基于双电阻加载金属条的宽带吸收器设计

摘要

提出了一种利用双电阻负载金属带设计低剖面双极化宽带吸收器的方法。每个单元电池由一个带有双电阻负载金属条的电阻片和下面的导电板组成。两个不相等的金属条二维阵列印刷在介质基板上，两个电阻嵌入在金属条中。通过合理设计这些金属带的谐振频率，得到了一个具有三个谐振的宽吸收带。引入了等效电路模型，并对电流分布进行了分析，以了解该吸收器的物理机理。通过一个吸振器实例的制作和测量来验证我们的设计概念。实验结果表明，在法向入射条件下，获得了分数带宽为129%的宽带吸收性能和稳定的角响应。此外，所提出的减振器具有低剖面为0.08 那哪里为最低工作频率下的波长。

1.介绍

电磁（EM）吸收剂一直是其杂应用，如提高了集成电路的电磁兼容性，从而消除了复杂的环境中的电磁干扰，并且适于作为无芯片射频标签赔偿[一个有趣的区域1-3.]。电磁吸收器的大多数应用都需要宽频带和低轮廓，反射降低大于10 dB，这限制了经典吸收器的广泛使用，如索尔兹伯里屏[4.]或多层焦曼吸收剂[5.]。对于给定的吸收性能，理论最小厚度描述在[6.]，它激发了频率选择性表面的发展，在吸收体的损耗层使用（FSS）图案[7.]。

电路模拟(CA)吸收器是一种很有吸引力的候选电路，它在一个由完美导电平面支撑的低损耗基板上印刷一个有损FSS。在过去，多共振的感知被用来扩大吸收带宽[8.-11]。对于单层CA吸收器，设计在[12]实现了三个共振的宽吸收带宽。类似地，利用两层结构和嵌入片式电阻器的环路阵列来构建宽吸收带[13那14]. 提出了一种替代设计，用低通RC电路代替RLC谐振电路，以利用总厚度接近Rozanov极限的多层结构设计宽带吸收器[15那16]。

除上述平面吸收体外，一种新的三维(3D)吸收体结构是另一种获得宽吸收带的有效方法[17]。沿着腔 -方向用于建立吸收带，并且通过空气和衬底区域中的多个谐振模式吸收能量[18]。然而，它通常需要相对较厚的轮廓以容纳多谐振结构，并且它也有一个复杂的结构。此外，活性吸收剂提供电位打破罗扎诺夫极限[19]。负电感器用于主动匹配薄导体背衬间隔的等效电感，带宽比率大于6：1，厚度仅为0.015 那哪里为最低工作频率下的波长。不幸的是，负极电感是一种非自然器件，很难实现。

本文提出了具有两个不等双电阻式金属条带的双极化和宽带吸收器的设计。单元电池的有损层由在介电基板的两侧印刷的两个正交条带构成，并且在电介质基板的每一侧印刷了两个不等电阻器的金属条的二维阵列。通过适当地设计这两个金属条的谐振频率，获得具有三个共振的宽吸收带。介绍了等效电路模型，并检查了沿着条带的电流分布，以展示具有三个共振频率的提出的吸收器的物理机制。为了验证我们的设计概念，设计和制造了一个例子，其为双极化和稳定的角度响应表示宽带吸收性能。

2.设计与分析

2．1.单元格的配置

损耗层作为CA吸收器的组成部分，在吸收器与空气界面的阻抗匹配中起着重要的作用，需要对其进行细致的设计以保证其宽带性能。然后，入射电磁波将被损耗层中的电阻分量吸收。在我们提出的结构中，损耗层是由电阻负载频率选择面实现的，其几何形状如图所示1．在每个单元电池中，损耗层由具有相对介电常数的电介质基板的两侧印刷的两个正交分量组成4.4，损失切线0.02，厚度0.5 mm实现双极化吸收体，如图所示1（a）和1（b）．在每一侧上，有两个较短的双电阻器装载有长度的金属条of 9.5 mm symmetrically located on either side of a dual-resistor-loaded metallic strip with the length27岁 mm斜排，距离这两种类型的金属条之间是8毫米。另外，宽度金属带的厚度为0.5 嗯,期间单元胞的厚度为20毫米空气间隔棒的直径为8 嗯。此外，在损耗层下放置导电板以保持良好的吸收性能。

