基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏设计

1、论文题目基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏设计目录中文摘要.1Abstract.2第1章 绪论.41.1.课题研究的背景和意义.41.2 国内外研究现状.51.3 本文内容和章节安排.8第二章 基于电路模拟结构的单频薄吸波屏设计.92.1 吸波屏的结构、电路模型和工作原理.92.2 2.4GHz单频吸波屏关键尺寸的初始理论设计.122.3 基于HFSS的2.4GHz单频吸波屏调试和优化.14第三章 基于电路模拟结构的多频段薄吸波屏设计.163.1 多频段吸波屏的工作原理.163.2 基于电路模拟结构的双频段薄吸波屏设计.163.3 基于电路模拟结构的三频段薄吸波屏设计.19第四章 总结和展望.2

2、2致谢.23参考文献.24中文摘要伴随着科技的不断发展，电磁辐射在生活的各个方面都取得了广泛的应用。电气技术的应用和发展为我们的生活带来极大的便利，也使我们的生产效率得到一定程度的提高。但另一方面，一种新的污染来源也由此产生，它就是电磁辐射。科技越来越发展，而电磁辐射的发展在人们的生活工作中也越来越普遍，程度越来越深，而世界各地对电磁环境的问题也越来越重视，对电磁辐射对人体伤害的研究也越来越重视；一个新的科学领域则应运而生去解决电磁辐射对人类健康。电磁吸波材料由于其在军事和民用方面都有着十分广泛的应用前景,长期以来受到世界各国研究者的关注问题的影响及其防护问题。目前美、日、西欧国家在电磁波吸波

3、屏的研究上处于世界领先地位，我国的吸波材料和电磁波吸波屏的实验室研究开始于80年代，90年代中后期进入较全面的研究阶段。本文主要完成了基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏的设计。首先介绍了基于电路模拟结构的吸波表面的工作原理以及仿真设计方法，然后据此设计出三款单频吸波表面，三款设计的中心工作频率分别在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz，对正入射电磁波吸收率都达到90%以上，接着在单频吸波体的基础上进一步构建出工作在2.4GHz、3.5GHz频段的双频吸波体以及工作在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz频段的三频段吸波体的设计模型，通过仿真计算出它们的反射系数和电磁波吸收率随频率变化的曲线

4、，最后对照设计指标要求进一步调节金属贴片尺寸以及加载集总电阻等以获得满足设计要求的双频段、三频段吸波体优化设计。所有设计过程都借助电磁仿真软件HFSS完成。关键词：电磁辐射、高频电磁波、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 绪论1.1课题研究的背景和意义 电气技术的应用和发展为我们的生活带来极大的便利，同时也使我们的生产效率得到一定程度的提高。但另一方面，一种新的污染来源也由此产生，它就是电磁辐射。科技越来越发展，而电磁辐射的发展在人们的生活、工作中也越来越普遍，程度越来越深，而世界各地对电磁环境的问题也越来越重视，对电磁辐射对人体伤害的研究也越来越重

14、视；一个新的科学领域则应运而生去解决电磁辐射对人类健康问题的影响及其防护问题，也展开了针对电磁辐射的国际性的合作研究：例如针对300GHz 以下的电磁辐射对人体带来的健康影响问题，世界卫生组织在全球范围发起了“国际电磁场计划”项目。自从国际电磁场计划项目开始发起，世界各地的科学家与职业健康安全专家迅速积极参与响应，促进了电磁辐射危害问题的发展。人们在认识电磁伤害问题，研究电磁辐射对人体伤害问题的过程中，电磁辐射的防护问题也得到了积极的思考。在上个世纪50年代的时候，电磁辐射防护标准的研究在很多的国家都得以开展，其中包括美国和原苏联等国家， 电磁辐射环境中作业者的防护问题则成为研究对象主要

