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Introduction
En partant du problème de coexistence du signal en bande passante de l'antenne avec des interférences hors bande, on analyse comment le corps absorbant choisi en fréquence, par la conception en cascade de la couche de pertes avec la couche de sélection en bande passante, permet l'absorption plutôt que la réflexion des ondes électromagnétiques hors bande tout en maintenant une faible interpolation en bande passante. L'article explique le principe de fonctionnement de la structure tout - en - un absorbante, compare les différents types de fréquences pour sélectionner les limites applicables du corps absorbant et fournit un cadre de jugement d'options d'ingénierie pour le radôme et le système d'antenne à large bande.
Dans la conception compatible électromagnétique des systèmes électroniques, il y a un scénario où il y a longtemps une contradiction de conception: une antenne doit recevoir et recevoir des signaux efficacement dans sa bande de fréquence de fonctionnement, mais le bruit électromagnétique ambiant en dehors de la bande de fréquence de fonctionnement doit être supprimé. Un corps de blindage métallique traditionnel peut bloquer les interférences hors bande, mais bloquera simultanément le signal de bande passante; Les matériaux d'absorption d'ondes traditionnels peuvent absorber les interférences hors bande, mais le milieu de perte introduit également des pertes d'insertion dans la bande passante, réduisant l'efficacité de l'antenne.
Cette contradiction est particulièrement marquée dans les radômes radar et les antennes de communication à large bande. Les radômes traditionnels à surface de sélection métallique (FSS) reposent sur un profil géométrique pour réfléchir les signaux hors bande dans une direction éloignée des ondes entrantes, mais avec le développement des radars multibases et de la technologie anti - furtivité, les surfaces de sélection réfléchissantes augmentent le risque de détection. Une meilleure solution consiste à absorber le signal hors bande plutôt que de le refléter. Le Frequency Selective rasorber (FSR) est la voie technologique qui a été développée pour résoudre ce problème. Son objectif de conception peut être résumé en une phrase: laisser les ondes électromagnétiques être transmises à faible perte dans une bande de fréquences spécifiée et absorber les ondes électromagnétiques plutôt que de les réfléchir en dehors de la bande.
Principe de fonctionnement de la structure tout - en - un absorbante
La structure de base du corps absorbant à sélection de fréquence est composée de deux couches fonctionnelles: une couche de pertes au niveau supérieur et une couche de sélection de fréquence passe - bande au niveau inférieur.
La couche de perte est généralement constituée d'un film résistif ou d'un motif conducteur présentant des propriétés d'absorption des ondes électromagnétiques hors bande. La couche de sélection de fréquence passe - bande est située sous la couche de pertes et présente une fenêtre de transmission pour les ondes électromagnétiques de fréquence passe - bande tout en présentant des propriétés de réflexion pour les ondes électromagnétiques de fréquence hors bande. Au lieu de renvoyer l'onde électromagnétique dans l'espace libre, la "réflexion" renvoie ici l'onde électromagnétique résiduelle qui pénètre dans la couche de perte, de sorte qu'elle traverse à nouveau la couche de perte pour être absorbée secondaire. Ce processus Multiple d '« Absorption - réflexion - réabsorption » permet d'augmenter considérablement l'efficacité d'atténuation des ondes électromagnétiques hors bande.
La structure composite en supermatériau à deux couches proposée par l'équipe du professeur konjie de la Northwestern University of Technology est typique de cette idée de conception. L'équipe de recherche a combiné le corps absorbant d'onde tridimensionnel de Métamatériau avec la surface de sélection de fréquence pour construire un système composite avec la fonction de transduction de basse fréquence et d'absorption de haute fréquence. Avec une épaisseur totale de seulement 6 mm, la structure permet une transmission efficace du signal dans la bande 3,5 - 7 GHz et une absorption efficace des ondes électromagnétiques dans la bande 12 - 18 GHz, avec une bande passante et une épaisseur combinées supérieures à celles des absorbeurs à sélection de fréquence existants. Son mécanisme d'absorption d'ondes peut réduire considérablement la Section de diffusion Radar, ce qui est important pour répondre aux systèmes radar bi / Multi - bases.
Surface energy Select: combine protection haute puissance et absorption hors bande
Une autre voie technique pour le corps absorbant à sélection de fréquence est l'introduction d'une fonction de sélection d'énergie. L'Energy selective surface (ESS) est capable de changer de mode de fonctionnement de manière adaptative en fonction de la puissance de l'onde électromagnétique incidente - en maintenant le mode de transmission lors de l'incidence d'un signal de faible puissance et en améliorant automatiquement l'efficacité du blindage lors de l'incidence d'un micro - ondes de forte puissance.
