基于圓環(huán)FSS 的寬帶吸波材料設(shè)計(jì)研究

王明亮，劉佳琪，劉 鑫，張生俊，穆 磊

（1. 北京航天長征飛行器研究所，北京，100076；2. 試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京，100076）

0 引 言

雷達(dá)吸波材料（Radar Absorbing Materials，RAM）是指能夠有效吸收入射雷達(dá)波，從而使其目標(biāo)回波強(qiáng)度顯著衰減的一類功能材料[1]。通常由于受到雷達(dá)吸波材料的應(yīng)用環(huán)境條件限制，吸波材料涂層厚度限制在毫米量級，難以滿足在多個頻段同時(shí)具有良好吸波性能的應(yīng)用需求。為了改善吸波材料的微波吸收性能，國內(nèi)外對吸波材料與圓形頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）復(fù)合技術(shù)進(jìn)行了研究和探索。Sha Yanan 等[2]分析了不同F(xiàn)SS 圖案及FSS 在碳纖維復(fù)合材料中的位置對材料反射特性的影響；Chambers B等[3]利用方環(huán)單元阻抗層改善吸波材料的低頻波段吸收性能；Avraham Frenkel 等[4]研究了毫米波段的吸收型FSS 設(shè)計(jì)；張成剛等[5]研究發(fā)現(xiàn)可調(diào)頻率選擇表面吸收體中通過改變集總器件電阻值，可實(shí)現(xiàn)吸波材料的吸收帶寬可調(diào)控；劉紅英等[6]利用FSS 改善微波吸收材料S 波段吸波性能，材料反射系數(shù)小于-10 dB 頻帶范圍為2.7～5.1 GHz，頻帶寬度為2.4 GHz；劉海韜等[7]利用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了電阻型容性FSS 吸收體在4～18 GHz 頻率范圍的吸波性能影響因素，通過合理選取FSS 單元方阻等參數(shù)改善了低頻的帶寬特性；McGuigan N 等[8]研究了阻抗加載FSS 吸波體的近場散射性能。這些研究表明FSS 在減小吸波材料厚度、改善吸波性能等方面有著較好的應(yīng)用前景。但對于在多個波段同時(shí)具有高吸收、大帶寬、厚度薄等性能，特別是涉及到2～12 GHz 頻率范圍，仍然是目前薄層吸波材料的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

本文針對含有FSS 的吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，開展了FSS 設(shè)計(jì)研究，用以改善吸波材料在2～12 GHz 范圍寬頻段的吸波性能，利用數(shù)值仿真研究分析了FSS 單元圖案形狀、幾何尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)對吸波材料反射率的影響規(guī)律。

1 設(shè)計(jì)原理

含有FSS 的吸波材料結(jié)構(gòu)反射性能可以采用傳輸線等效電路模型進(jìn)行分析。FSS 與吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，其等效電路如圖2 所示。

圖1 FSS 與吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)示意 Fig.1 The Composite Structure of FSS and Absorbing Material

圖2 FSS 與吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)等效電路示意 Fig.2 The Equivalent Circuit for the Composite Structure of FSS and Absorbing Material

根據(jù)傳輸線理論，吸波材料的反射系數(shù)Γ 可由下式計(jì)算：

式中in()iZ 為材料的輸入阻抗；0Z 為自由空間波阻抗。對于多層吸波材料等效電路模型，第i 層的等效輸入阻抗可表示為

觀察上述公式，在含有FSS 的吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)中，吸波材料的電損耗和磁損耗與FSS 頻響特性共同影響著材料的吸波性能?；谖ú牧想姶艆?shù)開展FSS 單元優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)FSS 單元形狀、幾何尺寸、周期排布參數(shù)，以調(diào)節(jié)FSS 的諧振頻率和等效阻抗特性，可改變吸波材料在FSS 諧振頻率點(diǎn)的反射率特性，進(jìn)而改變吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的多頻段寬帶吸波性能。