15、60;。针对电磁防护的应用背景，国内外已有很多专家学者从不同的方向对吸波屏进行探索，国际上也展开了对吸波屏的广泛研究和应用。当今，在国际上有一些有代表性的电磁辐射防护标准，比如国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）导则和美国电子电器工程师协会（IEEE）C95.1。美国、加拿大、澳大利亚、和韩国已经采用了IEEE C95.1标准，而ICNIRP 导则已经被欧盟、日本等国家采纳。而我国在制定相关标准的过程中，以上防护标准及导则也都在某种程度上有被借鉴、参考和采纳。我国的电磁辐射防护体系中包括一系列由卫生部、国家环保总局制订的标准，包括GBZ-1-2002 工业企业设计卫生标准、GB 18555

16、-2001 作业场所高频电磁场职业接触限值等3。电磁波吸波屏的用途很多，比如作为吸波材料用于电磁波屏蔽室，还可以用于电磁波的吸收和电磁场的设计来处理各种电子设备的问题。由于电磁波屏蔽暗室用的电磁波吸波屏本身体积和重量的限制，使得它在民用电子信息产品上的使用造成限制。在军事上已经取得实战上的应用的毫米厚度的电磁波吸波屏但在民用问题上因为很多原因的制约发展比较缓慢，但是在一些比较先进的国家已经有毫米厚度的电磁波吸波屏展示，比如日本和西欧。而国内在这方面的产品还是比较少的。51.2 国内外研究现状由于电磁吸波材料有十分广阔的应用前景，包括在民用方面和军事方面，一直以来都是国内外相关领域研究学者密切关

17、注的对象。吸波材料微观结构表征能力和制备水平的不断提高和改进使得提升传统材料吸波性能的问题也越来越大。13近些年来由于超材料不同寻常的电磁响应特性，使其得到了迅速的发展,同时也使其成为当今世界各国相关学术界的研究热点和前沿。它的好处是能帮助人们从宏观尺度层面上控制和设计材料的电磁响应特性,电磁吸波材料的发展空间由此得到了很大的发展空间。目前在电磁波吸波屏问题的研究上处于世界领先水平的国家为美、日、西欧等国家，他们对于民用电磁波吸波屏的研究水平已经达到了毫米厚度。较为领先的吸收体结构是美国研发的一种电磁波吸波屏结构，用于军用隐身飞机，这种结构可以在一个较宽的频率范围内使电磁波的反射系数降低7到1

18、0dB。2我国是从八十年代开始于实验室中研究吸波材料和电磁波吸波屏的，进入相对全面的研究阶段则处在九十年代中后期。和国外的研究水平相比，我国的电磁波吸波屏的研究和材料研究的研究方面大体上还处于探索和模仿水平，但在某些方面我们国家还是取得了不错的发展的，而且融入了本国的一些理念，形成了自己的风格。吸波材料方面的研究是我们的重点研究对象，相对较少涉及的领域是吸收体的设计方法的研究。对于吸收体单层和多层结构的设计是我国研究吸收体设计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响，比如阻抗匹配、粘合剂加入、材料本身的吸收频带宽度的问题。由于客观历史因素，军用TEMPEST技术(Tra

19、nsient Electromagnetic Pulse Emanation Surveillance Technology)的发展处于领先水平，而民用EMC技术（Electro Magnetic Compatibility）发展则相对落后，民用电磁波吸收材料的研究水平也始终落后于军用电磁波吸收材料的研究，电磁波吸波屏的研究情况也是这样。12就大体上来看，由于技术发展的要求，单一的电磁材料和结构已不能满足应用的要求，而对电磁波吸波屏的设计和电磁波吸收材料的性能提出了更高标准的要求。在军用电磁波吸收材料的问题上，由窄频带材料、单一频段向宽频带、多频段的方向发展。复合结构和超微细结构也成为重要的发

