提高微波吸收材料的性能通过使用介质谐振器阵列

文摘

我们提出一种技术,提高性能的微波吸收材料的重量、厚度、和带宽。引进技术是基于制造微波吸收材料(MA)的结构组成的一个数组的圆柱介质谐振器(CDR)支持的一个完美的电导体(压电)地平面。数值电磁方法用来研究提出了马的属性数组结构,使用有限元方法在三维全波模拟实现。结果表明,MA-CDR阵列的性能显著优于平面层由相同的材料和等效厚度。马平面层材料厚度5毫米的支持下完美的电导体(压电)显示低dB反射损失(RL)峰值和~ 3 GHz 10分贝带宽,而MA-CDR数组,马相同的材料,由4毫米的高度可以达到低至12 GHz ~−50 dB RL峰和~ 10分贝RL带宽。

1。介绍

射频和微波吸收材料(MA)有大量的应用在各个领域,如在军事应用(减少目标的雷达截面)和通信应用程序(减少电磁干扰)1]。不管应用程序,减少重量和厚度和加强操作带宽主要目标寻找马在设计结构。马在一般情况下,材料和结构必须满足一般需求,可以总结为以下几点:(i)应该在空气减少电磁波的反射吸收器接口;(2)应该有很强的电磁波的吸收;(3)预计将有广泛的带宽和角反应;(iv)应该有低重量和厚度2]。不幸的是,同时满足这些需求的竞争是一个具有挑战性的任务。马达到这些目标和提高材料性能,许多技术已经在文献[2]。这些技术可以分为两大类:基于材料和几何。在材料的基础技术,微波性能的材料,复杂的介电常数(ε)和渗透率(μ),定制的方式增加电和磁性材料的损失。马在几何方法中,材料是构造在一定结构与特定的几何形状和尺寸,减少反射,增强约束和结构内部的电磁波的吸收。不同类型的材料可以用作马材料如碳、金属和金属颗粒,导电聚合物,聚苯胺导电聚合物,最近小管和纤维,复合纳米材料的3- - - - - -9]。利用几何创建马马高性能结构广泛应用于应用程序如锥体形状,Dallenbachm Jaumann层,蜂窝和矩形屏幕结构(2,3]。频率选择表面和其他超材料结构技术提出了文学生产高性能MA结构(5,6]。许多这些技术可以实现高性能MA结构。例如,金等。10]提出metal-dielectric-multilayer数组截断锥结构,表现出强烈的吸收水平的多波段操作,与吸收超过90% 3.88 -6.08 GHz, 11.86 9.95 -10.46 GHz, -13.84 GHz。马其他超材料结构可以实现强劲吸收了(11]。马高性能绝缘结构的另一个例子是赵等人提出的。12]。在结构、构造的碳纤维复合的形式vertical-arranged碳纤维和碳纤维毡屏幕可以实现反射损失低于−20 dB在-18年11.8 GHz。尽管马这些结构具有很高的性能属性,他们妥协一些马的主要需求材料,如高厚度、窄带或制造的复杂性。

摘要无论马吸收材料的类型,我们建议加强现有微波吸收材料只有构建在CDR数组的形式。我们只强调用人马几何提高材料性能。马提出的结构可以同时满足低厚度的要求,广泛吸收带宽,制造的宽角响应和从容。在这个工作我们所知,这是首次提出使用介质谐振器(博士)马应用程序如果安排以数组的形式。据我们所知,这是首次提出CDR,马组成的材料和安排在数组,马生产高性能结构。为此,本文按五部分:介绍,理论背景,模拟策略,结果与讨论,最后的结论。值得一提的是,这个工作的抽象,提出了2016年美国国会先进材料(14]。

2。理论背景

在介绍中提到的,马材料必须同时满足一般需求难以满足。通常,两个主要目标是有针对性的马当设计一个结构:减少反射,提高吸收电磁波的宽带频率。减少电磁波反射可以通过波阻抗匹配的方法。增加吸收可以通过控制材料介电常数和磁导率(电磁损失)和利用共振结构(5]。扩大操作带宽可以通过多层结构。在这一部分中,我们将马材料的阻抗匹配技术基本理论由导电板和一个简短的关于CDR的理论。