2 結(jié)果與分析

為了改善吸波材料在2～12 GHz 的吸波性能，在低頻段和高波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)高吸收性能，并具有材料厚度薄的特點(diǎn)，本文基于周期性排布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種FSS 吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，一種是圓環(huán)形FSS，一種是復(fù)合型FSS，并采用FDTD 算法研究分析了FSS 單元幾何參數(shù)、陣列周期、襯底材料等參數(shù)對吸波材料反射率性能的影響規(guī)律。

2.1 FSS 吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能

首先，在吸波材料結(jié)構(gòu)體中設(shè)計(jì)了一種圓環(huán)形FSS 單元，如圖3 所示。文中設(shè)計(jì)的FSS 單元為圓環(huán)形金屬貼片單元結(jié)構(gòu)，圓環(huán)外半徑為8 mm，圓環(huán)寬度為1 mm，單元周期為20 mm，襯底介質(zhì)厚度為0.1 mm，介電常數(shù)是1.05，采用正方形排布方式，吸波材料厚度為3 mm。通過對FSS 單元在吸波材料中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，含有FSS 的吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)與無FSS 吸波材料反射率特性仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖3 圓環(huán)形FSS 單元幾何形狀 Fig.3 The Geometry Shape for Ring FSS Unit

圖4 吸波材料增加圓環(huán)形FSS 前后的反射率對比 Fig.4 The Comparison of Reflectivity Performance for Absorbing Materials between with Ring FSS and without FSS

仿真結(jié)果顯示，單獨(dú)應(yīng)用吸波材料在2.5～4.5 GHz具有較好的微波吸收性能，反射率優(yōu)于-10 dB，但是在5 GHz 以上的高頻范圍內(nèi)反射率接近-5 dB，吸波性能非常有限。在相同的吸波材料中引入FSS 單元后，F(xiàn)SS 吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)形成2 個寬帶吸波峰，其中心頻率分別位于4.3 GHz 和6 GHz，其反射率分別為-25 dB、-37 dB，并且從3.7～8 GHz 反射率均低于-10 dB，由原吸波材料的2 GHz 帶寬拓寬到了4 GHz的吸收帶寬，在材料厚度薄的條件下拓寬了吸收帶寬；并且反射率性能明顯優(yōu)于不含F(xiàn)SS 的吸波材料，提高了吸波能力，獲得了良好的吸波性能。

在圓環(huán)形FSS 單元的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種圓環(huán)與十字環(huán)復(fù)合的FSS 單元結(jié)構(gòu)（見圖5），并與吸波材料復(fù)合，仿真結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，增加了十字環(huán)結(jié)構(gòu)以后，復(fù)合吸波材料結(jié)構(gòu)的吸收峰向更高的頻率偏移，吸收峰中心頻率分別位于4.8 GHz 和7.2 GHz，并且，反射率低于-10 dB 的頻率范圍達(dá)到約5 GHz 的吸收帶寬（4～9 GHz）。

圖5 圓環(huán)形FSS 單元幾何形狀 Fig.5 The Geometry Shape for Designed Ring FSS Unit

圖6 吸波材料增加圓環(huán)形FSS 前、后的反射率對比 Fig.6 The Comparison of Reflectivity Performance for Absorbing Materials between with Different FSS and without FSS

根據(jù)上述兩種FSS 單元設(shè)計(jì)，以及與同一種吸波材料復(fù)合的整體吸波性能，在吸波材料中引入周期性單元結(jié)構(gòu)，能夠增加吸收峰的數(shù)量，同時(shí)有效調(diào)節(jié)吸波材料的吸收峰頻率、吸收帶寬和反射率幅度。因此，在現(xiàn)有吸波材料的基礎(chǔ)上，可通過增加FSS 設(shè)計(jì)，人為地控制吸收峰的位置，達(dá)到所需的吸波效果。