20、展方向，电磁波吸收结构和新型电磁波吸收材料已经成为热门研究方向。W.Tang and Z. Shen在论文薄宽带电路模拟吸波屏的设计中详细分析了一种新的薄宽带电路模拟吸波屏的简易设计。该吸波屏由一个印刷在绝缘衬底上的多个金属贴片组成的二维周期阵列所组成，其展示出了多重共振的性能，并且有一个很宽的吸收带宽。测量结果显示：该简易吸波屏有10dB RCS衰减的76%的带宽，且它的厚度是在中心频率处只有自由空间八分之一波长的长度。1为了设计一个更宽宽带的吸波屏，多层结构通常会被应用。多层吸波屏的等效输入导纳可以得到优化，以满足宽频率范围内的自由空间导纳。问题是这些多层吸波屏在外形上相对较厚，这会很严重

21、地影响它们的实际应用。利用遗传算法结合周期矩法设计了超薄吸波屏。然而，这种被优化的超薄吸波屏（厚度相当于十分之一或者十五分之一自由空间波长）有一个非常狭窄的带宽。另一方面，超薄吸波屏也可以通过将超材料表面贴在一个完美的导电板上实现。这些吸波屏的高度可以非常小，同时它们的带宽也很窄。4庞永强，程海峰，周永强，王俊在论文用等效电路方式分析设计基于线结构的超材料吸波屏中系统介绍了基于线材的超材料吸收体作为一种简单但通用的人造结构已经从微波到光学频率被广泛研究。为了完全理解本构参数如何影响吸收特性，本文也开发了等效电路模型。分析，数值和实验结果表明，吸收频率是由导线长度和绝缘介质的相对介电常数决定的，

22、而吸收量则是由绝缘介质的厚度和损耗所决定的，包括金属的欧姆损耗和介质的介电损耗。这也解释了为什么小损耗对吸收频率几乎没有影响，但可以导致近统一吸收。2最近，由于其在热探测器、光电器件、隐身技术、成像和传感系统等领域的潜在应用，人们对从微波到光学频率的超材料吸收器的设计、制造和测量有着相当大的兴趣。MAs（metamaterial absorbers超材料吸波屏）通常是通过在另一个金属层上方构造一个金属层，这两个金属层之间用超薄(远小于工作波长)介电层隔离开来构造的。同时，利用有效介质理论、干扰理论、和传输线电路模型等理论方法对物理机制进行了解释。然而，他们却未能提供为所期望的超材料吸波屏选择本

23、构参数的基本原则。6为了理解本构参数与先进MAs发展过程中的吸收特性之间的关系，我们开发了一种等效电路模型，旨在揭示本构参数对基于金属线结构的超材料吸波屏 (WBMAs:wire-based metamaterial absorbers)的吸收特性的影响。在我们的研究中选择WBMAs有一个特殊的原因。WBMAs具有多用途的吸收性能，如偏振不敏感、入射角宽、吸收接近完美，以及单/多/宽波段吸收。此外，与其他谐振器(例如，分裂环)的MAs相比，WBMAs更容易设计和制造，因此在更高的频率上更可行，比如太赫兹和红外波段。之前有几项研究致力于用等效电路的方法研究这种基于金属丝的超材料结构的共振频率，用

24、于负指数或波吸收。然而，共振响应的损失特征还没有得到充分的研究。相反，我们提出的电路模型可以完全解释本构参数对吸收性能的影响，包括吸收频率和吸光度，并通过数值和实验结果证明。10李慧，袁丽华，周斌，申晓鹏，程强和崔铁军在论文超薄多频带千兆赫超材料吸波屏中提出了超薄多频带超材料吸波屏在一种微波频率上工作在多频带的吸波屏的设计、分析、制造、以及测量是存在的的理论。7这种超材料吸波屏由一个不同尺寸的电场耦合LC谐振（ELC）的周期阵列和一个金属底板组成，它们被仅1mm的绝缘介质隔离开。通过调试ELC单元的尺寸因子，我们可以独立实现在不同特定频率上的多重吸收。实验论证了在被设计的频带上的好的吸收率在入