2.1。阻抗匹配

在阻抗匹配方法中,传输线理论通常采用近似电磁波通过空气传播的马和一个材料。一般来说,马的RL层由完美的电导体(压电)地面板块可以写成1] 在哪里反射系数,马的波阻抗材料,是空气中的波阻抗。配置一个平层的马同质材料由压电陶瓷,RL可以写成(1] 在这个配置中,马RL和微波吸收性能取决于材料的厚度,马,电气性能的材料,和。提高RL平层的配置,可以利用分级界面,可以通过逐步加载马材料生产逐步波阻抗变化。锥体形状结构也被用来实现这一渐进的波阻抗变化。这两种技术可以一起使用达到更好的阻抗匹配和高马性能在消声室(15]。堆叠层的另一个方法提高阻抗匹配和RL带宽MA结构(2]。图1显示了一个示意图的单引号和双平面压电层由地面飞机。在这样的平面配置、微波吸收性能可以通过操纵调制层厚度,可以推断出从(2单层的)。

2.2。介质谐振器

事实上,被广泛提出,研究介质圆柱阵列在光学领域增强材料的光学性质(16]。光吸收材料比微波机制不同。尽管如此,使用CDR阵列的原理是利用在这个工作提高材料性能。介质谐振器(DR)被广泛用作天线在通信应用程序17]。作为天线,通常是由博士低微波和射频介电武术的损失和高相对介电常数。与天线博士,这项工作我们实现材料与高电和磁损失构建CDR数组像马吸收结构。在这种方法中,CDR的入射电磁波夫妇在多个共振频率(模式),在那里他们在CDR字段部分局限和吸收。不同的模式可以兴奋在CDR,取决于它的几何形状和尺寸。单个CDR的压电陶瓷地平面以下近似可以用来找到共振模式(18]: 在哪里是模式的频率,是模式的频率,是th的根源阶贝塞尔函数导数,是th的根源阶贝塞尔函数,是半径,分别是CDR的高。这种近似是有效合理的准确性为单一的物理维度(CDR范围内18]。CDR的数组,这个近似可以在稀释的情况下使用CDR数组。密集的情况下阵列,CDR是重要的之间的相互耦合,耦合模式开始兴奋(19,近似给出了(3)不是很有效的预测不同的共振模式可以出现在数组结构。然而,我们的重点在这工作是证明马提高材料性能的概念,通过形成马材料CDR数组的形式结构,使用数值方法。然而,CDR近似方程可以用来预测的共振模式和操作频率的范围MA-CDR数组。

3所示。仿真策略

有几种方法可用于求解麦克斯韦方程数值,如时域有限差分(FDTD)方法,传递矩阵法(TMM),矩量法(MoM),和有限元方法(FEM)。许多商业软件包可以用来计算马材料和结构的特性,如ANSYS基于(基于有限元法,频域),CST微波工作室(FDTD)、基于时间域),和FEKO(妈妈)。在这项工作中,ANSYS模拟基于包选择研究电磁波与MA-CDR阵列结构和计算它们的属性。基于软件提供的功能模拟复杂结构的亚波长尺寸和能力来实现材料的精确色散微波特性的模拟。所有的模拟执行这项工作在电脑配备了英特尔(R) (TM)核心i7 - 4790 CPU @ 3.6 GHz和16 GB的RAM。

3.1。CDR阵列建模

MA-CDR数组被无限的二维数组的建模和方向和安排在相同的圆柱组成的平方晶格结构,如图2(一个)所示。马的圆柱是由材料与已知的微波特性来自[13]。这种材料是一种复合材料,加载的技术材料,Fe20Ni8,相对介电常数的~ 16 ~ 28日和相对渗透率的1.8 ~ 1 - ~。在这项工作中,我们应用该技术在这种马复合材料,进一步提高其性能,这是本研究的主要目的。值得一提的是,所选的材料色散;因此其微波频率相关特性利用查找表实现的模拟。实现无限二维数组在模拟域,我们实现一个单位细胞与周期性边界条件和的方向。完美的磁墙(麻省)和完美的电导体(压电)墙是强加的模拟域单元单元如图2。数组的维度和CDR见图2,相同的CDR元素排列在广场晶格结构与时间分配(晶格常数)信。在这工作,正常的平面波入射假设阵列,作为显示在图2(一个)。

3.2。散射参数

提出MA-CDR阵列的性能量化RL频谱的带宽和数组的吸光度计算,在那里透光率和是反射。散射参数用于计算和,在那里和。由于结构由导电地平面,透光率,,= 0和吸光度降低。

