Problema de sinergia multibanda de materiais absorventes de ondas eletromagnéticas: como alcançar "transmissão de passaband e fora da absorção de banda" em sistemas de antenas

No design de compatibilidade eletrômagnética dos sistemas eletrônicos, há uma contradição de design de long a data: as antenas precisam transmitir e receber sinais eficientemente dentro da banda de frequências operacionais, mas o ruído eletrômagnético ambiental fora da banda de frequências operacionais precisa ser suprimido. A proteção metal tradicional pode bloquear a interferência da banda, mas também protege o sinal da banda de passa; Materiales absorventes tradicionais podem absorver fora da interferência da banda, mas o meio de perda também introduz perda de inserção dentro da banda de passa, reduzindo a eficiência da antena.

Essa contradição é particularmente prominente em coberturas de antenas radar e antenas de comunicação de banda larga. A antena seletiva de frequência de metal tradicional (FSS) cobre formas geométricas para refletir os sinais de banda longe das ondas entrantes. No entanto, com o desenvolvimento de radar multi base e tecnologia anti-stealth, superfícies seletivas de frequência refletivas aumentaram o risco de detecção. Uma solução melhor é absorvê-los de sinais de banda em vez de refleti-los. O Rasorber Seletivo de Frequência (FSR) é o caminho tecnológico desenvolvido para abordar essa questão. Seu objetivo de projeto pode ser resumido em uma frase: permitir uma perda baixa de transmissão de ondas eletromagnéticas dentro de uma band a de frequência especificada, e absorver ondas eletromagnéticas fora da banda de frequência em vez de refletir.

O princípio de trabalho da estrutura integrada de sucção e transmissão

A estrutura central de um absortor seletivo de frequência consiste em duas camadas funcionais: a camada de perda superior e a camada seletiva de frequência de passagem de banda inferior.

A camada de perda é geralmente composta por um filme resistente ou padrão condutivo, que mostra características de absorção para ondas eletromagnéticas for a da banda. A camada seletiva de frequência de passagem de band a está localizada abaixo da camada de perda, apresentando uma janela de transmissão para ondas eletromagnéticas com frequências de passagem, ao mesmo tempo mostrando características de reflexão para ondas eletromagnéticas com frequências fora da banda. A 'reflexão' aqui não é refletir ondas eletromagnéticas de volta para o espaço livre, mas refletir as ondas eletromagnéticas residuais que penetraram a camada de perda de volta, de modo que elas possam ser absorvidas novamente através da camada de perda. Esse múltiplo processo de reabsorção de reflexão de absorção melhora significativamente a eficiência de atenuação das ondas eletromagnéticas fora da banda.

A estrutura composta de metamaterial de duas camadas proposta pela equipe do professor Kong Jie na Universidade Politécnica Northwestern é um representativo típico desse conceito de design. A equipe de pesquisa combinava um absortor de metamaterial tridimensional com uma superfície seletiva de frequência para construir um sistema composto com funções de transmissão de baixa frequência e absorção de alta frequência. A espessura total desta estrutura é de apenas 6 milímetros, atingindo transmissão eficiente de sinal na banda de frequência 3,5-7 GHz e absorção eficiente de ondas eletromagnéticas na banda de frequência 12-18 GHz. A largura e espessura de banda completas são superiores aos absortores seletivos de frequência existentes. Seu mecanismo de absorção pode reduzir significativamente a seção cruzada do radar, o que é de grande importância para lidar com sistemas de radar de duas/múltiplas bases.

Superfície Seletiva de Energia: Balançamento da Proteção de Alta Potência e Absorção fora da banda

Outra abordagem técnica para absortores seletivos de frequência é introduzir funcionalidade de seleção de energia. A Superfície Energética Seletiva (ESS) pode mudar adaptativamente os modos de funcionamento baseados na potência de ondas eletromagnéticas incidentes - manter o modo de transmissão quando sinais de baixa potência são incidentes e aumentar automaticamente a eficácia do escudo quando microondas de alta potência são incidentes.

Um design representativo do ESS integra proteção adaptativa e fora da absorção da band a, introduzindo uma camada de absorção resonante em duas modalidades na camada superior. Na banda de passagem de 1,88-2,47 GHz, a perda de inserção é inferior a 1,5 dB; na banda fora da banda de frequência de 7,8-23,18 GHz, a taxa de absorção excede 90%. Quando exposta a radiação de microondas de alta potência, a eficácia do escudo dentro da banda passa é aumentada para mais de 30 dB, mantendo o desempenho efetivo de absorção na faixa de 7,5-22,9 GHz. Essa característica adaptativa de potência torna-a únicamente valiosa em cenários em que tanto a interferência eletromagnética convencional como as ameaças de microondas de alta potência precisam ser abordadas simultaneamente.

Outra abordagem combina superfícies seletivas energéticas com camadas de perda, utilizando a resposta n ão linear dos diodos p-i-n para alcançar características de banda de parada de passaporte trocáveis. Sob incidência de baixa potência, uma baixa perda de inserção de 0,9 dB é alcançada a 3,58 GHz, e a absorção de banda ultra larga é alcançada na faixa de 5,87-17,88 GHz. Quando a for ça do campo incidente excede 740 V/m, o poder de transmissão da banda de passaporte diminui rapidamente, e a eficácia m áxima do escudo atinge 18 dB. Essa característica de "transparência durante tempos normais e escudo durante ameaças" proporciona uma solução de engenharia viable para equilibrar proteção de microondas de alta potência e stealth eletromagnético.

Limites aplicáveis para diferentes tipos de RSF

Os absortores seletivos de frequência podem ser classificados em várias configurações diferentes baseadas na posição relativa da banda de passaporte e da banda de absorção:

Tipos de passaband em altas frequências e banda de absorção em baixas frequênciasAdequado para cenários em que a absorção é necessária na banda P/L e a transmissão é necessária na banda C/X/Ku. Um projeto de FSR miniaturizado alcançou mais de 90% de absorção (largura de banda relativa 127,3%) na faixa de 500 MHz – 2,25 GHz, enquanto alcançou uma largura de banda de transmissão de -1 dB na faixa de 4,6-13,8 GHz. O tamanho da unidade desta estrutura é apenas 0,026 λ L × 0,026 λ L × 0,10 λ L, o que é adequado para redução de RCS de baixa frequência e supressão EMI em sistemas de antenas de banda ultra larga.

Tipos de passaband em baixas frequências e banda de absorção em altas frequênciasÉ adequado para cenários que requerem comunicação de baixa frequência e stealth de alta frequência. A estrutura metamaterial de duas camadas da Universidade de Xigong acima mencionada pertence a esta categoria, com uma banda de passaporte de baixa frequência cobrindo 3,5-7 GHz e uma banda de absorção de alta frequência cobrindo 12-18 GHz.

A tabela seguinte resume as características funcionais de diferentes tipos de absortores seletivos de frequência:

Três julgamentos na seleção de engenharia

Para cenários que requerem a integração das funções de absorção e transmissão nos sistemas de antenas, recomenda-se priorizar os seguintes três pontos na seleção.