25、射波的宽角度上有横向电场和磁极化。对与这种多频带超材料吸波屏的物理机制的解释在2011年被美国物理学会提出和验证。9被知晓作为人工电磁材料的超材料由周期性金属和绝缘介质结构组成。超材料结构已经被证明与电场或磁场结合而产生基于洛伦兹模型的电谐振或磁谐振响应。从有效介质理论中，超材料可以由一个复杂的电介电常数和一个复杂的磁介电常数而表征。通过对超材料的单元格单元几何进行裁剪，所需要的介电常数、导磁系数、折射率以及阻抗可以被实现。通过这些特性，能够得到一个不存在于自然界的有效介质，比如负介电常数、负磁导率、负折射率以及零折射率等等。在近几年里，利用有效介质参数的虚分量的超材料吸波屏MMA（metam

26、aterial absorber）的概念引起了科学家的广泛兴趣。8在2008年，Landy等人在千兆赫兹（GHz）系统中提出了完美的MMA概念，在这里一个由电谐振和短切线组成的结构被提出来了。电谐振和磁谐振都可以独立产生，这将会限制超材料单元中的电磁（EM）能量。这些电磁能量将通过导电损耗和介电损耗而逐渐消耗。和传统的微波吸波屏相比较，MMA有几个优点。第一，传统的吸波屏被衍射极限所限制，MMA的厚度比传统吸波屏更薄一些，因此MMA可以被用来减小厚度超薄重量超轻金属物体的雷达横截面（RCS）。第二，MMA的制造花费更低而且更简单。然而，当前的超材料吸波屏（MMA）仍然有不完美之处。因为吸收是由

27、共振引起的，所以吸收的带宽是非常窄的。在最近的几年里，研究人员已经进一步地在研究在GHz（千兆赫兹）和THz（太赫兹）频率范围内的MMA来实现双重工作频带、更宽的带宽和偏振不敏感的MMAs。谷等人在MMA结构里面内嵌电阻去降低Q系数去增加GHz范围内的带宽。Tao等人使用分环共振器和底部金属层结构去实现在THz范围内更高灵活性的材料，其能够在入射波很宽的角度内进行操作横向电和磁辐射。111.3 本文内容和章节安排（介绍吸波屏结构、组成材料、需要达到的设计指标）本文主要讲解基于电路模拟结构的单频带及多频带薄吸波屏设计。主要研究内容为：1.建立吸波屏的结构模型：主要有金属贴片、金属底板、结缘介质、

28、和空气腔组成。2.当电磁波入射到吸波屏单元时，该单元结构对电磁波进行吸收。我们需要在特定的频率点1.8GHz、2.4GHz、3.5GHz处使得反射系数都小于-10dB，以此为研究目标来进行基于电路模拟结构的单频带及多频带薄吸波屏的设计研究。第一章简要介绍吸波屏研究的背景和意义，说明我们做这项设计的目的意义。第二章介绍基于电路模拟结构的单频带薄吸波屏设计，其中包括单频带吸波屏的电路模型和工作原理，使读者能够简要了解吸波屏的一个形状结构；关键尺寸的初始理论设计，为进行建模时提供相关的理论依据；以及基于HFSS软件对模型的调试和优化，便于通过调试来达到我们的设计目的。第三章讲述了基于电路模拟结构的多

29、频段薄吸波屏设计相关的内容，其中包括多频段吸波屏的工作原理，通过原理的介绍我们系统讲述了双频段吸波屏设计和三频段吸波屏设计的相关内容，包括吸波屏模型和相关的调试结果等讲解。最后在第四章对本次关于基于电路模拟结构的多频带吸波屏的毕业设计的设计进行总结归纳，讲述了自己的设计过程和在此过程中出现的问题，以及对问题的解决方式等，也从本次毕业设计的过程中不断总结和学习，表达对未来的一个美好展望。第2章 基于电路模拟结构的单频薄吸波屏设计2.1 吸波屏的结构、电路模型和工作原理基于电路模拟结构的薄吸波屏单元结构是由一个矩形金属线和一个矩形底部金属板，中间由一个长方体绝缘介质隔离开而构成的，在金属线的中间加