3.3。离散化的模拟域

在有限元法,模拟域离散为子元素。麦克斯韦方程解的准确性取决于离散化仿真域的分辨率。从理论上讲,离散化可以根据需要设置为好。然而,极其的高分辨率离散化需要大量计算资源,内存和时间,变得非常大。为了获得合理的仿真结果的准确性,使用合理的计算资源,域离散化决议应该设置为特定值。为此,我们在不同的离散化运行解决方案的收敛性分析的决议。基于软件使用自适应网格算法离散化仿真3 d域到四面体子元素。四面体边可以设置的最大长度不超过一定的值,这决定了离散化的决议。对于该数组,我们进行了收敛性分析的解决方案在不同的离散化步骤大小。在这个分析中,四面体边缘设置的最大长度是0.1毫米到1.0毫米,0.1毫米增加每次运行。 The results in Figure3(一个)显示数组的RL谱半径2.2毫米,5.0毫米的高度,和5.7晶格常数,计算在不同的离散化的决议。图3(b)显示了RL的放大部分光谱,谱线的位置对应于如图的离散化水平3(c), CDR的顶视图2.2毫米半径不同的离散化一步尺寸如图3(c),一个可以看到解收敛于共振频率在离散化步长0.5毫米,这是0.25%的CDR半径。然而,保证结果的准确性不同维度的数组,我们设置了最大离散化一步CDR半径的10%所有的模拟工作。

3.4。验证仿真

由于缺少微波测量设备在当前时间,为了验证仿真结果,我们进行了模拟不同的出版作品和比较我们的仿真结果。在以下环境我们展示这些发表的结果之一,而我们的仿真结果。的设置工作发表在马的形式层由压电陶瓷地平面的插图所示图4,从13]。好协议仿真结果与[13)获得,如图3。这种对比表明,仿真设置用于这项工作和结果非常准确和真实。

3.5。参数化分析

拟议中的MA-CDR阵列设计有三个自由度:半径和高度的CDR和数组的晶格常数。在确定这些参数是关键元素的吸收强度和RL频谱宽宏大量,将部分所示4。确定数组博士的不同参数的影响在其性能作为一个妈妈,我们采用了参数化分析。我们选择修复两个参数的值在时间和扫描其他值,探讨独立于其他每个参数的影响。当前材料研究下,参数的范围是被1到5毫米的半径值1毫米增加一步,1 - 14毫米的厚度值与1毫米增加一步,5 - 7毫米,0.1毫米的晶格常数的值增量的步骤。计算RL队GHz的频率范围为0.1 GHz增量的步骤。

4所示。结果与讨论

如前所述,马的微波吸收特性平层由压电陶瓷可以调制通过操纵其厚度。在MA-CDR数组,有三个不同的参数,影响它的微波吸收特性。这些参数是CDR半径、高度和数组的晶格常数。这些参数对RL峰的位置和价值有显著的影响,最终影响马吸收阵列的性能。提供三个自由度的参数控制和调优的RL频谱MA-CDR数组。下面我们将介绍每个参数对吸收的影响强度和带宽。最优性能的数组,在RL光谱带宽和水平,通过参数分析中提到的部分3。

4.1。高度的影响

研究CDR高度对阵列性能的影响独立于其他参数,数组的晶格常数和CDR的半径是固定的特定值,毫米,毫米。图5显示了RL山峰转向更高频率的CDR高度增加。这种行为可以与相关的CDR的共振模式,可以推断出从(3)。给定晶格常数和CDR半径值,一个可以看到RL最优值在某些CDR高度和带宽,并没有必要,随着高度增加了RL增强。RL值低至50分贝−出现在~ 5 GHz MA-CDR数组13毫米的高度与10分贝~ 4 GHz带宽和~ 2 GHz 20 dB带宽。可以看到另一个吸收峰在16 ~ GH 10分贝带宽在哪里~ 3 GHz (~ 15—GHz)和20 db带宽~ 1 GHz。数组的吸收水平,CDR的13毫米的高度,超过范围的90% ~ 3 GHz ~ 7 GHz ~ 15 GHz 18 GHz。~ 4 GHz范围的6 GHz ~ 15到17个GHz,超过99%的吸收水平。可以看出,高度可以控制RL峰值位置,价值,和带宽的RL。出于这个原因,CDR的高度数组中可以利用调整MA-CDR数组的操作频率范围,特别是在没有任何限制的高度数组。