2.2。工作原理

为了直观地理解吸收机制，给出了所提出的吸收器的等效电路模型，如图所示2．结果表明，有损层等价于一对平行层电路，并通过传输线电路与地面连接。两个电阻负载金属条将产生两个系列并联[电路20]。电路中, 那 那和分别表示等效电阻，电感，和较长的金属带，的电容，而 那 那和指较短的金属条。此外，短路输电线路与电的长度有关代表接地的空间垫片。

然后，输入导纳所提出的吸收可以表示为 哪里 是波数是自由空间的特征导纳。初始值 那 那 那和在正态关联下，可以由它们的几何关系得到，对此已有详细研究[21]： 哪里为自由空间的特性阻抗，和金属带的长度和宽度分别是和吗 是可用的校正项，其在微小研究[22那23]。

因此，所提吸波器的反射系数可计算为 哪里 输入阻抗和和是输入阻抗的实部和虚部。为了在宽频带内实现良好的吸收性能，反射系数需要在工作频带内趋近于零，当

模拟输入阻抗的提议吸收器如图所示3.．输入阻抗的真实部分振荡大约377  那和三个峰值出现在 那 那和 ．此外，虚部在零附近振荡；因此，根据本发明，反射系数在工作频带中等于零(4.)．然后，入射波将照射在吸收器上而不反射，最终被阻性元件吸收。

数字4.比较正常发病率下等效电路模型和ANSYS HFSS模拟的吸收性能，这表现出良好的一致性。另外，还示出了吸收器的交叉偏振反射系数以指示可忽略不计的交叉极化响应。所提出的吸收器的尺寸经过精心设计，以实现良好的吸收性能。使用[中的相应电路模型中使用的块状电感和电容的初始值21-23如下面的值： 在北半球, pF,  nH，以及 pF。

The simulated result shows that a wide absorption band is obtained from 3.08 to 14.02 GHz, and the absorptivity is greater than 90% in the absorption band. It should be mentioned that the absorptivity is calculated as因为导电平面的存在。吸收带中有三个反射零，即:  GHz,  GHz, and  GHz.

在三个反射零点处模拟的吸收器电流分布如图所示5.获得物理洞察三个共振的存在。Without loss of generality, we assume that the incident field is TE-polarized, and its amplitude is 1 V/m. It is found that the resonance at主要是由中心较长的金属带的基频共振模式引起的，如图5（a）．我们可以观察到在中心产生一个波腹，电流将通过嵌入的电阻并最终消耗掉。谐振频率可由 哪里为金属片的长度，是光速，和是有效相对介电常数，在中计算[13]。

此外,数据5（b）和5（c）描述电流分布和 那它们分别对应于中心长金属带两个波腹的第一个奇共振模和短金属带一个波腹的基本模。我们还可以观察到，在共振频率下，两条较短的金属条上激励着微弱的电流 那而同样的情况发生在谐振频率 那这是由在这两个谐振频率的两个金属条之间的耦合引起的。

众所周知，在正入射下不能激发第一奇共振[7.]因为在接收偶极子状金属条中产生的方向相反的对称电流在谐振频率下相互抵消。然而，我们提出的结构可以看作是两个不对称偶极子状金属条的叠加，两个片式电阻器插入不同的馈电端口。第一次奇共振时激发的电流是不对称的，如图所示5（b），导致非零电流[11]。然后，两个电阻器被装载在金属带材在我们提出的结构来实现第一奇数共振的兴奋。