30、有一个集总电阻器，金属线和金属底板分别贴在长方体绝缘介质的上表面和下表面。其单元结构的立体图和主视图如图2.1.1 (a)、(b)所示。（a）（b）图2.1.1 基于电路模拟结构的单频带薄吸波屏结构 .（a）立体图，（b）正视图 所研究的基于电路模拟结构的单频带薄吸波屏结构的示意图如图2.1.1所示。金属线通过超薄绝缘介质与底部金属板分离，入射电磁波是平行于金属丝的径向方向从空气腔的顶部向吸波屏单元进行入射。 入射电场/磁场与金属线的径向平行/垂直。 由于底部金属板阻挡电磁波传输，吸波屏对入射的电磁波进行吸收，同时电磁波也发生反射。在这项工作中，WBMA的吸收特性由反射系数表征。反射系数的为反

31、射波和入射波之比，即为，其中是反射波；是入射波。从该吸波屏的单元模型出发，我们可以讨论其相应的等效电路模型，其目的是在揭示本构参数对基于线结构的薄吸波屏 (WBMAs)的吸收特性的影响。在我们的研究中选择基于线结构的薄吸波屏有一个特殊的原因，因为WBMAs具有多用途的吸收性能，如偏振不敏感、入射角宽、吸收接近完美，以及单/多/宽波段吸收。此外，与其他谐振器(例如，分裂环)的MAs相比，WBMAs更容易设计和制造，因此在更高的频率上更可行，比如太赫兹和红外波段。在吸波屏单元的线板对上累积了相反电荷的示意图，如图2.1.2所示。 显然，在电线和底板之间激发磁共振。 实际上，这种超材料结构也支持电共

32、振模式，但它位于磁共振频率之上，并且我们还注意到相对于相邻导线之间的不同间隙宽度，吸收频率不变。 因此，可以得出结论，磁共振是所考虑的WBMA的主要机制。 在这种情况下，每个线板对可以被认为是一个孤立的类空腔谐振，然后建模为并联LC电路。电感L与平行线板对相关联。电容C在电线和底板之间形成。另外，由于金属和绝缘介质层可能分别导致欧姆和介质损耗，所以和电阻被引入到等效电路中，最终的等效电路如图2.1.3所示。 图2.1.2 吸波屏单元电荷分布图 图2.1.3 吸波屏单元的等效电路图由图3所示的等效电路我们可以求出WBMA的表面阻抗的表达式如公式（2-1-1）所示。 （2-1-1）对公式（2-1-

33、1）进行一些代数运算后，我们可以得到表面阻抗的实部和虚部: （2-1-2） （2-1-3）从阻抗匹配的角度来看，在吸收频率处，由公式（2-1-3）表示的等效电抗应该等于零。 因此，吸收频率可以由Im Z = 0导出为： （2-1-4）该表达式表明不仅电感和电容对吸收频率有影响，而且和的损耗项对吸收频率也有影响。 但是，由于金属和介质层的损耗很小，正如电路参数所示，可使得和，所以公式（2-1-4）中和的项可以忽略。 因此，它可以简化为。那么吸收频率可以表达为: （2-1-5）此外，对于图2.1.3所示的电路模型中的集总参数，电容可以通过并联电容器的公式近似为 而电感可近似为，其中绝缘介质的。在考

34、虑到这些近似关系的情况下，公式（2-1-5）更进一步可以近似为： （2-1-6）从公式（2-1-6）中可以知道金属贴片的长度和绝缘介质的相对介电常数是影响吸收频率的因素。当确定好所用绝缘介质的种类后，其相应的参数也被确定。而此时金属线的长度成为影响吸收频率的主要因素。金属线长度:，由于已知传输线上的波长和自由空间波长之间的关系：，其中是介质的相对介电常数，和在自由空间中波长、频率、和波速之间的关系：，我们可以得出金属线的长度公式为： （2-1-7）由于要在金属线的中间加上一个集总电阻，则相当于把金属线从中间断开，那么此时每个金属线的长度为。吸收频率是由导线长度和间隔电磁参数决定的，而吸收层则由