4.2。半径的影响

一个CDR的半径是一个关键的元素在决定其共振频率,它适用于MA-CDR数组。方程(3)显示频率共振模式的依赖在CDR的半径值。MA-CDR阵列,这种依赖性仍然有效,但单一的CDR近似,因为在(3),是不太有效的确定数组的共振频率值。研究的影响半径值的CDR的总体性能MA-CDR数组,我们进行了模拟与固定数组的晶格常数和高度。图6显示的效果越来越CDR的半径的数组与身高5毫米和6.6毫米的晶格常数。RL转移到一个更高的峰值频率随半径。这一趋势可以预测(CDR近似的3)。然而,RL的峰值频谱的价值不仅是由半径和MA-CDR的高度,而且相互之间的耦合的CDR数组。两个高峰出现在队GHz的范围可以归因于CDR的共振模式。如图6所示,半径有很大的影响基本模式的位置,而它有轻微的影响上面的模式。的晶格常数2.2毫米6.6毫米和CDR半径、20分贝的RL带宽~ 5 GHz (~ 9 GHz ~ 14 GHz),这意味着99%的入射电磁波的吸收,如图5。

4.3。数组晶格常数的影响

在前面的小节中,CDR的高度和半径MA-CDR数组被证明,在CDR近似方程可以用来预测这两个参数的影响。在本节中,晶格常数的MA-CDR数组。你可以看看晶格常数为CDR[距离的差距17]。这个距离之间的相互耦合的过程中发挥了重要作用邻CDR数组中。从图可以看出7的峰值位置RL高度依赖晶格常数。在这个图中,晶格常数的值是5和7毫米之间逐步改变数组的4毫米高度和半径2.3毫米CDR。晶格常数的值对RL谱水平有显著影响,操作频率和MA-CDR RL带宽的数组。可以看到RL 10分贝的频谱带宽的~ 10 GHz(从~ 8到18 GHz)达到5.8毫米的晶格常数的值,如图7所示。

4.4。MA-CDR数组的最优性能

在前面的部分,展示数组维度MA-CDR性能的影响,MA-CDR数组在某些维度的RL光谱值显示。很明显,阵列的性能取决于其物理维度的组合值。获得最优性能,在吸收水平和RL带宽,需要进行优化的三个参数。我们采用参数分析这项工作为了找到数组的最优性能,探索阵列性能的潜力。我们选择了10分贝带宽作为最优性能的标准。数据8(一个)和8 (c)显示两个最佳RL光谱MA-CDR数组在两种不同组合的高度,半径和晶格常数的值。5毫米高度和7毫米晶格常数,10分贝带宽高达10.2 GHz (4.8 - 15 GHz)是实现当半径是2.7毫米。在这个范围内带,如图吸收超过90%8 (c)所示。更提高阵列的性能,在带宽和吸收水平,可以通过减少阵列的高度和晶格常数如图8 (b)所示。它可以表明,带宽和吸收水平增强,在12.2 GHz 10分贝带宽实现当半径是2.3毫米。值得一提的是,99%的吸收水平的范围也可以达到7 - 9.6 GHz和15.2 - -18.0 GHz如图8 (d)所示。事实上,图8显示了工作频率、带宽和吸收水平可以操作的参数值数组。一个重要的观察是工作频率扩展超出了18个GHz限制这项工作所示,如图8(一个)建议。

比较MA-CDR阵列的性能与平层,图4,显示了显著增强MA-CDR阵列的性能。

5。结论

我们介绍了一种新技术来提高马材料的性能。马的技术是基于几何,材料是捏造的形式排成阵列的博士。提出MA-CDR阵列的性能不同的维度进行了研究。强大和宽带微波吸收可以通过使用低厚度MA-CDR数组。发现MA-CDR数组指挥,与相同厚度的材料相比,马有显著提高性能。找到在这个工作是MA-CDR数组的性能高度依赖三个参数,这给设计师三自由度。即RL谱一定MA-CDR层可以通过调优和量身定制的这三个参数数组的维度。结果表明,马超薄结构与宽带RL可以通过使用CDR阵列技术。这些调查结果可以为生产铺平了道路的新一代高性能马低调层。值得一提的是,该技术可以进一步提高现有高性能MA结构,如马锥体结构,通过纹理表面的形式CDR数组。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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