一种宽频吸波频率选择表面及其设计方法与流程

本发明属于电磁频率选择表面，具体涉及一种宽频吸波频率选择表面及其设计方法。

背景技术：

1、频率选择表面(fss)是在导电金属表面周期性刻蚀缝隙或粘贴相同或不同几何尺寸的金属贴片，按照一定的规律周期性排列，对电磁波具有选择透过性。当电磁波入射到频率选择表面时，会在单元结构中引发感应电流，使电磁波产生散射场，与入射场叠加形成对电磁波具有滤波特性的总场，通过设计合理的频率选择表面结构参数，如单元大小及形状、单元间距、介质板厚度等，从而实现电磁波吸收功能。现有技术一(fan s and song y,“bandwidth-enhanced polarization insensitive metamaterial absorber based onfractal structures,”journal of applied physics,2018,123(8):085110)公开了一种基于分形结构的宽带偏振不敏感超材料，通过三种分形结构与圆形结构的结合，通过对应的三个吸收峰能够实现在微波频段的宽带吸收，在x波段可以保持50％的吸收率，但是此结构设计复杂，要求精度高，加工难度大；现有技术二(cui y,xu j and hung f k,“a thinfilm broadband absorber based on multi-sized nanoantennas,”applied physicsletters,2011,99(25):193)公开了一种基于四种不同尺寸的周期单元，在同一平面内沿单一方向排列，使相邻的吸收峰叠加，实现光学频段的宽带吸收。但此结构拓宽效果有限，仅为光学频段的吸收。因此，如何提供一种结构简单且加工难度小的拓宽频带吸收的方法成为亟需解决的技术问题。

2、有鉴于此，特提出此发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种结构简单且加工难度小的拓宽频带吸收的频率选择表面(fss)结构及设计方法，适用于谐振频率为40ghz以下的宽频吸波频率选择表面的设计。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

3、一方面，本发明提供了一种宽频吸波频率选择表面的设计方法，包括如下步骤：

4、s1、定义目标吸波的谐振频率带宽及谐振性能；

5、s2、根据目标谐振频率带宽，得到对应的波长范围，根据波长λ与fss单元尺寸a之间的关系确定产生谐振吸收的最小单元尺寸amin及最大单元尺寸amax；

6、s3、采用cst软件建模，并将介质板对应的相关参数输入cst模型中，计算得到对应的反射系数s11；

7、s4、利用cst软件中的优化模块对步骤s1中定义的目标吸波谐振频率带宽对应的fss单元尺寸进行参数扫描，定义周期结构单元尺寸a为变量，设置扫参步长，得到不同fss单元尺寸对应的谐振峰位置，筛选出符合目标要求的fss单元尺寸；

8、s5、将步骤s4中符合要求的单个fss单元按照尺寸由大到小依次排列组合成一个fss结构单元，并计算fss结构单元的反射系数s11。

9、进一步地，步骤s2中波长λ与频率选择表面单元尺寸a之间的关系为：a＝λ/4。

10、进一步地，步骤s3中介质板对应的相关参数为：介电常数εr、相对磁导率μr以及介质层厚度d。

11、进一步地，步骤s3中计算得到反射系数s11的具体步骤为：

12、输入阻抗zin＝i·z0·tan(kd)，

13、其中，i为虚数单位，为介质中波数，ω为波的谐振频率，d为介质层厚度，z0为每个fss单元所对应的阻抗值，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率，εr为介电常数，μr为相对磁导率，

14、当电磁波从空气中垂直入射到该单层吸波体时，反射系数可以由以下公式计算得到：

15、

16、进一步地，步骤s4中设置的扫参步长为0.5。

17、进一步地，步骤s4中筛选出符合目标要求的fss单元尺寸，即均能符合步骤s1定义的目标吸波的谐振频率带宽及谐振性能的fss单元尺寸。

18、进一步地，步骤s4中得到不同的fss单元尺寸中单个fss单元尺寸计算产生一个s11曲线。

19、进一步地，步骤s5中组合成的fss结构单元中单个fss单元间距为1-2mm。

20、另一方面，本发明提供一种宽频吸波频率选择表面，包括：呈周期性排列的多个fss单元，每个fss单元包含多个形状相同、尺寸不同的金属贴片，每个fss单元还包括介质板，所述介质板上设置有尺寸由大到小排列的正方形金属贴片，相邻的金属贴片之间的间距为固定值。

21、进一步地，相邻的金属贴片之间的间距为1-2mm。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、1、本发明选用正方形作为基本fss单元，以降低宽频吸波频率选择表面后期加工的复杂度；

24、2、通过本发明的设计方法所制得的一种具有连续宽频吸波、结构简单易加工的频率选择表面为单层结构，表面fss为实心贴片型单元形状，入射角度稳定性较强，交叉极化抑制能力较好。

技术特征：

1.一种宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s2中波长λ与频率选择表面单元尺寸a之间的关系为：a＝λ/4。

3.根据权利要求1所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s3中介质板对应的相关参数为：介电常数εr、相对磁导率μr以及介质层厚度d。

4.根据权利要求1或3任意一项所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s3中计算得到反射系数s11的具体步骤为：

5.根据权利要求1所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s4中设置的扫参步长为0.5。

6.根据权利要求1所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s4中筛选出符合目标要求的fss单元尺寸，即均能符合步骤s1定义的目标吸波的谐振频率带宽及谐振性能的fss单元尺寸。

7.根据权利要求1所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s4中得到不同的fss单元尺寸中单个fss单元尺寸计算产生一个s11曲线。

8.根据权利要求1所述的宽频吸波频率选择表面的设计方法，其特征在于，步骤s5中组合成的fss结构单元中单个fss单元间距为1-2mm。

9.一种宽频吸波频率选择表面，其特征在于，包括：呈周期性排列的多个fss单元，每个fss单元包含多个形状相同、尺寸不同的金属贴片，

10.根据权利要求9所述的宽频吸波频率选择表面，其特征在于，相邻的金属贴片之间的间距为1-2mm。

技术总结
本发明提供了一种宽频吸波频率选择表面的设计方法，包括步骤：S1、定义目标吸波的谐振频率带宽及谐振性能；S2、根据波长λ与FSS单元尺寸a之间的关系确定产生谐振吸收的最小单元尺寸a<subgt;min</subgt;及最大单元尺寸a<subgt;max</subgt;；S3、采用CST软件建模，计算得到对应的反射系数S11；S4、设定合理的扫参步长进行计算，确定不同FSS单元尺寸对应的谐振峰位置，筛选出符合目标要求的FSS单元尺寸；S5、将单个FSS单元按照尺寸组合成一个FSS结构单元，利用CTS软件计算最终结果。通过本发明的设计方法得到的频率选择表面结构简单，加工难度小，且为单层结构，表面FSS为实心贴片型单元形状，入射角度稳定性较强，交叉极化抑制能力较好。

技术研发人员：李凯迪,刘海龙,阮兴翠,黄智斌,段士昌,折生阳
受保护的技术使用者：陕西华秦科技实业股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11