35、间隔的厚度和损耗所决定，其中包括金属的欧姆损耗和间隔的介质损耗。2.2 2.4GHz单频吸波屏关键尺寸的初始设计由于要求的谐振点为2.4GHz处，所以根据2.1节的原理分析，首先选取其初始尺寸结构如图2.1.1(a)所示。其中，矩形介质层在轴方向的长度为，在轴方向长度为，介质厚度，绝缘介质的相对介电常数设为3.27。集总电阻贴片设为边长为的正方形，待对其进行集总边界条件设定。由公式（2-1-7）进行理论计算，得到金属线的长度约为，金属线宽度预设为。HFSS仿真时，在结构单元外设置空气腔长方体，长、宽分别为和。其高度为（为空气腔上表面到绝缘介质上表面之间的距离），的值是根据其要高于，经理论计算值

36、预定为。完成图如图2.2.1所示。图2.2.1 基于电路模拟结构的单频薄吸波屏仿真模型图然后设置激励和边界条件：在空气腔的顶部设置Floquet端口激励，四周和方向设置两个主从边界条件。同时对金属贴片和底部金属板设置理想导体边界条件。而集总电阻值的设定是通过对其设置Lumped 边界条件，其值预定为=50欧姆。然后进行仿真求解设置和扫描设置，完成仿真有效性验证及有效计算，查看仿真结果如图2.2.2所示。图2.2.2 基于模拟电路的2.4GHz单频薄吸波屏初始仿真波形分析：通过观察波形发现最小值所在的频率点不在2.4GHz，但在2.4GHz处附近，于是可以对金属线宽度进行扫描 。进行参数扫描设置

37、，的范围为从1mm到5mm，间隔为1mm，然后进行分析。分析结果如图2.2.3所示。图2.2.3 对宽度进行1到5mm的参数扫描分析结果图分析：由图2.2.3参数扫描分析结果图中可以看出的值为2或3mm时，波形最低点所在的频率点不变，但=3时反射系数减小。当继续增大时，波形最低点所在的频率点则减小，和预期结果不符。所以宽度则确定为=3mm。当求1.8GHz和3.5GHz吸波屏的关键尺寸的初始设计时，方法和步骤与上述2.4GHz吸波屏的方法和步骤类似。在此不重复叙述，最终得到的初始尺寸为：1.8GHz时：，；3.5GHz时：，。2.3 基于HFSS的2.4GHz单频吸波屏调试和优化由2.2已确定

38、关键参数的相关尺寸。然后调整集总参数值来调试波形，试图使波形满足设计要求。通过更改集总电阻值的时候，观察到：在一定频率范围内，当值越大，波形最低点所在的频率值越大，且反射系数值越小。通过调整后观察的波形图，最终确定的电阻值为55欧姆。而最终得到的波形图如图2.3.1所示： 图2.3.1 基于模拟电路的2.4GHz单频薄吸波屏仿真波形分析：从图2.3.1基于模拟电路的2.4GHz单频薄吸波屏仿真波形图中可以看出，在频率为2.4GHz处，反射系数等于-18.5686dB，其值小于-10dB，满足要求。同时从该波形中可以看出，该吸波屏有很宽的带宽，能在中心频率周围很宽的一个频率范围内进行吸波，能实现

39、一个很好的吸收性能。同理，在对应的模型中通过调整集总电阻的值，最终确定两个集总电阻值分别为50欧姆和55欧姆。1.8GHz和3.5GHz单频薄吸波屏仿真波形的优化结果图如图2.3.2和图2.3.3所示。图2.3.2 基于模拟电路的1.8GHz单频薄吸波屏仿真波形图2.3.3 基于模拟电路的3.5GHz单频薄吸波屏仿真波形分析：从图2.3.2和图2.3.3基于模拟电路的1.8GHz和3.5GHz单频薄吸波屏仿真波形图中可以看出，在频率为1.8GHz和3.5GHz处，反射系数分别为-34.9445dB和-23.0754dB，其值都小于-10dB，满足要求。同时从两个波形中可以看出，吸波屏都有很宽的