2.2 陣列周期對吸波性能影響

針對圓環(huán)形FSS 吸波材料結(jié)構(gòu)，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的前提下，僅調(diào)整FSS 單元的排布周期，反射率性能仿真及對比結(jié)果如圖7 所示?？梢婋S著FSS 單元周期長度的增大，吸波材料在高頻段的吸收峰中心頻率由6 GHz 逐漸向5.5 GHz 漂移，而在低頻段的吸收峰中心頻率由4.2 GHz 逐漸向4.5 GHz 漂移。同時(shí)，兩個吸收峰頻率之間的反射率曲線整體向下偏移，當(dāng)周期長度由18 mm 增大到30 mm 時(shí)，吸收峰之間的反射率由-10 dB 降低到-15 dB，獲得了更好的吸收效果。因此，通過調(diào)節(jié)FSS 單元周期，可在微波波段、特別是4～8 GHz 頻率范圍內(nèi)提高寬頻吸收性能。

圖7 FSS 周期長度對吸波材料反射率的影響 Fig.7 The Influence of FSS Period Length on Reflectivity of Absorbing Materials

2.3 FSS 圓環(huán)半徑對吸波性能影響

改變FSS 圓環(huán)形單元的外半徑，研究FSS 單元的幾何參數(shù)對吸波材料反射率性能的影響，反射率性能仿真及對比結(jié)果如圖8 所示。

圖8 FSS 圓半徑參數(shù)對吸波材料反射率的影響 Fig.8 The Influence of FSS Radius on Reflectivity of Absorbing Materials

由圖8 可知，F(xiàn)SS 圓半徑在6～9 mm的范圍內(nèi)變化，吸波材料吸收峰峰值發(fā)生明顯改變，獲得高的吸收性能，并且，吸收峰中心頻率逐漸向低頻方向偏移，即第一吸收峰中心諧振頻率由5 GHz 偏移到3.8 GHz，第二吸收峰中心諧振頻率由7 GHz 偏移到6 GHz。因此，F(xiàn)SS 單元半徑參數(shù)對吸波材料的吸收峰中心頻率影響明顯，適當(dāng)?shù)陌霃絽?shù)能夠使吸波材料在中心頻率獲得反射率極低的吸收峰。

2.4 FSS 單元圓環(huán)寬度對吸波性能影響

研究FSS 圓環(huán)單元寬度對吸波材料反射率性能的影響，F(xiàn)SS 圓環(huán)寬度半徑由0.5 mm 變化到2 mm 時(shí)，吸收峰中心頻率向高頻方向偏移，低于-10 dB 的吸收帶寬由4～8 GHz 變化為4～8.5 GHz，圓環(huán)寬度的變化可增加500 MHz 帶寬，反射率性能仿真及對比結(jié)果如圖9 所示。

圖9 FSS 圓環(huán)寬度對吸波材料反射率的影響 Fig.9 The Influence of FSS Ring Width on Reflectivity of Absorbing Materials

3 結(jié) 論

本文基于吸波材料設(shè)計(jì)了圓環(huán)形FSS 單元，采用數(shù)值算法對含有FSS 的吸波材料復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反射率性能仿真，改善了吸波材料在2～12 GHz 頻率范圍的吸波性能，并分析研究了FSS 的幾種設(shè)計(jì)因素對吸波材料反射率的影響作用。研究表明：

a）在吸波材料中引入周期性單元結(jié)構(gòu)，能夠增加吸收峰的數(shù)量，同時(shí)有效調(diào)節(jié)吸波材料的吸收峰頻率、吸收帶寬和反射率幅度，吸收峰中心頻率分別是 4.3 GHz 和6 GHz，吸收帶寬由原吸波材料的2 GHz帶寬拓寬到了4 GHz 的吸收帶寬，反射率性能明顯優(yōu)于不含F(xiàn)SS 的吸波材料。

b）通過調(diào)節(jié)FSS 單元周期，可在微波波段內(nèi)提高寬頻吸收性能。

c）FSS 單元半徑和寬度對吸收峰的頻率和幅度影響較大，基于電磁參數(shù)和FSS 圖案設(shè)計(jì)，當(dāng)圓環(huán)寬度增大到2 mm 時(shí)，可增加500 MHz 吸收帶寬。