2.3。参数探讨

根据第节的工作原理分析2.2，这里研究了四个参数，以揭示它们对所提出的吸收器的共振特性的影响，这是长度和金属条和电阻值的测量和的嵌入式芯片电阻器。

负载的双芯片电阻的值应该经过仔细的优化，以达到更好的吸收性能。数字6.显示不同的频率响应与芯片电阻的不同值。有两个自由度，其中一个芯片电阻是调谐时，另一个是固定的。数字6（a）表现出该值影响较长金属带的频率响应，且当设置为120 ．相反，价值可以影响短金属带的频率响应，如图6（b），它被选为70获得更宽的吸收带和良好的吸收性能。

数字7.指示反射零点随不同长度值的变化较长条带的和较短的条带。反射零和偏移到较低的频率和几乎没有变化的时候，如图所示7（a）. 因为和较长的条带的基模和第一奇谐振模是否在增加会放大谐振波长。数字7（b）说明了在以下情况下对三个反射零点的影响：增加;发现和移动到较低的频率，同时是固定的。增加的会导致较短的条带产生较大的谐振波长，而由于这两个条带之间的耦合，也会增加较长的条带的谐振波长。

然后，通过合理设计上述参数，可以获得宽带吸收性能，如图所示4.．对于一定的吸收性能，包括带宽和吸收率，非磁性吸收体的厚度存在一个物理边界，定义为Rozanov极限[6.]： 哪里是rozanov限制和为波长响应的反射系数。在本文中，我们设计的吸振器的Rozanov极限为7.36 mm，计算公式为(6.)．与实现的减振器厚度相比，仅比Rozanov极限厚8%。

3.测量验证

一个原型由15个阵列组成 × 15个单元来验证所设计吸收器的吸收性能，原型的总尺寸为300 嗯 × 300 嗯。片式电阻器和金属条均印刷在FR4基板上，塑料螺钉用于分离损耗层和金属接地，一定距离为7.5 毫米，如图所示8.(b).另外，我们在实现的吸收器原型中使用的芯片电阻的商业产品是RF0402-120R-HS和RF0402-69R8-HS。原型是在一个暗室中测量的，暗室有一个拱形框架，安装了两个喇叭天线，如图所示8.（一种）。然后，正常和倾斜入射波所测量的反射系数是通过调节两个喇叭天线的角度位置而获得。

所测得的结果表明，我们的设计吸收器具有宽带吸收性能和稳定的角响应，如图9.．结果表明，在正入射时，吸收波段为3.1 ~ 14.2 GHz，部分带宽为129%。此外，当TE和TM偏振入射角度增加到30°时，所设计的吸收体的吸收性能相对稳定，如图所示9.．可以看出，的谐振频率当入射角增大时，吸收带宽度变窄，这是由于所使用的芯片电阻在高频处存在不可忽略的寄生电容和电感。

我们设计的吸收器的性能与文献中的最先进的吸收器进行了比较，如表所示1．结果表明，我们提出的结构实现双极化超宽吸收带，其轮廓是只有0.08 ．此外，利用工作波段的波长差与厚度之比直观地评价性能优势，可以表示为优值图[26]： 哪里和在工作频带的最小和最大的波长，分别。与其它结构相比，我们设计的吸收具有相对较好的表现，考虑到带宽和厚度全面。

4.结论

本文提出了一种设计用于较低型宽带吸收器的方法，其具有稳定的角度和偏振响应。所提出的吸收器由有损层组成，其中在基板的两侧和损耗层下的金属地面上印有两个正交条带。在基板上印刷两个不等金属条的阵列，每个条带装有两个电阻器。通过适当地设计这些金属条带的谐振频率，可以获得具有三个共振的宽吸收带。制造了设计的吸收器的示例，并且测量的结果证明它实现了一种有吸引力的宽吸收带，用于双偏振和具有低型构造的稳定角度响应。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作是由格兰特61871036根据中国国家自然科学基金委员会（NSFC）的支持。

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