40、带宽，能在中心频率周围很宽的一个频率范围内进行吸波，能实现一个很好的吸收性能。第3章 基于电路模拟结构的多频段薄吸波屏设计3.1 多频段吸波屏的工作原理基于电路模拟(CA)的多频带薄吸波屏是基于多重共振原理的。CA吸波屏是一种二维周期性的单元，在导体衬底上印刷。在每个单元格中，有多个不同长度的贴片，可以在不同的频率上提供多重共振。一个简单的双频吸波屏模型中为一个单元格中加载了两个带有串联电阻的不同长度的贴片；相类似，一个三频吸波屏模型中为一个单元格中加载了三个带有串联电阻的不同长度的贴片。正如在图3.2.1中示出了所提出的吸波屏的周期性阵列中的一个单元的几何结构。这种单元的二维周期性阵列印刷在

41、介电常数为3.27且厚度为12.7mm的导体背衬基板上。众所周知，具有两个不同长度贴片的频率选择表面将在两个不同频率处谐振以用于双频带操作。当集总电阻插入这些贴片的中间时，该结构将在其谐振频率处呈现两个吸收间隙。如果这些贴片的尺寸和插入的电阻的值得到适当调整，这两个谐振之间的反射功率将保持在低水平，这将导致较宽的吸收带宽。3.2 基于电路模拟结构的双频段薄吸波屏设计基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏模型的创建方式和单频类似，不同的是双频吸波屏模型中为一个单元格中加载了两个带有串联电阻的不同长度的金属贴片。这里由2.4GHz和3.5GHz组成的双频带薄吸波屏为例来进行阐述。保持第二章2.4GHz和

42、3.5GHz单频吸波屏尺寸和电阻值不变，把这两个不同长度的金属贴片放入同一个单元结构中，两者间距初定为：=20mm，其余参量值不变（介质的厚度参数为）。创建完成后的模型如图3.2.1所示。图3.2.1 基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏模型同样仿真时，创建空气腔，尺寸和单频时保持不变。创建完成的仿真模型如图3.2.2所示。图3.2.2 基于电路模拟结构的双频薄吸波屏仿真模型图对该模型设置激励和边界条件，进行仿真求解设置和扫描设置，完成仿真有效性验证及有效计算，设置方法步骤和单频一样，这里不重复叙述。完成后查看仿真结果如图3.2.3所示。图3.2.3 基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏模型的初始仿真

43、波形通过观察如图3.2.3的波形图，波形两个反射系数最低点所在的频率点都没有在预期的频率点上，则对金属贴片的宽度进行扫描分析来进行优化。对都进行1到4mm的扫描，扫描频率间隔为1mm。扫描结果为如图3.2.4所示：图3.2.4 的扫描结果图对都进行1.5到4mm的扫描，扫描频率间隔为0.5mm。扫描结果为如图3.2.5所示：图3.2.5 的扫描结果图最终确定的金属贴片的宽度为=2mm，=3.5mm。然后通过调整集总电阻值来对波形进行调试，直至波形满足预期目标。最终确定的集总电阻值为为55欧姆, 为120欧姆。而最终得到的波形图如图3.2.6所示： 图3.2.6 基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏

44、模型的仿真波形分析：从图3.2.6基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏模型的仿真波形中可以看出，在2.4GHz和3.5GHz频率处，反射系数分别等于-20.5631dB和-17.5627dB，其值都小于-10dB，满足设计要求。同时从该波形中可以看出，该吸波屏有很宽的带宽，能在中心频率周围很宽的一个频率范围内进行吸波，能实现一个很好的吸收性能。3.3 基于电路模拟结构的三频段薄吸波屏设计基于电路模拟结构的三频带薄吸波屏模型的创建方式和双频类似，不同的是三频吸波屏模型中为一个单元格中加载了三个带有串联电阻的不同长度的金属贴片。由理论计算得出,。宽度和和的调整方式和双频类似。创建完成后的模型如图3.3