Une conception représentative de l'ESS permet l'intégration de la protection adaptative avec l'absorption hors bande en introduisant une couche absorbante résonante bimodale dans la couche supérieure. Dans la bande passante de 1,88 à 2,47 GHz, les pertes par insertion sont inférieures à 1,5 DB; dans la bande externe de 7,8 à 23,18 GHz, l'absorption est supérieure à 90%. Lorsqu'il est soumis à une irradiation par micro - ondes de haute puissance, l'efficacité du blindage dans la bande passante est augmentée à plus de 30 DB, tout en conservant des propriétés d'absorption efficaces dans la gamme de 7,5 à 22,9 GHz. La nature de cette adaptation de puissance lui confère une valeur unique dans les scénarios où il est nécessaire de faire face simultanément aux perturbations électromagnétiques conventionnelles et à la menace des micro - ondes de haute puissance.
Une autre solution combine une surface de sélection d'énergie avec une couche de perte, en utilisant la réponse non linéaire de la diode P - I - N pour réaliser la caractéristique commutable bande passante - bande résistive. Une faible perte d'insertion de 0,9 dB à 3,58 GHz et une absorption ultra large bande dans la gamme de 5,87 à 17,88 GHz sont atteintes à faible incidence de puissance. Lorsque l'intensité du champ incident dépasse 740 V / M, la puissance de transmission en bande passante diminue rapidement et l'efficacité maximale du blindage atteint 18 db. La caractéristique de ce « blindage normalement transparent et menaçant» offre une solution techniquement viable pour la combinaison de la protection contre les micro - ondes à haute puissance et de la furtivité électromagnétique.
Limites applicables aux différents types de FSR
Sélection de fréquence le corps absorbant selon la position relative de la bande passante et de la bande absorbante peut être divisé en plusieurs classes de configurations différentes:
Type de bande passante à haute fréquence, bande d'absorption à basse fréquence, convient aux scénarios où la bande P / l nécessite une absorption et la bande C / X / Ku nécessite une transmission. Une conception FSR ultra - miniaturisée a atteint une absorption de plus de 90% (bande passante relative de 127,3%) dans la gamme 500 MHz - 2,25 GHz, tandis qu'une bande passante de transmission de - 1 DB a été atteinte dans la gamme 4,6 - 13,8 GHz. La structure, dont les dimensions unitaires ne sont que de 0026 λ L x 0026 λ L x 0,10 λ l, est adaptée à la réduction RCS basse fréquence et à la suppression EMI des systèmes d'antennes ultra - large bande.
Type de bande passante à basse fréquence, bande d'absorption à haute fréquence, il convient aux scénarios nécessitant une communication à basse fréquence, une furtivité à haute fréquence. La structure de Métamatériau à double couche décrite ci - dessus appartient à cette catégorie, la bande passante basse fréquence couvrant 3,5 à 7 GHz et la bande d'absorption haute fréquence couvrant 12 à 18 GHz.
Le tableau suivant résume les caractéristiques fonctionnelles des différents types de corps absorbants sélectionnés en fréquence:
Trois jugements en ingénierie
Pour les scénarios nécessitant l'intégration d'une fonction tout - en - un d'absorption dans le système d'antenne, il est recommandé de confirmer en priorité les trois points suivants lors de la sélection.
Premièrement, l'équilibre de l'insertion de bande passante avec le gain d'antenne
La couche de pertes du corps absorbant choisi en fréquence introduit inévitablement une certaine perte d'insertion dans la bande passante. Les données de perte d'insertion du matériau à l'intérieur de la bande passante doivent être confirmées lors de l'option, généralement moins de 1 à 1,5 dB est requis. Si l'antenne elle - même a une marge de gain limitée, la préférence doit être donnée à une solution de conception avec une perte d'insertion de bande passante inférieure. La valeur de résistance carrée du film résistif de la couche de perte affecte directement la relation de compromis entre la perte d'insertion de bande passante et l'absorption hors bande, une résistance carrée trop faible augmentera la perte de bande passante, une résistance carrée trop élevée affaiblira la capacité d'absorption hors bande.
Deuxièmement, l'adaptation de la bande passante d'absorption hors bande à la bande de menace cible
Les FSR de conception différente diffèrent considérablement dans la bande passante d'absorption hors bande. Lors de la sélection du type, il convient de confirmer que la bande d'absorption hors bande du matériau couvre complètement la bande d'interférence à supprimer. Si la bande de la source de brouillage traverse plusieurs intervalles discontinus, un seul FSR peut être difficile à couvrir simultanément, et une structure composite multicouche ou un schéma de conception segmentée doivent être envisagés à ce stade.
Troisièmement, l'angle d'incidence et la stabilité de polarisation
Les angles d'incidence des ondes électromagnétiques dans les radômes et les systèmes d'antennes ont tendance à ne pas être verticaux, et les états de polarisation te et TM changent également avec les angles d'incidence. Les propriétés d'absorption du FSR sont sensibles à l'angle d'incidence et à l'état de polarisation et le choix du type doit confirmer la conservation des propriétés d'absorption du matériau dans la plage d'incidence prévue (par exemple 0° - 30° ou 0° - 45°), ainsi que la cohérence des propriétés en polarisation te / TM. Une partie de la conception maintient encore des propriétés stables d'absorption et de transmission à un angle d'incidence de 30 °.
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