构有很多种，图中仅以电阻型环形频率选择表面带隙结构作为示例加以 说明。它包括介质衬底和设置于衬底之上的有损导电材料，有损导电材料为方环形 结构的电阻性薄膜，主要成份为无定形碳，厚度远小于波长，衬底通常为相对介电 常数较高(4～10)的介质。与无损材料构成的带隙结构不同，除了结构的周期、介质 的厚度等重要参数之外，材料本身的等效阻抗应当与空间自由阻抗相同或接近，以 最大程度减小反射。有损电磁带隙结构的等效阻抗可以通过改变表面的有损导电材 料的电导率和表面积来调整，对于简单的方形结构可以用以下集总参数模型的简化 公式计算

$R\approx R_S\frac{S}{A}---\left(5\right)$

其中R_S为有损导体的表面阻抗，A为它的面积，S为衬底的面积；对于方环或十字 架结构，考虑到结构在沿电场方向不是均匀变化，A的取值比实际偏小；更复杂的 结构或者严格的求解，通常可将有损带隙结构等效为传输线模型，用全波仿真计算 功率传输损耗来计算等效阻抗。

图8，图9和图10为电磁带隙结构2的几种示例，包括一维、二维和二维缺陷等。 根据各自的特点，这些结构在带隙，损耗，偏振特性等方面各有不同，根据具体情 况都可以应用于吸波单元以获得不同的吸收性能。

图11所示的是图1所示结构中本发明的复合墙体衬里与分立的泡沫和带隙结构 的反射特性的对比。实线为本复合衬里材料的反射曲线，虚线是微波先后经过相隔 数个λ的两种分立材料的反射曲线，可以明显看出，由于路径损耗和谐振强度的增 加，使得本复合材料的低频吸收峰值左移，且整体损耗更为平稳，在总体衬里厚度 不超过5cm的情况下可以在0.6GHz至3GHz可达到至少-15dB的反射系数。

图12为本发明的泡沫尖锥1在锥形泡沫环12高度变化的情况下吸收损耗的峰值 的随频率改变的情况。图13为相同宽度和锥角的圆锥结构在锥高变化的情况下吸收 损耗的峰值的随频率改变的情况。从图中对比可看出，图11的频率的变化超过15％ 带宽，即0.7GHz，而图12中大概只有6％带宽，即0.1GHz。