45、.1所示。图3.3.1 基于电路模拟结构的三频带薄吸波屏模型对该模型进行仿真，仿真过程与双频带模型的仿真过程类似，这里不再重新叙述。仿真完成后，通过观察仿真波形，对该波形进行调试和优化直到获得所满足设计指标要求的仿真波形图，结果如图3.3.2所示。图3.3.2 基于电路模拟结构的双频带薄吸波屏模型的仿真波形分析：从图3.3.2基于电路模拟结构的三频带薄吸波屏模型的仿真波形中可以看出，在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz频率处，反射系数分别等于17.622dB、-12.4347dB和-28.88dB，其值都小于-10dB，满足设计要求。同时从该波形中可以看出，该吸波屏有很宽的带宽，能在中心

46、频率周围很宽的一个频率范围内进行吸波，能实现一个很好的吸收性能。第四章 总结和展望两个多月的毕业设计期间让我学到了很多。首先，在文献调研的学习过程中，我认识了我毕业设计的主体，即基于电路模拟结构的多频带薄吸波屏，以及了解到了与其相关的一些知识，包括吸波屏的在电磁防护和电磁干扰方面的应用背景和现实意义。通过调研研究吸波屏方面的相关知识，我也了解到了关于吸波屏方面的一些国内外的研究现状，和相关问题的解决方案和各种实现的方法。关于理论知识的学习，我了解到了单极子天线方面的理论知识，为接下来吸波屏设计的实践积累了一定的理论知识，通过一些文献方面的学习研究，基于我接下来的研究内容和目标，掌握了基于电路模

47、拟结构的单频带和多频带薄吸波屏设计的相关原理，了解吸波屏的结构形状，以及电路模型。通过理论的学习，确立该设计的方案步骤，以及重要参数的计算。在设计实践过程中我学习了HFSS软件的使用，懂得如何使用HFSS软件进行基于电路模拟结构的单频带以及多频带薄吸波屏设计建模，以及如何利用HFSS软件对模型进行仿真，懂得如何分析仿真结果，及对其进行优化设计，直至满足预期目标要求。当然在此过程中也会不可避免地出现一些问题，比如所建模的吸波屏吸波屏没有预期地那样吸波，以及自己的仿真波形不能够达到自己想要的频率点，还有波形完好的单频吸波屏组合在一起经过调试仍然没有得到想要的多频带波形等问题，在解决这些问题的时候自

48、己确实也会存在某种程度的挫败感，但通过书籍、相关文献资料的查找，以及和同学沟通，自己也在此过程中对设计作品一点点改进，更重要带着相关问题及时和老师进行探讨联系，积极听取老师的意见和建议，在老师的帮助下能够把问题一点点地改进，慢慢循序渐进步入正途，逐步把出现的问题克服，直至达到预期目标，完成该毕业设计。通过本次的毕业设计，让我对自己的动手能力得到一定的改进，也逐步发展了自己独立解决问题的能力，为以后的学习打下坚实的基础，也让自己学到了如何把自己的理论知识和实践相结合，使自己学有所用，把自己学到的理论知识转化为生活的实际物品，能够通过学习提升自己，造福社会。参考文献1刘凌云，张政军，刘力鑫.基于集总电阻的宽带超材料吸波屏研究J.微波学报，2016，32(5)：50-54.2鲁磊，屈绍波，施宏宇，等.宽带透射吸收极化无关超材料吸波体J.物理学报，2014，63(2)：344-349.3李明洋.HFSS天线设计M.电子工业出版社, 2011: 28-96.4高振儒.复合材料雷体电磁屏蔽与吸波性能研究D. 南京理工大学, 2015.5庞永强.电磁吸波超材料理论与设计研究D. 国防科学技术大学, 2015.6 Kaur H, Aul G D,